電源管理
開關穩壓源
開關穩壓電源是MOS管的主要應用領域之一,如圖便是一個結構簡單的實例。該電路可由50V~300V的輸入電壓產生11V左右的恒定輸出電壓,輸出電流50mA,紋波電壓不超過20mV,且有限流保護功能,允許輸出瞬時短路。圖中,MOS管 BG、開關二極管DZ和電感器L組成基本的正激式降壓開關調整器。電阻R1為mos管提供柵極偏壓以使其導通穩壓二極管DZ則用來保證其柵源電壓不超過10v以免引起擊穿。 光電耦合器GD中的發光二極管與用以設定輸出電壓的穩壓二極管 DZ2相串聯,一旦電路輸出電壓達到 DZ2 的穩定電壓與發光二極管的正向電壓之和, GD中的光敏三極管便開始導通, 于是MOS管因柵源電壓下降而隨之關斷。 由于電感器L 的作用, 此時開關二極管D將承受正向電壓而發生導通,依靠貯存于L中的磁能來維持開關電源的輸出電壓。 當L中的電流減小到不足以維持電路的負載時, 輸出電壓便開始下降, 待到穩壓二極管DZ2隨之退出擊穿區時, MOS 管又重新導通, 開關二極管 D 則轉為截止狀態。 如此周而復始, 使開關電源的輸出電壓近于恒定。輸出過載或短路時, 電流采樣電阻R2所產生的壓降使光電耦合器GD中的光敏三極管開始導通, MOS管的柵源電壓隨之有所下降, 將電路的輸出電流控制在50mA 左右, 從而實現限流保護。改變穩壓二極管DZ2的穩定電壓可以調整開關電源的輸出電壓。 正常工作時, MOS管每次導通的持續時間僅約1µs。 如果采用耐壓較高的MOS管并適當加大電阻R1的阻值, 輸入電壓的上限還可進一步提高。
電子濾波器
某些電子設備, 如音響電路之類, 往往對電源電壓的穩定性要求不高, 但對電源紋波則較為敏感。 在這種情況下, 常??梢噪娮訛V波器供電而不用穩壓電源, 如此可以充分利用電源功率, 同時也能保證足夠的交流聲抑制能力。
如圖是由MOS管構成的電子濾波器,能夠自動跟蹤電源電壓和負載電流的變化,使輸出電壓始終略低于整流脈動電壓的谷值,所以電源利用率很高。該電路還具有輸出限壓功能以保證負載電路的安全,特別適用于電源電壓波動較大的場合。圖中,電阻R1和R2組成采樣分壓器,另又加入二極管D1以保證采樣電壓略低于整流電壓之半。運放ICA、二極管D2和電容器c1組成精密峰值整流器,用以跟蹤采樣電壓的谷底即最正值。電阻R3為電容器C1提供放電通路,兩者的時間常數取為1s。峰值整流器的輸出由運放ICb緩沖并經阻容網絡R4C2濾波后,再由運放ICc與電路的輸出電壓之半進行比較,由其調整MOS管的柵壓,使電路的輸出電壓恰好略低于整流脈動電壓的谷值。運放ICd與穩壓管ZD以及二極管 D3等用以附加輸出限壓功能。不難看出,電路的輸出電壓上限等于ZD穩定電壓的兩倍。 按圖中ZD所選型號,輸出電壓的上限便是15V。濾波器的額定負載電流為2.5A,所用MOS管的導通電阻約為0.1Ω,故而所需的最小管壓降僅有0.25V。整流電壓的脈動幅度達到幾伏時,濾波器的輸出紋波電壓仍在1mV以內。
同步整流器
在低壓大電流整流器中,整流元件的正向壓降常是影響整流效率的主要因素,有時還會因此而引起散熱方面的麻煩。采用由MOS組成的所謂“同步整流器”,可較好地解決這一問題。如所周知,普通硅整流二極管的正向壓降約為700mV,肖特基二極管的正向壓降也有 400mV左右。而在同步整流器中,因以MOS管作為受控單向導電元件,其導通電阻可以 低至數十毫歐,故其產生的壓降與功耗明顯小于一般的整流元件。圖3是一種全波同步整流器,由兩個MOS管BG1和BG2在雙比較器IC的控制下輪流導通而完成全波整流。如輸入交流為負半周時,比較器ICA輸出高電平, 使MOS管BG1因柵源電壓超過其闡值電壓而開通,ICb則輸出低電平,故BG2因柵壓近似為零而關斷,此時負載電流經BG1和變壓器次級上半部分完成回路。與此相應,輸入交流為正半周時,負載電流經BG2和變壓器次級下半部分完成回路。需要指出,由于MOS管內部漏、源極間存在著一個反向跨接的寄生二極管,因而只有在漏源電壓為正值時才能呈現截止狀態。 于是在同步整流器中,只能于負半周期使器件開道。 由于器件導通電阻很小,管壓降通常低于寄生二極管的閾值電壓, 所以寄生二極管實際上并不起什么作用。電路中所用比較器為集電極開路(OC)型輸出, 故在周期轉換時, 導通管因柵一源極間電容快速放電而迅速關斷,截止管則須經比較器輸出上拉電阻R1或R2向柵-源極間電容充電而稍遲開通, 如此可以避免出現兩管同時導通的不利情況。 四個二極管系用作鉗位保護, 使比較器的反相輸入端電壓不致超出其電源電壓范圍。
輸入交流為方波時電路的整流效率最高,在輸出 5V1A的情況下可達到97%。 若是改用導通電阻更低的MOS管, 效率還可有所提高。 而用普通硅二極管時, 整流效率約為90%。 輸入為正弦波時電路效率稍差, 因為MOS管的導通角將由接近于180°減小至70°左右,其脈沖電流的幅度則相應增大, 因而造成較多的功率損耗。