CN109104074B - 应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路,包括UC384X系列芯片、三极管Q1、三极管Q2、电阻R3、电阻RT和电容CT,电阻RT和电容CT串联后的一端与UC384X系列芯片的第8引脚连接;电阻RT和电容CT的连接端与UC384X系列芯片的第4引脚连接,且通过电阻R4与三极管Q2的集电极连接,三极管Q2的基极和三极管Q1的集电极均通过电阻R1与UC384X系列芯片的第8引脚连接;三极管Q1的基极通过电阻R2与UC384X系列芯片的第1引脚连接;本发明还公开了一种应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路的设计方法。本发明工作可靠性高,调频响应速度快,能够使开关电源整体效率大大提高。
Description
技术领域
本发明属于新能源汽车技术领域,具体涉及一种应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路及其设计方法。
背景技术
自汽车出现以来,其功能已经由一种原始的代步方式转变为人们生活的必需品。而随着汽车使用的普及,因此而带来的环境污染问题和能源危机问题正越来越广泛地引起人们的关注,新能源汽车应运而生。发展新能源汽车产业是落实国家能源转型升级战略的重要举措。新能源汽车包括纯电动汽车、增程式电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车、氢发动机汽车、其他新能源汽车等。其中,纯电动汽车、增程式电动汽车和混合动力汽车中均需要用到电驱动系统,电驱动系统中需用到开关电源,为了减小开关电源的体积,提高开关电源的功率密度,就需要提高开关电源内开关管的频率。然而,就传统的硬开关PWM控制电路而言,频率越高其开关管损耗便越大,尤其是当开关电源工作在轻载或空载情况下,其热损耗占的比重越大,也预示着电路效率越低。所以在电路工作在轻载状态下时将工作频率减小就显得尤为重要。
传统的调频控制方法主要有两种,一种是取样功率管中的峰值电流信号,将其转换为电压信号并与一个预设的基准电压进行比较,通过比较器输出逻辑形成闭环对驱动频率进行控制;这种方法的缺点在于,当输出负载很轻或者空载时,电感中的峰值电流必然很低,这就使得负载检测电压很微弱,很容易导致高低频率的循环震荡。另一种是通过对输出平均电流的计算和变量的迭代转换,用数字电路实现调频;这种方法结构复杂,成本高,一般电路中不宜实现。
UC384X系列芯片是TI公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器,在传统的PWM电压控制的基础上,引入电流反馈,动态响应性能优越,主要用于小功率反激、单端正激电路的设计,在目前市场中仍占有很大的市场份额。其外围电路接线简单、所用元器件少、性能优越、成本低廉、输出非常适合驱动MOS场效应管。如果能够基于UC384X系列芯片结合简单的外围电路实现应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路,将有效解决现有技术中调频控制存在的问题,能够为新能源汽车电驱动系统提供体积小、功率密度高、工作稳定可靠的开关电源;但是,现有技术中还缺乏电路结构简单、实现方便且成本低、工作可靠性高、工作性能稳定、调频响应速度快、能够使开关电源整体效率大大提高、使用方便的基于UC384X系列芯片的应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种电路结构简单、设计新颖合理、实现方便且成本低、使用方便、工作可靠性高、工作性能稳定、调频响应速度快、能够使开关电源整体效率大大提高、实用性强、便于推广使用的应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路,其特征在于:包括UC384X系列芯片、三极管Q1、三极管Q2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻RT和电容 CT,所述电阻RT和电容CT串联后的一端与UC384X系列芯片的第8引脚连接,所述电阻RT和电容CT串联后的另一端接地;所述电阻RT和电容 CT的连接端与UC384X系列芯片的第4引脚连接,且通过电阻R4与三极管 Q2的集电极连接,所述三极管Q2的基极和三极管Q1的集电极均通过电阻 R1与UC384X系列芯片的第8引脚连接,所述三极管Q2的发射极和三极管 Q1的发射极均接地;所述三极管Q1的基极通过电阻R2与UC384X系列芯片的第1引脚连接,且通过电阻R3接地。
上述的应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路,其特征在于:所述UC384X系列芯片包括芯片UC3843。
上述的应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路,其特征在于:所述三极管Q1和三极管Q2均为NPN型三极管。
上述的应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路,其特征在于:所述三极管Q1的型号为9014。
上述的应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路,其特征在于:所述三极管Q2的型号为9014。
本发明还提供了一种方法步骤简单、设计合理、实现方便、能够设计出具有足够低的轻载频率的开关电源变频控制电路、且开关电源变频控制电路的工作可靠性高、工作性能稳定、调频响应速度快、能够使开关电源整体效率大大提高的设计应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤一、选择所述UC384X系列芯片的型号;
步骤二、选择合适参数的三极管Q1、三极管Q2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻RT和电容CT,具体过程为:
步骤201、根据0.001uF≤CT≤0.1uF选择电容CT的容值;
步骤202、根据公式选取电阻RT的阻值,其中,fhigh为所述应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路的最高工作频率;
步骤203、根据公式选取电阻R4的阻值,其中,flow为当三极管Q1截止、三极管Q2饱和导通时所述应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路的最低工作频率;
步骤204、根据公式PQ2=Vce_sat,Q2×IR4_max计算三极管Q2的最大传输功率 PQ2,并选取功率大于PQ2的型号的三极管作为三极管Q2;其中,Vce_sat,Q2为三极管Q2的饱和压降;IR4_max 为流过电阻R4的最大电流且ICT_fhigh为所述应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路在最高工作频率状态下工作时电容CT的充电电流,且ICT_fhigh=CT×(Vp4_max-Vp4_min)×fhigh,Vp4_max为UC384X系列芯片的第4引脚的最高电压,Vp4_min为UC384X系列芯片的第4引脚的最低电压;
步骤205、根据公式选取电阻R1的阻值,其中,Vp8为 UC384X系列芯片的第8引脚的基准电压值,Vbe_Q2为三极管Q2的基极偏压,βQ2为三极管Q2的放大倍数;
步骤206、根据公式计算三极管Q1的最大传输功率PQ1,并选取功率大于PQ1的型号的三极管作为三极管Q1;其中,Vce_sat,Q1为三极管Q1的饱和压降;
步骤207、根据1kΩ≤R3≤50kΩ选择电阻R3的阻值;
步骤208、根据公式选取电阻R2的阻值,其中,Vp1_max为新能源汽车电驱动用开关电源输出满载时UC384X系列芯片的第1引脚的电压值,Vbe_Q1为三极管Q1的基极偏压,Ib_Q1为三极管Q1的基极电流且根据公式计算Ib_Q1,βQ1为三极管Q1的增益;
步骤三、连接所述UC384X系列芯片、三极管Q1、三极管Q2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻RT和电容CT,组成应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路;具体过程为:
步骤301、将电阻RT的一端与UC384X系列芯片的第8引脚连接,将电阻RT的另一端与UC384X系列芯片的第4引脚和电容CT的一端连接,将电容CT的另一端接地;
步骤302、将电阻R4的一端与UC384X系列芯片的第4引脚连接,将电阻R4的另一端与三极管Q2的集电极连接;
步骤303、将三极管Q2的基极和三极管Q1的集电极均与电阻R1的一端连接,将电阻R1的另一端与UC384X系列芯片的第8引脚连接;
步骤304、三极管Q2的发射极和三极管Q1的发射极均接地;
步骤305、将三极管Q1的基极与电阻R2的一端和电阻R3的一端连接,将电阻R2的另一端与UC384X系列芯片的第1引脚连接,将电阻R3的另一端接地。
本发明与现有技术相比具有以下优点:
1、本发明的应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路,基于UC384X 系列芯片结合外围电路实现,电路结构简单,设计新颖合理,实现方便且成本低,有效利用了UC384X系列芯片动态响应性能优越、外围电路接线简单、成本低廉的优点。
2、本发明应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路,基于UC384X 系列芯片本身所具有的电流环而设计,通过检测UC384X系列芯片第1引脚的电压控制三极管Q1、三极管Q2的导通或关断,使得调频电阻R4并入或断开,以达到变频控制的功能,工作可靠性高,工作性能稳定。
3、本发明的应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路,能够应用于任何以UC384X系列芯片或频率实现方式与UC384X系列芯片相同的电源芯片为主控的电源中,不用修改原电路就可以直接加入正常使用,使用非常方便。
4、将本发明的应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路应用于新能源汽车电驱动用开关电源中,当新能源汽车电驱动用开关电源空载或空载时,其驱动频率降低,调频响应速度快,能够使电源整体效率大大提高。
5、本发明应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路的设计方法的方法步骤简单,设计合理,实现方便,能够设计出具有足够低的轻载频率的应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路,且应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路的工作可靠性高,工作性能稳定,调频响应速度快,能够使电源整体效率大大提高。
6、将本发明的应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路应用于新能源汽车电驱动用开关电源中,能够稳定可靠地为新能源汽车电驱动系统供电,能够推动新能源汽车的发展和推广应用,本发明的实用性强,使用效果好,便于推广使用。
综上所述,本发明的电路结构简单,设计新颖合理,实现方便且成本低,使用方便,工作可靠性高,工作性能稳定,调频响应速度快,能够使电源整体效率大大提高,实用性强,便于推广使用。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路的电路原理图。
图2为本发明应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路的设计方法的方法流程框图。
具体实施方式
如图1所示,本发明的应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路,包括UC384X系列芯片、三极管Q1、三极管Q2、电阻R1、电阻R2、电阻 R3、电阻R4、电阻RT和电容CT,所述电阻RT和电容CT串联后的一端与 UC384X系列芯片的第8引脚连接,所述电阻RT和电容CT串联后的另一端接地;所述电阻RT和电容CT的连接端与UC384X系列芯片的第4引脚连接,且通过电阻R4与三极管Q2的集电极连接,所述三极管Q2的基极和三极管Q1的集电极均通过电阻R1与UC384X系列芯片的第8引脚连接,所述三极管Q2的发射极和三极管Q1的发射极均接地;所述三极管Q1的基极通过电阻R2与UC384X系列芯片的第1引脚连接,且通过电阻R3接地。
本实施例中,所述UC384X系列芯片包括芯片UC3843。所述三极管Q1 和三极管Q2均为NPN型三极管。具体而言,所述三极管Q1的型号为9014。所述三极管Q2的型号为9014。
本发明的应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路中,UC384X系列芯片的第8引脚基准电压为应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路的供电端,UC384X系列芯片的第1引脚为应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路的控制端,UC384X系列芯片的第4引脚为应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路的调频端。当开关电源满载工作时,UC384X系列芯片的第1引脚电压为最高值,三极管Q1饱和导通,三极管Q2彻底关断,调频电阻R4与电容CT断开,所述应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路的工作频率为最高频率fhigh,工作频率完全由电阻RT和电容CT决定,为当新能源汽车电驱动用开关电源输出负载逐渐减轻时, UC384X系列芯片的第1引脚的电压会随着下降,三极管Q1集电极的电压随之增加,流过三极管Q2的基极电流增大,三极管Q2的集电极电流也随之增大,即给电容CT充电的电流就减小,所以电容CT充电速度变慢, UC384X系列芯片的第6引脚输出的PWM脉冲频率就变低,也就是新能源汽车电驱动用开关电源的工作频率变小;当新能源汽车电驱动用开关电源输出空载时,UC384X系列芯片的第1引脚电压为最低值,三极管Q1彻底关断,三极管Q2饱和导通,调频电阻R4完全接入UC384X系列芯片的第4 引脚并接在电容CT两端,此时应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路的工作频率为最低工作频率flow,工作频率由电阻RT、电容CT和电阻 R4共同决定,为所以本发明的应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路的本质是通过检测UC384X系列芯片第1引脚的电压控制三极管Q1、三极管Q2的导通状态,即就是控制流过调频电阻R4电流的大小,以达到轻载调频的功能。
如图2所示,本发明的应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路的设计方法,包括以下步骤:
步骤一、选择所述UC384X系列芯片的型号;本实施例中,选择所述 UC384X系列芯片的型号为UC3843;
步骤二、选择合适参数的三极管Q1、三极管Q2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻RT和电容CT,具体过程为:
步骤201、根据0.001uF≤CT≤0.1uF选择电容CT的容值;本实施例中,选择电容CT的容值为0.01uF;
步骤202、根据公式选取电阻RT的阻值,其中,fhigh为所述应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路的最高工作频率;本实施例中,所述应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路的最高工作频率 fhigh=100kHz,根据公式计算得到RT=1.72kΩ,由于1.72kΩ不是市场上能够直接购买到的电阻的阻值,而1.5kΩ是市场上能够直接购买到的与1.72kΩ最接近的阻值,因此,选取电阻RT的阻值为1.5kΩ;
步骤203、根据公式选取电阻R4的阻值,其中,flow为当三极管Q1截止、三极管Q2饱和导通时所述应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路的最低工作频率;本实施例中,三极管Q1截止、三极管Q2饱和导通时所述应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路的最低工作频率flow=20kHz,RT=1.5kΩ,CT=0.01uF,根据公式计算得到R4=1.82kΩ,因此,选取电阻R4的阻值为1.82kΩ;由于1.82kΩ不是市场上能够直接购买到的电阻的阻值,而1.8kΩ是市场上能够直接购买到的与1.82kΩ最接近的阻值,因此,选取电阻R4的阻值为1.8kΩ;
步骤204、根据公式PQ2=Vce_sat,Q2×IR4_max计算三极管Q2的最大传输功率 PQ2,并选取功率大于PQ2的型号的三极管作为三极管Q2;其中,Vce_sat,Q2为三极管Q2的饱和压降;IR4_max为流过电阻R4的最大电流且ICT_fhigh为所述应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路在最高工作频率状态下工作时电容CT的充电电流,且 ICT_fhigh=CT×(Vp4_max-Vp4_min)×fhigh,Vp4_max为UC384X系列芯片的第4引脚的最高电压,Vp4_min为UC384X系列芯片的第4引脚的最低电压;本实施例中, fhigh=100kHz,flow=20kHz,Vp4_max=2.8V,Vp4_min=1.2V,CT=0.01uF,根据公式 ICT_fhigh=CT×(Vp4_max-Vp4_mi)n×fhigh计算得到根据公式计算得到IR4_max=1.28mA,Vce_sat,Q2=0.3V,根据公式 PQ2=Vce_sat,Q2×IR4_max计算得到PQ2=0.38mW;因此选取功率大于PQ2的型号的三极管作为三极管Q2,本实施例中,选取功率为0.6W型号为9014的三极管作为三极管Q2;
步骤205、根据公式选取电阻R1的阻值,其中,Vp8为 UC384X系列芯片的第8引脚的基准电压值,Vbe_Q2为三极管Q2的基极偏压,βQ2为三极管Q2的放大倍数;本实施例中,IR4_max=1.28mA,Vbe_Q2=0.7V,βQ2=80,Vp8=5V,根据公式计算得到R1=268.75kΩ,因此,选取电阻R1的阻值为268.75kΩ;由于268.75kΩ不是市场上能够直接购买到的电阻的阻值,而270kΩ是市场上能够直接购买到的与268.75kΩ最接近的阻值,因此,选取电阻R1的阻值为270kΩ;
步骤206、根据公式计算三极管Q1的最大传输功率PQ1,并选取功率大于PQ1的型号的三极管作为三极管Q1;其中,Vce_sat,Q1为三极管Q1的饱和压降;本实施例中,Vp8=5V,Vce_sat,Q1=0.3V,R1=270K,根据公式计算得到PQ1=5uW;因此选取功率大于PQ1的型号的三极管作为三极管Q1,本实施例中,选取功率为0.6W型号为9014 的三极管作为三极管Q1;
步骤207、根据1kΩ≤R3≤50kΩ选择电阻R3的阻值;本实施例中,选择电阻R3的阻值为10kΩ;
步骤208、根据公式选取电阻R2的阻值,其中,Vp1_max为新能源汽车电驱动用开关电源输出满载时UC384X系列芯片的第1引脚的电压值,Vbe_Q1为三极管Q1的基极偏压,Ib_Q1为三极管Q1的基极电流且根据公式计算Ib_Q1,βQ1为三极管Q1的增益;本实施例中,R1=270kΩ,Vp8=5V,Vce_sat,Q1=0.3V,βQ1=80,根据公式计算得到Ib_Q1=0.2uA;Vp1_max=3.5V,Vbe_Q1=0.7V, R3=kΩ,根据公式计算得到R2=39.8kΩ;因此,选取电阻R2的阻值为39.8kΩ;由于39.8kΩ不是市场上能够直接购买到的电阻的阻值,而39kΩ是市场上能够直接购买到的与39.8kΩ最接近的阻值,因此,选取电阻R1的阻值为39kΩ;
步骤三、连接所述UC384X系列芯片、三极管Q1、三极管Q2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻RT和电容CT,组成应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路;具体过程为:
步骤301、将电阻RT的一端与UC384X系列芯片的第8引脚连接,将电阻RT的另一端与UC384X系列芯片的第4引脚和电容CT的一端连接,将电容CT的另一端接地;
步骤302、将电阻R4的一端与UC384X系列芯片的第4引脚连接,将电阻R4的另一端与三极管Q2的集电极连接;
步骤303、将三极管Q2的基极和三极管Q1的集电极均与电阻R1的一端连接,将电阻R1的另一端与UC384X系列芯片的第8引脚连接;
步骤304、三极管Q2的发射极和三极管Q1的发射极均接地;
步骤305、将三极管Q1的基极与电阻R2的一端和电阻R3的一端连接,将电阻R2的另一端与UC384X系列芯片的第1引脚连接,将电阻R3的另一端接地。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何限制,凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化,均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (6)
1.一种应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路,其特征在于:包括UC384X系列芯片、三极管Q1、三极管Q2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻RT和电容CT,所述电阻RT和电容CT串联后的一端与UC384X系列芯片的第8引脚连接,所述电阻RT和电容CT串联后的另一端接地;所述电阻RT和电容CT的连接端与UC384X系列芯片的第4引脚连接,且通过电阻R4与三极管Q2的集电极连接,所述三极管Q2的基极和三极管Q1的集电极均通过电阻R1与UC384X系列芯片的第8引脚连接,所述三极管Q2的发射极和三极管Q1的发射极均接地;所述三极管Q1的基极通过电阻R2与UC384X系列芯片的第1引脚连接,且通过电阻R3接地。
2.按照权利要求1所述的应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路,其特征在于:所述UC384X系列芯片包括芯片UC3843。
3.按照权利要求1所述的应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路,其特征在于:所述三极管Q1和三极管Q2均为NPN型三极管。
4.按照权利要求1或3所述的应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路,其特征在于:所述三极管Q1的型号为9014。
5.按照权利要求1或3所述的应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路,其特征在于:所述三极管Q2的型号为9014。
6.一种设计如权利要求1所述应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
步骤一、选择所述UC384X系列芯片的型号;
步骤二、选择合适参数的三极管Q1、三极管Q2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻RT和电容CT,具体过程为:
步骤201、根据0.001uF≤CT≤0.1uF选择电容CT的容值;
步骤202、根据公式选取电阻RT的阻值,其中,fhigh为所述应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路的最高工作频率;
步骤203、根据公式选取电阻R4的阻值,其中,flow为当三极管Q1截止、三极管Q2饱和导通时所述应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路的最低工作频率;
步骤204、根据公式PQ2=Vce_sat,Q2×IR4_max计算三极管Q2的最大传输功率PQ2,并选取功率大于PQ2的型号的三极管作为三极管Q2;其中,Vce_sat,Q2为三极管Q2的饱和压降;IR4_m为流过电阻R4的最大电流且 为所述应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路在最高工作频率状态下工作时电容CT的充电电流,且Vp4_max为UC384X系列芯片的第4引脚的最高电压,Vp4_min为UC384X系列芯片的第4引脚的最低电压;
步骤205、根据公式选取电阻R1的阻值,其中,Vp8为UC384X系列芯片的第8引脚的基准电压值,Vbe_Q2为三极管Q2的基极偏压,βQ2为三极管Q2的放大倍数;
步骤206、根据公式计算三极管Q1的最大传输功率PQ1,并选取功率大于PQ1的型号的三极管作为三极管Q1;其中,Vce_sat,Q1为三极管Q1的饱和压降;
步骤207、根据1kΩ≤R3≤50kΩ选择电阻R3的阻值;
步骤208、根据公式选取电阻R2的阻值,其中,Vp1_max为新能源汽车电驱动用开关电源输出满载时UC384X系列芯片的第1引脚的电压值,Vbe_Q1为三极管Q1的基极偏压,Ib_Q1为三极管Q1的基极电流且根据公式计算Ib_Q1,βQ1为三极管Q1的增益;
步骤三、连接所述UC384X系列芯片、三极管Q1、三极管Q2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻RT和电容CT,组成应用于新能源汽车的开关电源变频控制电路;具体过程为:
步骤301、将电阻RT的一端与UC384X系列芯片的第8引脚连接,将电阻RT的另一端与UC384X系列芯片的第4引脚和电容CT的一端连接,将电容CT的另一端接地;
步骤302、将电阻R4的一端与UC384X系列芯片的第4引脚连接,将电阻R4的另一端与三极管Q2的集电极连接;
步骤303、将三极管Q2的基极和三极管Q1的集电极均与电阻R1的一端连接,将电阻R1的另一端与UC384X系列芯片的第8引脚连接;
步骤304、三极管Q2的发射极和三极管Q1的发射极均接地;
步骤305、将三极管Q1的基极与电阻R2的一端和电阻R3的一端连接,将电阻R2的另一端与UC384X系列芯片的第1引脚连接,将电阻R3的另一端接地。
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