开关电流电路范文

开关电流电路范文（精选12篇）

开关电流电路 第1篇

开关电流技术是近年来提出的一种新的模拟信号采样、保持、处理技术。与已成熟的开关电容技术相比, 开关电流技术不需要线性电容和高性能运算放大器, 整个电路均由MOS管构成, 因此可与标准数字CMOS工艺兼容, 可与数字电路使用相同工艺, 并集成在同一块芯片上, 所以也有人称之为数字工艺的模拟技术。但是开关电流电路中存在一些非理想因素, 如时钟馈通误差和传输误差, 它直接影响到电路的性能[1]。

本文详细分析了第二代开关电流存储单元存在的问题, 提出了改进方法, 并设计了延迟线电路。此电路可以精确地对信号进行采样并延迟任意时钟周期。解决了第二代开关电流存储单元产生的误差, 利用此电路可以方便地构造各种离散时间系统函数[2]。

1第二代开关电流存储单元分析

第二代开关电流存储单元, 在φ1 (n-1) 相, S1, S2闭合, S3断开, 晶体管M连成二极管形式, 输入电流ii与偏置电流I之和给栅源极间电容C充电。随着充电的进行, 栅极电压vgs达到使M能维持整个输入电流的电平, 栅极充电电流减至零, 达到稳态, 此时M的漏极电流为:

${\rm I}{}_{\text{d}}(n-1)=i{}_{\text{i}}(n-1)+{\rm I}$

在φ2 (n) 相, S1, S2断开, S3闭合, 此时输出端电流为:

$i{}_{\text{o}}(n)={\rm I}-{\rm I}{}_{\text{d}}(n-1)=-i{}_{\text{i}}(n-1)$

Z域传输函数为:

${\rm H}(z)=-z{}^{-1/2}$

综上可看出, 晶体管M既作为输入存储管又作为输出管, 输出电流io仅在φ2相期间获得。

2延迟线

从结果来看, 由于时钟馈通误差和传输误差的存在, 第二代开关电流存储单元 (以下简称基本存储单元) 输出波形严重失真, 尤其是级联后的电路失真更加严重, 无法应用到实际中, 所以, 设计延迟线电路[3]。

电路原理如下:电路是一个由N+1个并联存储单元组成的阵列, 且由时钟序列控制。在时钟的φ0相, 存储单元M0接收输入信号, 而单元M1提供其输出。类似的, 在φ1相, 单元M1接收输入信号, 单元M2提供其输出。这个过程一直持续到单元MN接收其输入信号, 单元M0提供其输出信号为止, 然后重复循环。显然, 每个单元都是在其下一个输入之前一个周期, 即在其前一个输出相N个周期 (NT) 之后, 提供输出信号。如取N=1, 则延迟线是一个反相单位延迟单元, 或连续输入信号时, 它是一个采样保持电路, 此时, 延迟线电路和基本存储单元相同。请注意, 对于循环的N-1个时钟相, 每个存储单元既不接收信号也不提供信号。在这些时刻, 存储晶体管上的漏电压值变化到迫使每个偏置电流和保持在其有关存储晶体管中的电流之间匹配[4]。给出Z域传输函数为:

${\rm H}(z)=-z{}^{-{\rm N}}$

用基本存储单元级联延迟N个周期, 则需要2N个基本存储单元级联, 并且电路的时钟馈通误差和传输误差会随着N的增加越来越严重, 到最后原信号将淹没在误差信号中。延迟线电路若要实现信号延迟N个时钟周期, 则需要N+1个并联存储单元组成, 并且需要N+1种时序。由于这种电路结构不需要级联, 所以并不会像基本存储单元级联那样使得时钟馈通误差和传输误差越来越大。但是时钟馈通误差和传输误差仍然存在, 以下给出解决办法。

3时钟馈通误差及传输误差的改善

3.1 时钟馈通误差的改善

改善时钟馈通误差可采用S2I电路。它的工作原理为:在φ1a相, Mf的栅极与基准电压Vref相连, 此时Mf为Mc提供偏置电流J。Mc中存储的电流为ic=J+ii。当φ1a由高电平跳变为低电平时, 由于时钟馈通效应等因素造成Mc单元存储的电流中含有一个电流误差值, 假设它为Δii, 则Mc中存储的电流为ic=J+ii+Δii。在φ1b相期间, 细存储管Mf对误差电流进行取样, 由于输入电流仍然保持着输入状态, 所以Mf中存储的电流为If=J+Δii。当φ1b由高电平跳变为低电平时, 考虑到Δii≪J, 所以可以认为Mf和Mc的漏极端子为“虚地”端, 即此时Mf和Mc的漏极端电压与没有信号输入时的电压非常接近。在φ2相为高电平期间, 由φ1b的时钟馈通效应在Mf产生的误差电流为δi, 则If=J+Δii+δi, 由于δi是由Δii产生的, 且δi≪Δii, 所以输出电流io=If-Ic=-ii+δi, 由于Δii已经被抵消, 而δi很小, 所以可以认为输出电流与输入电流相等[5]。

3.2 传输误差的改善

传输误差产生的原因是当电路级联时, 因为传输的是电流信号, 要想信号完全传输到下一级, 必须做到输出阻抗无穷大, 但在实际中是不可能实现的, 只能尽可能地增加输出阻抗。

计算出输出电阻为:

$R{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}=\frac{1}{g{}_{\text{c}}}\left\{1+g{}_{\text{m}\text{b}}\left[g{}_{\text{m}\text{r}1}\left(\frac{1}{g{}_{\text{r}1}}+\frac{1}{g{}_{\text{r}2}}\right)-1\right]\frac{1}{g{}_{\text{b}}}\right\}$

与第二代基本存储单元相比, 输出电阻增大$1+g{}_{\text{m}\text{b}}\left[g{}_{\text{m}\text{r}1}\left(\frac{1}{g{}_{\text{r}1}}+\frac{1}{g{}_{\text{r}2}}\right)-1\right]\frac{1}{g{}_{\text{b}}}$倍。结合S2I电路与调整型共源共栅结构电路的优点, 构造调整型共源共栅结构S2I存储单元。

采用0.5 μm CMOS工艺, level 49 CMOS模型对电路仿真, 仿真参数如下:

所有NMOS衬底接地, 所有PMOS衬底接电源, 所有开关管宽长比均为0.5 μm/0.5 μm。输入信号为振幅50 μA, 频率为200 kHz的正弦信号, 时钟频率为5 MHz, Vref=2.4 V, VDD=5 V[6]。表1中给出了主要晶体管仿真参数。

将原电路按照延迟线的结构连接并仿真, 延迟3个时钟周期 (相当于6个基本存储单元级联) , 仿真结果如图1所示。

4结语

详细分析了第二代开关电流存储单元存在的缺点, 提出了改进方法, 并设计了可以延迟任意时钟周期的延迟线电路, 仿真结果表明, 该电路具有极高的精度, 从而使该电路能应用于实际当中。其Z域传输函数为H (z) =-z-N, 在实际应用中, 该电路可作为离散时间系统的基本单元电路[7]。

由于开关电流技术具有与标准数字CMOS工艺兼容的特点, 整个电路均由MOS管构成, 这一技术在以后的数模混合集成电路中将有广阔的发展前景[8]。

摘要：详细分析了开关电流 (SI) 电路第二代存储单元的传输函数和主要缺点, 在此基础上设计了延迟线电路, 并减小了电路中的时钟馈通误差和传输误差。HSpice仿真结果表明, 该电路能精确地对输入信号进行采样保持, 并且能无失真延迟任意时钟周期, 可作为离散时间系统的基本单元电路。

关键词：开关电流,第二代存储单元,延迟线,HSpice

参考文献

[1]MARTINS J M, DIAS V F.Harmonic distortion inswitched-current audio memory cells[J].IEEE Trans.onCircuits and Systems-II, 1999, 46 (3) :326-334.

[2]HUGHES J B, MOULDING K W.S2I:A two-stepapproach to switched-currents[J].IEEE Proc.Int.Symp.Circ.Syst., 1993, 2:1235-1238.

[3]高清运, 秦世才, 贾香莲.离散时间积分器特性研究[J].南开大学学报, 2000 (12) :20-25.

[4]Behazad Razavi.模拟CMOS集成电路设计[M].陈贵灿, 译.西安:西安交通大学出版社, 2003.

[5]李拥平, 石寅.一种开关电流电路时钟馈通的补偿技术[J].半导体学报, 2003, 24 (7) :67-68.

[6]TOUMAZOU C, HUGHES J B, BATTERSBY N C.开关电流-数字工艺的模拟技术[M].姚玉洁, 译.北京:高等教育出版社, 1997.

[7]蔡良军.开关电流电路及其Sigma-Delta调制器的研究[D].桂林:桂林电子科技大学, 2007.

《电流和电路》教案 第2篇

核心素养：

通过让学生认识简单电路，动手连接简单电路，旨在培养学生良好的电学实验的素养；通过对通路、断路、断路的探究，使学生形成安全操作的初步意识。教学目标：

1.知道电流的形成条件，知道电流方向的规定。

2.认识电源和用电器，知道电路的组成，能用电路元件符号画简单的电路图，能连接简单的电路。

3.通过实验认识通路、断路、短路。教学重点：

1.会连接电路，会画简单的电路图； 2.能辨别通路、断路和短路

教学难点：对电流概念的理解和对短路、短接的理解和识别，规范画出电路图 教学方法: 实验法、观察法、讨论法、归纳法 课时：第一课时

教具: 电路板、干电池、开关、导线、小灯泡

教学流程:复习导入(2min)电流（12min）电路的构成（7min）电路图（13min）三种电路（6min）教学过程设计:

课前：优教提示：教师登陆优教平台，发送预习任务，学生完成本节课的预习任务，反馈预习情况。

复习导入：回顾上节图15.1-5实验，我们知道电荷在金属导体中做了定向移动，但这种定向移动瞬间就结束了。实际生活点亮的小灯泡能持续发光，是因为电荷不断地流过小灯泡。那么，怎样才能使电荷不断地流过小灯泡呢？

一、电流

1.想想做做：连接课件中给出的器材，使小灯泡发光（注意：不能把电池的两端用导线直 接连在一起）

2.观看视频理解电流形成的条件：电荷定向移动形成了电流。

（优教提示：请打开素材“动画演示：电流的形成及方向规定“）

/ 3 3.演示实验：将一个发光二极管接入电路，闭合开关后观察其发光情况，判断电路中电流的方向。

学生活动：1.四人小组动手实验，想办法使小灯泡发光，并分析其持续发光的条件。

2.自主阅读课本，结合观看的视频和演示实验理解电流的形成原因和电流方向的 规定。

二、电路的构成

（过渡：电路是怎样构成的呢？）

1.观察课件中的电路，教师引导学生分别指出电源、开关、导线、用电器。2.思考：电源、开关、导线、用电器各自在电路中的作用是什么？电路中有电流的条件是 什么？

学生活动：自主阅读课本p38页1-2自然段后，小组分别派代表口展上面两个问题。

三、电路图

（优教提示：请打开素材“动画演示：电路图“）

（过渡：我们怎样才能简单地表示电路呢）

1.观察课件中的图片：用符号表示电路连接的图叫做电路图。2.观察图15.2-5，认识几种常用的元件及其符号。

（优教提示：请打开素材“动画演示：认识电路符号游戏“）

3.教师指出画电路图的要求：（1）电路图与实物连接相一致；（2）元件分布均匀，不画在转角处；（3）导线画得横平竖直。

4.练习根据实物电路图画电路图、根据电路图连接实物电路图。学生活动：1.通过看书，认真识别电路中常用的元件及其符号。

2.按要求独立完成作图练习后，小组派代表展示。四、三种电路

（优教提示：请打开素材“动画演示：通路、断路和短路“）

（过渡：一个电路要怎样连接用电器才能够工作？）

1.教师分别演示通路、断路、短路状态下电路中小灯泡的工作状态。

2.观看视频《短路的危害》，使学生理解不能把电池的两端用导线直接连在一起

/ 3 原因。

3.想一想：课件中的三幅图，当开关闭合时，哪个电动机能工作？并说说其它电动机不工作的原因。

学生活动：1.观察实验，认识三种电路的特点，知道短路的危害。

2.同桌交流想一想中的问题，派代表口展。

（优教提示：打开优教配套习题“名师训练-《电流和电路》，使用互动答题卡，更快更便捷的掌握学生的情况）

布置作业：1.完成“动手动脑学物理”1、3、5题

2.能力与测试 板书设计：

第二节

电流和电路

一、电流 1.形成 2.方向

二、电路 1.构成 2.电路图 3．电路的状态

巧用开关设计电路 第3篇

电路设计思想是考查考生电路知识、电学器材的基本运用、误差分析和实验能力等综合素质

的好载体,尤其于培养、挖掘和检查考生创造性思维能力和实际应用能力为一个不可替代的

好题型。其情境新颖，以学过的实验为依据，注重对其思想、方法和技能的迁移和拓展，注

重考查考生的基本实验能力，创新能力和自主探究能力，故历年为高考和竞赛的重点和热

点所

在。本文以一竞赛实验设计题为例，介绍一种电路设计的思想方法，帮助考生开阔思路，提

高解答设计实验题的能力。

1　题目：电阻的测量

现有电压不变的直流稳压电源1台，其内阻忽略不计；电流表、电压表、滑线变阻器(已知最

大电阻为R0)、待测电阻各1只；单刀单掷开关2个；导线若干。请按要求画出测量未知电

阻Rx阻值的电路图，并写出测量步骤，导出测量Rx的表达式。

要求：

1.每种电路图只允许选电流表、电压表其中之一；

2.在同一电路中电表的位置固定不动；

3.滑线变阻器的滑片在任意位置(最大值和最小值除外)。

2　解析

这是一道典型的电路设计问题。审题时主要掌握4个关键点：

①电压不变的直流稳压电源，电源电压具体是多少题目并未告诉。绝大部分考生一般不

认真审题，误认为电源电压已知，只需电流表测量电路中的电流即可根据欧姆定律算出Rx

的值；

②每种电路图只允许选电流表、电压表其中之一，因此不能原始的按照伏安法(电流表和电

压表同时接入电路)测电阻的方法进行设计；

③在同一电路中电表的位置固定不动，隐含的意思是在同一电路中不管是选择的是电流表还

是电压表都只能在同一位置，不能移动，故不能利用电压表串联分压法或电压表并联分流法

；

④滑线变阻器的滑片在任意位置(最大值和最小值除外)，平常老师给考生练习的电路设计

题几乎都是利用滑线变阻器的滑片滑到最大值和最小值来改变电路的连接状态或改变电路中

各负载两端的电压，再运用欧姆定律和串并联电路的知识列出方程，然后根据方程求出未知

电阻Rx的表达式。而本题要求滑线变阻器的滑片在任意位置(最大值和最小值除外)，让考

生一时不知从何下手，仔细分析发现题目中告诉了滑线变阻器的最大电阻R0，当滑片在任

意位置时我们可以将滑线变阻器分为两个电阻R1和R2，使R1+R2=R0，这是解答该

题的切入点。

3　设计

3.1　只选电流表

方案一　如图1所示，测量步骤如下：

①将滑线变阻器的滑片放在任意位置，只闭合S1，S2断开，R1和R2并联后

再与Rx串联，此时电流表的示数为I1，可列出方程

I1Rx+I1[SX(]R1R2[]R1+R2[SX)]=U(1)

②滑线变阻器的滑片位置不动，只闭合S2,S1断开，R1断路，R2被短路，此时

电流表的示数为I，可列出方程

IRx=U(2)

③滑线变阻器的滑片位置不动，S1和S2都断开，R1断路，Rx和R2串联，此时

电流表的示数为I2，可列出方程

I2Rx+I2R2=U[JY](3)

④由题意，R1+R2=R0[JY](4)

(1)、(2)、(3)、(4)式联立求解得

Rx=[SX(]II2R0(I1-I2)[]I1(I-I2)2[SX)]。

方案二　如图2所示，测量步骤如下：

①将滑线变阻器的滑片放在任意位置，只闭合S1，S2断开，Rx和R2串联后再与

R1并联，此时电流表的示数为I1，可列出方程

I1[SX(](Rx+R2)?R1[](Rx+R2)+R1[SX)]=U[JY](1)

②滑线变阻器的滑片位置不动，只闭合S2，S1断开，R1断路，R2被短路，此时

电流表的示数为I，可列出方程

IRx=U[JY](2)

③滑线变阻器的滑片位置不动，S1和S2都断开，R1断路，Rx和R2串联，此时

电流表的示数为I2，可列出方程

I2Rx+I2R2=U[JY](3)

④由题意，　R1+R2=R0[JY](4)

(1)、(2)、(3)、(4)式联立求解得

Rx=[SX(]I2R0(I1-I2)[]I1I-I1I2+I22[SX)]。

3.2　只选电压表

如图3所示，电压表测Rx两端的电压，测量步骤如下：

①将滑线变阻器的滑片放在任意位置，只闭合S1，S2断开，R1和R2并联后再与

Rx串联，此时电压表的示数为U1，可列出方程

[SX(]U1[]Rx[SX)]=[SX(]U-U1[][SX(]R1R2[]R1+R2[SX)][SX)]

(1)

②滑线变阻器的滑片位置不动，只闭合S2，S1断开，R1断路，R2被短路，此时

电压表的示数为U，即电源电压。

③滑线变阻器的滑片位置不动，S1和S2都断开，R1断路，Rx和R2串联，此时

电压表的示数为U2，可列出方程

[SX(]U2[]Rx[SX)]=[SX(]U-U2[]R2[SX)](2)

④由题意，　R1+R2=R0[JY](3)

(1)、(2)、(3)式联立求解得

Rx=[SX(]UU2R0(U1-U2)[]U1(U-U2)2[SX)]。

4　结束语

近年来高考和竞赛试题的一个共同特点是回归基础，在教材中的学生实验或演示实验的基础

上创设新情景、提出新问题，以考查学生的创新意识。学生在平时学习过程中必须认真领会

教材中学生实验和演示实验的实验设计意图、实验原理方法、实验步骤、实验数据处理、实

验注意事项等。设计该题的创新之处在于巧用题目中给出的两个单刀单掷开关，利用两个单

刀单掷开关不同的通断组合使Rx、R1和R2之间具有不同的连接方式，从而根据欧姆定

律和串并联电路特点列出相对应的方程，然后根据所列方程联立求解，求出未知电阻Rx的

表达式；关键在于题目中告诉了滑线变阻器的最大电阻为R0，虽然不能利用滑线变阻器的

滑片滑到最大值和最小值来改变电路的连接状态，但是当滑片在任意位置时可以将滑线变阻

器分为两个电阻R1和R2，使R1+R2=R0，这也是解答该题的切入点。

由此可见，创新实验设计必须打破常规思维，应采用非常规思维，认真审题，充分利用题目

给出的条件，巧妙地运用开关不同的通断组合使各负载之间具有不同的连接方式，根据电表

的性质灵活选择电表，将电表接入电路的特定位置，使各负载之间在不同的连接方式时有不

同的示数，从而根据欧姆定律和串并联电路特点列出相对应的方程，然后将所列方程联立求

解，求出未知电阻的表达式。

开关电流电路 第4篇

在各种过去和现在常用的电源中,开关电源是很普及的,一般可以满足任何设计要求。这种电源很经济,但在设计中也存在一些问题。这就是很多开关电源(特别是大功率开关电源),都存在一个固有的缺点:在加电瞬间要汲取一个较大的电流。这个浪涌电流可能达到电源静态工作电流的10倍～100倍。由此,至少有可能产生两个方面的问题。第一,如果直流电源不能供给足够的启动电流,开关电源可能进入一种锁定状态而无法启动;第二,这种浪涌电流可能造成输入电源电压的降低,足以引起使用同一输入电源的其它动力设备瞬间掉电。

传统的输入浪涌电流限制方法是串联负温度系数热敏限流电阻器(NTC),然而这种简单的方法具有很多缺点:如NTC电阻器的限流效果受环境温度影响较大、限流效果在短暂的输入主电网中断(约几百毫秒数量级)时只能部分地达到、NTC电阻器的功率损耗降低了开关电源的转换效率。其实上面提出的这两个问题可以通过一个“软启动电路”来解决,下面详细介绍之。

1 开关电源浪涌电流产生的原因

在论述“软启动电路”以前,我们首先讨论浪涌电流是如何产生的。现代的驱动系统、逆变器和开关电源等一般通过脉冲调制技术(PWM)来转换电能,其中的核心部件是直流/直流转换器。如图1所示的开关电源中,输入电压首先经过干扰滤波,再通过桥式整流器变成直流,然后通过一个很大的电解电容器进行波形平滑,之后才能进入真正的直流/直流转换器。输入浪涌电流就是在对这个电解电容器进行初始充电时产生的,它的大小取决于起动上电时输入电压的幅值以及由桥式整流器和电解电容器所形成回路的总电阻。如果恰好在交流输入电压的峰值点起动时,就会出现峰值输入浪涌电流。

另外,变压器电源起动时也会出现输入浪涌电流。然而,这种输入浪涌电流的出现原因有所不同。当变压器电源在正弦输入电压的过零点起动时,变压器磁芯的磁化在前几个周期中被迫进入一种不平衡状态。结果,磁芯在每个半周饱和。此时的励磁电流只能由微弱的漏电感寄生电阻来限制,导致出现很大的输入浪涌电流。变压器电源通常带有特殊的输入浪涌电流限制器来保证其在正弦输入电压的峰值起动,以防止出现很高的输入浪涌电流。而如果在开关电源中也使用这种输入浪涌电流限制器,则如前文所述,后果恰恰相反,不但起不到限流作用,反而会导致出现峰值输入浪涌电流。故我们今天只讨论开关电源浪涌电流的产生和消除,变压器电源不在论述范围。

2 软启动电路电气工作原理

如果采用我们今天设计的“软启动电路”来消除开关电源启动时的浪涌电流,可以很好地避免上述传统浪涌电流限制方法的缺点。通过“软启动”来控制开关电源的启动以消除浪涌电流,包含这样两条设计原则:即在加电瞬间除去负载、同时限制有用的电流。如果不驱动负载,开关电源启动时一般电流很小。在很多情况下,启动电流实际有可能要比利用这种方法保持的稳态工作电流小。

下面采用一个从-48 V～+5 V的开关电源路论述“软启动”技术。所用的开关电源是一个含有LT1172HVCT的稳压器,从负到正补偿提升式( buck-boost)转换器,其实任何一个从-48 V～+5 V的开关电源都能工作。其中,软启动电路和开关电源电路是相互独立的,电气原理如图2所示。

电路的工作原理很简单。在开始加电时,全部晶体管都是截止的,C1处于放电状态,这时负载是断开的,输入电流由限流电阻R4分流。当开关电源启动时,它的输出电压开始升高,在输出电压达到4.5 V的时候(D1两端3.9 V加上Q3的Veb=0.6 V),Q3导通并对C1充电。当C1两端的电压VC达到Q1的门限电压时(通常为3 V),Q1导通。VC继续升高,Q1完全导通,对输入电流提供一个低阻抗通路,并且有效地旁路了限流电阻R4。当VC达到7.4 V时(D2两端6.8 V加上Q4的Vbe=0.6V),Q4导通,同时对Q2提供偏压,也是Q2导通。这样就使负载通过一个低阻抗与电源连接。至此,电源已被安全启动,软启动电路也已完成其功用。

利用下列公式可以计算出Q1和Q2的导通时间:

undefined

在这里Vo=5 V;Vi=-48 V;R1=107 kΩ;R2=35.7 kΩ;C1=22 μF。将这些值代入并简化得:

VC=13.3*(1-e-1.70t) 对t求解:

undefined

在VC等于3 V的时候Q1导通,也就是说在电源的输出达到4.5 V以后,大约150 ms时导通;在VC等于7.4 V时Q2导通,即在Q1导通后的330 ms时导通。这样长的时间,足以保证电源需要的稳定时间和使Q1与Q2缓慢地导通。因为要把启动电流保持在一个最小值,所以FET(场效应管)的缓慢导通是至关重要的。若FET转换太快,有可能产生一个大的浪涌电流,失去软启动电路的效用。

3 注意事项

(1) 软启动电路的增加是有代价的。从整体来讲,这种电路可看作是电源的一部分,它要消耗功率,使电源的效率降低。大部分功率损失是由于输出传递场效应管Q2的导通电阻不为零所造成的。这种IRFD9210的导通电阻为0.6 Ω。在500 mA输出电流时,Q2将消耗300 mW功率。如果不允许这样大的损耗时,可以采用导通电阻更小的FET(但往往价格很高)。

(2) 因为开关电源电压的感测是取自场效应管Q2的输入端,所以这种穿过Q2的电阻也影响负载电压的稳定。只要负载电流是相对恒定的,这个问题并不严重。如果输出电压的变化较大,可以选用导通电阻低的FET来改善,也可以在软启动电路工作完成以后,在Q2的输出端加一个电压感测电路来改善。

4 结论

以上详细论述了“软启动电路”是如何消除开关电源浪涌电流的,经过multisim软件仿真、最后实验室实践证明该软启动电路的控制能力很强。近期我们与“北京纽波尔电源技术有限公司”联合设计了一款“SF-DC75～100 W模块电源”,该款电源部分利用了上述的设计原理,通过市场验证该电路确实能很好地消除较大功率开关电源启动时的浪涌电流,并且大大改善了模块电源的输出特性,故可以预测该电路具有不错的市场推广价值。

实际上,以上论述我们虽然都限定用在“-48 V～+5 V”的开关电源中,但也可以把它改制成适合于各种开关电源所用的电路中。

参考文献

[1]摩托罗拉公司.可控硅产品数据手册,2006.

[2]韩广兴.电子元器件与实用电路基础[M].修订版.北京:电子工业出版社,2005.

[3]比林斯.开关电源手册[M].第2版.张占松,汪仁皇,谢丽萍,译.北京:人民邮电出版社,2006.

[4](美)普莱斯曼.开关电源设计[M].第2版.王志强,等译.北京:电子工业出版社,2005.

[5](美)马克(Mack,R.A.).开关电源入门[M].谢运祥,等译.北京:人民邮电出版社,2007.

[6](美)桑德勒.开关电源仿真:PSpice和SPICE3应用[M].尹华杰,等译.北京:人民邮电出版社,2007.

[7]杨恒.开关电源典型设计实例精选[M].北京:中国电力出版社,2007.

[8]王增福,李昶,魏永明.软开关电源原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2006.

[9]周志敏,周纪海,纪爱华.现代开关电源控制电路设计及应用[M].北京:人民邮电出版社,2005.

电流与电路(教案)（模版） 第5篇

1、用导线将电源、电灯、开关连成如图所示的电路图，则闭合开关S后（）A、通过灯泡L1的电流方向是从b指向a B、通过灯泡L2的电流方向是从b指向a C、通过灯泡L1的自由电子定向移动方向是从b指向a

D、通过灯泡L2的自由电子定向移动方向是从a指向b

2、(2011 广东)如图所示，要使灯泡L1和L2组成并联电路，应（）

A、只闭合S

2B、只闭合S3

C、只闭合S1和S

3D、只闭合S2和S

33.如图是理发用的电吹风的电路，其中电热丝通电会发热，电动机通电会送风，若要使得电吹风送出热风，你应该选择开关S同时与哪两个触点接触()

A．1和2 B．2和3

C．4和5 D．3和4

4.如图所示电路。要使S2控制L2，S1做总开关，应将导线头M接在()A．A接线柱

B．B接线柱

C．C接线柱

D．D接线柱

5.一个开关同时控制两盏灯，这两盏灯的连接方式：()A、一定串联

B、一定并联

C、串联、并联都可能

D、既不是串联也不是并联

6.马路上的灯总是一齐亮，一齐熄，如果它们其中一盏灯的灯丝断了，其它灯仍能正常发光，由此可知路灯()A．是串联的 B．是并联的C．可能是串联的，也可能是并联的D．不能确定

7.日常生活的经验告诉我们：家中的电灯、电冰箱和插座等电器，彼此间的连接方式是()A．串联的 B．可能是串联也可能是并联的

C．并联的 D．电灯与插座间是串联的，其它用电器是并联的 8.如图的四个电路中与右边实物图对应的是()

9.楼道里，夜间只是偶尔有人经过，电灯总是亮着会浪费电能。科研人员利用光敏材料制成“光控开关”，天黑时自动闭合；天亮时自动断开。利用声敏材料制成“声控开关”，当有人走动发出声音时，自动闭合；无人走动时，自动断开。若将这两个开关配合使用（如图），就可以使楼道灯变得“智能化”，这种“智能”电路正确的是()

A

B

C

D

10、交通路口的交通指示灯共有三种颜色红、黄、绿，可以通过不同颜色灯光的变化来指挥车辆和行人的交通行为。据你对交通指示灯的了解可以推断（）

A、红、绿、黄灯是串联的 B、红、绿、黄灯是并联的

C、红灯与黄灯并联后再与绿灯串联

D、绿灯与黄灯并联后再与红灯串联

11、五光十色的节日彩灯串联在电路中，如果都不亮，这可能是由于电路中出现___________，如果只有一个彩灯不亮，而其他灯亮度稍稍增加了一些，可能是这只彩灯发生___________。

12、如图是简化了的电冰箱的电路图。图中M是压缩机的电动机，L是电冰箱内部的照明灯。当电冰箱接入电路后，关闭了电冰箱的门时，开关S1与S2的状态是__________；当又打开正在工作的电冰箱门时，开关S1与S2的状态是__________。

13.在图中所示的电路中，开关S是用来控制_____________，开关S1是用来控制_____________，开关S2是用来控制_____________。

14.如图所示电路，若只闭合开关_____________，则灯L1与L2串联，若同时闭合开关_____________，则灯L1与L2并联．不能将开关S2和S3同时闭合，否则将造成_____________。

15.如图所示，当S1、S2断开时，能亮的灯是_____________，它们是_____________联的；当S1、S2闭合时，能亮的灯是_____________，它们是_____________联的；当S1闭合，S2断开时，能亮的灯是_____________。

16.如图所示，只闭合时_______亮，只闭合时_______亮，它们是

_______联；同时闭合、时_______亮，它们是_______联。

17.根据如图所示电路，回答下列问题：

(1)S1闭合、S 2断开时，电流经过的电灯是_____________

(2)S 1断开、S 2闭合时，电流经过的电灯是_____________

(3)S

1、S 2都断开时，电流经过的电灯是_____________，它

们的连接方式为_____________。

(4)S

1、S 2都闭合时，电流经过的电灯是_____________，它们 的连接方式为_____________。

18.根据图中开关闭合后电灯的电流方向，在虚线方框内画出电池正确接入电路的符号，并在图上画出另一盏电灯的电流方向。

19.根据如a图的电路图，在b图中画出对应的实物连接图．

20.将图中的电路元件按电路图连接成实物图．(要求导线不交叉)

21.请根据实物图，画出相应的电路图．

22.对照实物电路，在方框内画出电路图。

23.用线条代替导线，将图中的电器元件连成电路。

要求：(1)开关K1只控制电灯L1，开关K2只控制电灯L2；(2)共用一个电池组

24.根据图所示，要求Ll、L2并联，S1控制L1，S2控制L2，S3在干路，连线不要交叉，请将图中元件连成电路，并画出电路图。

25.某同学按照灯L1、L2并联，开关S1控制整个电路，S2只控制灯L2的要求，连接了如图所示的实物电路图。

(1)判断他的连接是否正确，如有错误，在错误的接线上打“×”；

(2)只允许变动原图中导线一个端点接线的位置，将其错误连线改正过来；

(3)按改正后的实物连接图，在方框里画出对应的电路图．

26.如图所示，某同学按电路图用笔画线作导线将元件连接起来了，请帮他检查一下，用最简单的方法改正错误的连接。

27.电路中L1和L2并联，S是总开关，请在图中错误之处打上“×”加以改正，并画出正确的电路图。如果S只控制L1又应该怎样改正。

28.将图中方框内的符号连接起泡不会被烧坏）：

（2）只闭合开关S2，红、绿灯都

（3）开关S1和开关S2都闭合，绿灯不亮红灯亮．

29.30.31.32.33.来，成为符合下述要求的电路图（设灯

（1）只闭合开关S1，红、绿灯都亮； 不亮；

34.35.36.37.38.39.40.41.【参考答案】

1、C．

解析：电流方向是人为规定的，正电荷定向移动的方向来规定，它与负电荷定向移动的方向相反。因此，通过L1的电流方向应是电源的正极——a——L1——b；同理L2的电流方向：正极——a——L2——b，由于自由电子的移动方向刚好与上述电流方向相反，故可知C正确。

2、C

解析： 此题考察了串联和并联电路的辨别，当闭合开关S1、S3，断开开关S2时，两盏灯泡的两端分别连在一起，电流分别经过两盏灯泡后回到电源的负极，则它们这种连接方式是并联。

3.B 4.D 5.C 6.B 7.C 8.C 9.D

10、B

解析：本题考查的是对电路中用电器使用时连接方式的判定，简单的判断方法：如果一盏灯坏了（灯丝烧断了）或断路，其他的灯仍能工作，则它们之间是并联的。如果一盏灯坏了或断路，其他的灯也不能工作了，则它们之间是串联的，根据实际情况，红、绿、黄、交通指示灯几乎不同时亮，是分别亮的，所以它们之间是并联的。

11、断路；短路。

12、S1闭合 S2断开；S1闭合 S2也闭合。

13.整个电路，电灯，电动机和电灯。

14.S2，S1和S3，短路。

15.L1和L3，串，L2和L3，并，L3。

16.L3，L1、L2，串，L2、L3，并。（L1被短路）

17.(1)L3；(2)L1；(3)L1、L2、L3，串；(4)L1、L2、L3，并 18.19.20

21.22.23.24.25.(1)

(2)

(3)

开关电流电路 第6篇

摘要：变频空调控制系统用控制器在实际应用一段时间后出现主板失效问题，经过大量数据统计分析及实际主板失效分析确定是开关电源电路中的开关芯片炸失效导致，该问题一直是困扰着空调生产企业难题，问题长期存在没有得到有效解决方案，严重影响产品质量。本文从器件可靠性、应用开关电源电路系统设计、实际应用环境等方面进行全面验证分析，最终将开关芯片炸失效原因找到，并采取有效方案解决。

关键词：变频空调 开关电源 开关芯片 应用环境

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.2.010

引言

变频空调是时代发展趋势，已经逐步普及走进千家万户，空调除了具有基本的制冷、制热作用外，其功能日益多样化。要求也提高：节能、环保、舒适、低分贝、用户触控体验效果。实现这些功能离不开高可靠性的控制器系统，其中开关电源供电系统在控制器中承担关键作用，为各电路正常工作提供电源，使各单元电路按照整体系统设计控制目标完成相应的控制、检测、保护等，完成空调各种功能如制冷、制热、扫风、显示等的目的，以实现空调舒适、完美体验。

作为空调中控制器中的重要电路，开关电源部分一旦发生故障，将导致空调整体功能失效，而且维修需要全机导通检测，维修麻烦、难度高，维修成本高，严重时可能导致控制器爆板，空调整机烧毁，造成严重的安全事故。因此研究开关电源电路、开关芯片炸失效模式、失效机理非常重要，采取有效方案解决全面提升开关电源电路整体工作的可靠性，从而降低其售后故障率，减少控制器维修成本，提高消费者对品牌的满意度具有十分重要的意义。

经对开关芯片失效模式、失效数据进行统计分析发现我司三款开关芯片售后均有失效。开关电源电路芯片炸等失效一直也是空调甚至整个行业长期存在难题，均未有有效的解决方案，经过大量对器件核心参数、整机开关电源电路实验验证分析测试开关波形发现为变压器在高温高湿条件下，离散的发生了磁饱和导致开关芯片炸，最终采取有效方案解决问题.该方案对空调等行业在开关电源电路设计提供设计开发思路借鉴与参考.

1事件背景

变频空调控制系统用控制器在实际应用一段时间后出现主板失效问题，经过大量数据统计分析及实际主板失效分析确定是开关电源电路中的开关芯片炸失效导致，经过多年的跟踪空调实际应用维修数据，因开关芯片炸失效导致售后投诉单数达268单，占整个控制器售后故障率15.9%，控制器售后大比例失效严重影响空调整体产品质量及用户实际体验效果。问题急需进行分析研究解决。

2芯片失效原因及失效机理分析

2.1开关芯片失效检测分析

将安森美、三肯开关芯片炸主板多次寄给对应厂家分析，及各厂家现场来司协助分析，一致认为开关芯片炸主要还是漏极过电冲击损伤导致击穿失效，是芯片本身质量问题还是电路设计问题，经过分析不排除芯片本身质量、开关电源磁饱和、高频变压器器件异常、主板使用工作环境等因素导致。

开关芯片失效开封图片如下图1。

2.2各厂家开关芯片极限参数测试

售后开关电源电路中开关芯片炸失效，经过对器件失效分析为过电击穿失效，售后应用出现大概率失效不可能全部是用户电源出现异常，是否是芯片抗极限耐压及浪涌冲击能力较差。三个厂家开关芯片在售后均出现失效（使用开关芯片信息如表1），其中安森美开关芯片失效最多，是否是各厂家芯片极限耐压整体偏低，存在差异性。带着这些疑问对各厂家使用开关芯片进行极限参数杜比分析，通过对售后失效器件对应开关芯片进行核心参数分析及相关数据测试结果表明，ON、三肯、科汇厂家开关芯片极限耐压均可以达到700V，其中三肯开关芯片极限耐压最高达820V，平均在760V。科汇开关芯片相对较差（极限耐压对比测试数据如下表2）。

通过器件单体核心参数检测对比，器件方面差异没有较大明显区别。售后突出失效与开关芯片可能没有直接关系。

2.3磁饱和分析

开关芯片炸失效经过对器件相关参数，可靠性对比分析，可能不是开关芯片本身问题，开关电源设计考虑是整个系统设计，非单个器件。出现开关芯片炸失效是否是电路设计存在问题，是否是出现磁饱和。

我们知道开关电源磁饱和与电路中相关器件配合等有直接关系，开关芯片、高频变压器、输入电源、应用环境等都是影响开关电源可靠性关键问题。开关芯片失效是否与磁饱和有关，如果是哪些因素影响导致，针对产生众多个疑问开关全面分析验证。

2.3.1常态环境

常态环境电路与高频变压器（12年底整改后制品）搭配后，测试Vds漏极电流最高峰值约800mA，未发现磁饱和现象，即未出现过流，Vds多次验证未出现超过600V及以上电压，即未出现过压。（测试波形图片如下图2）

常态环境：通过将售后多单故障件交给厂家分析及来司现场分析，常态条件下对开关芯片漏极电流波形检测没有发现存在磁饱和异常，但是从检测波形看，电流峰值逐渐接近磁饱和，特别是安森美厂家开关芯片对应电路。

2.3.2高温高温环境

高频变压器使用磁性材料为铁氧体，由于磁材特性当环境温度达到一定温度后磁性有衰退现象，会出现退磁，可能会导致出现磁饱和异常，导致开关芯片炸失效，统计数据售后失效控制器多为8、9月份，当时空调运行环境温度比较高，这个可能是个因素。

磁材磁性一致性不好，或是高频变压器预留抗饱和度余量低，在高温下提前出现退磁，也是会影响开关芯片正常工作。空调实际应用中出现开关芯片炸失效具体是什么原因失效，是受温度、湿度影响还是综合影响导致结果，针对问题展开全面验证分析，测试开关芯片漏极电流波形如下图3、4。

高温高湿环境：控制器整机高温高湿环境下，开机后开关芯片工作瞬间检测开关芯片漏极电流波形出现低概率的磁饱和现象，经过测试开关波形发现为变压器在高温高湿条件下，离散的发生了磁饱和导致开关芯片炸。

2.3.3分析总结

磁饱和异常与厂家多次交流分析讨论，逐一排查磁性材料、电感线圈绕线工艺等异常将问题锁定在开关电源电路抗磁饱和设计余量上，最终确定整改方案：调整高频变压器初次级匝数，通过增加线圈匝数降低了Bsat值提高高频变压器抗磁饱和强度，进而解决高频变压器产生磁饱和异常问题。

3开关芯片失效整改措施

3.1开关芯片失效解决方案

解决方法：调整高频变压器初次级匝数（具体调整线圈匝数如下图5、6），通过增加线圈匝数，降低了Bsat值提高高频变压器抗磁饱和强度，进而解决高频变压器产生磁饱和异常.整改内容具体方案调整：43110329-4311032901/2/3

4整改效果评估及应用效果验证

新制品经过整机验证测试抗磁饱和强度大幅度提升，经过实际验证显示即使再次出现售后恶劣使用环境，也不会出现磁饱和异常，电路设计整改后实际试验测试验证抗磁饱和强度提升40%，有效解决问题.长期跟踪过程及售后失效率为零，实际整改效果显著。整改后高温高湿环境芯片漏极电流波形检测如下图7。

5开关芯片失效整改总结及意义

一种新型电流开关网络结构的研究 第7篇

随着多量子阱空间光调制器的飞速发展, 越来越多的人关注基于多量子阱空间光调制器的驱动电路研究。但发展至今, 只有以色列的Lenslet公司实现了8位调制灰度的驱动电路, 速度仅在10K左右。驱动电路发展缓慢的原因有如下几点: (1) 多量子阱空间光调制器的面积只有几十个平方微米, 它与其驱动电路是以倒装方式连接的, 这就意味着驱动电路的面积也在几十个平方微米。 (2) 多量子阱的反射系数与其驱动电压的非线性关系, 使得驱动电路要在几十平方微米的面积内, 既要保证较高的分辨率和较低的功耗, 又要保证驱动电压的精度, 这大大增加了电路设计的难度。

开关电容积分电路是一种结构简单, 功耗较低的数模转换电路, 但MOS管开关的非理想特性在开关瞬态带来的各种影响会严重降低转换精度。虽然通过设计复杂的开关电容电路可以提高转换精度, 但同时却造成了版图面积庞大的问题。

本文将详细介绍这种新型的开关电容结构。通过改变开关所处的位置和合理设置MOS管参数, 将MOS管开关由于时钟馈通和沟道电荷注入等带来的栅压改变严格限制在Cascode电流镜结构对栅极电压的误差容忍范围内, 可以成功减小尖峰电流在很大程度上消除MOS管开关对积分电压精度的影响。

1 驱动电路的开关设计及分析

图1为空间光调制器的像素单元的驱动电路结构示意图, 它主要包括一个脉宽调制的开关电容积分电路。左边是一个脉冲信号发生器, 它产生不同脉宽的脉冲信号, 控制开关电容积分电路的开关;中间是开关电容积分电路, 它采用恒流源充电, 积分电压是充电时间的线性函数;右边是输出驱动电压的缓冲器。

驱动电压, 积分电容C和积分电流I是常量, 因此, 驱动电压U是积分时间t的线性函数。实际上, MOS管开关不是一个理想开关, 它在导通和关断的瞬间, 会带来馈通效应和沟道电荷注入, 影响积分电压的精度, 因此, 开关的性能是开关电容积分电路精度指标的关键因素。

1.1 传统的开关电容积分电路

图2是传统的开关电容积分电路, 是积分电容。此电路的积分开关引起的误差主要存在于以下几个方面:

1.1.1 寄生电容的影响

由于积分电容上下电极和衬底存在着一定的寄生电容Cp1和Cp2, 根据距离的不同, Cp1一般为 (1%-5%) Cint, 而Cp2一般为Cint。可见一个典型的集成电路模型是由3个电容组成的。由于Cp2两端是接地的, 影响可以忽略, 只有Cp1与C1是并联的。

1.1.2 MO S管通电阻的影响

由于MOS管开关并非理想开关, 导通时的电阻非零, 它与积分电容形成RC回路, 会影响电容的充放电时间, 如果导通电阻太大就会造成系统建立不完全等问题。另外, 导通电阻还是VG的函数, 因此会对系统造成一定的非线性误差。改善方法: (1) 选用宽长比比较大的MOS管开关; (2) 采用CMOS开关。

1.1.3 时钟馈通及采样尖峰

MOS器件的栅源之间和栅漏之间存在着寄生的交叠电容。当开关导通 (VG为高电平) 时, Cint本来应被充电到Vin, 但交叠电容会将时钟低电平耦合到了Cint上。由图中关系可得误差电压:

时钟馈通引起的另一干扰就是采样过程中出现电压尖峰。由于开关的时钟变化很快, 快速变化的VG通过MOS管的交叠电容耦合到漏极和源极。根据公式i=CdU/dt, 将会在很短的时间内产生很大的电流, 该电流流经电容和开关 (电阻) 就会产生电压尖峰。这些电压尖峰将通过积分器积累到输出端, 影响积分器的精度。改善方法:可采用宽长比比较小的MOS管, 以减小交叠电容。

1.1.4 电荷注入问题

当MOS管导通时, 栅氧下的反型层中将积累一定数量的电荷, 而当MOS管截止时, 沟道中所储存的电荷就会从MOS管的源极和漏极流出, 这种现象称为“沟道电荷注人”。流出的沟道电荷会存储在电容器上, 对电容器电压产生一定的误差。注人到源极和漏极的电荷的多少与源漏的阻抗和电位、时钟的跳变时间都有关系。改善方法: (1) 在输出节点接一个虚拟MOS管; (2) 采用CMOS开关; (3) 采用非重叠时钟控制开关; (4) 采用全差动结构的积分器, 使两输人端的电荷注人影响相抵消。

但是, 不管是何种方法, 只能在一定程度上减小MOS管开关带来的影响, 而不能从根本上解决它, 这主要是因为开关所处的位置决定了积分电压要受到这几方面的影响。

1.2 改进的开关电容积分电路

为了从根本上消除MOS管开关的非理想特性带来的各种影响, 改变了传统开关电容积分电路中开关所处的位置, 本文将开关转移到电流镜当中。

图3 (a) 是本文设计的开关电容积分电路, (b) 是传统方式结构。它们都是采用恒流源积分方式。使用电压源对电容进行充电, 积分电压, 它是积分时间t的非线性函数;使用电流源对电容充电积分, 其, 它是时间t的线性函数。电流镜采用Cascode结构, Cascode结构不存在电流增益系统误差, 有一定的误差容忍范围。在图3 (b) 中, MOS管开关K2带来的误差正如上文所叙述的几个方面。而图3 (a) 它将开关放在电路镜单元中, 克服了图3 (b) 中开关带来的一些误差。

图3 (a) 的开关设在电流镜当中, 在开关处于导通状态时, 电流镜的输出电流由MOS管M2和M3决定, , 虽然K1开关的时钟馈通和沟道电荷注入会改变M1的栅极电压, 但是, 只要M1的栅极电压VG满足VDD+VGS3-Vt4VGVDD+VGS3+Vt3+VGS4, 当输出电压小于VDD-VDS2+VDS1时输出电流Iout就不变。

2 仿真分析

图4是二种电路结构的后仿真结果。左图显示各种方式的积分电压都能很好的线性增长, 只是在开关导通瞬间, (b) 种方式的积分电容上由于时钟馈通效应累积了一定的电荷, 使得积分电压不能从0开始, 导致它的实际测量值会比理论值高; (a) 方式由于克服了开关噪声的影响, 它可以很好的从0开始线性增长。右图显示了开关导通瞬间, 二种方式的积分开关引起的尖峰电流, (b) 种方式的尖峰电流高达40uA;而 (a) 方式只有2uA。

3 结束语

本文提出的基于开关电容积分电路、用于多量子阱空间光调制器驱动电路的电流开关网络结构, 通过改变开关所处的位置和合理设置开关管参数, 将MOS管开关由于时钟馈通和沟道电荷注入等带来的栅极电压改变, 严格限制在Cascode电流镜结构对栅极电压的误差容忍范围内, 极大消除了MOS管开关在开关瞬态对积分电压带来的各种影响。仿真结果表明, 新型电流开关网络结构用于多量子阱空间光调制器阵列, 可以在保持驱动电压的一致的同时, 极大提高输出精度。

参考文献

【1】何红宇, 陈国鼎, 唐惠玲, 周展怀.模拟电子技术教学方法的多样化【J】.电气电子教学学报, 2006, (02) .

【2】刘军, 李旭霞.引入网络与仿真技术建立电子技术实验教学系统.电气电子教学学报【J】.电气电子教学学报, 2007, (06)

【3】鄂辰熹, 刘训春, 王润梅, 袁志鹏.一种简化的光调制器驱动电路【J】.半导体学报, 2005, (08) .

【4】Allen P E, Holberg D R.CMOS模拟电路设计 (第二版) 【M】.北京:电子工业出版社, 2002.

开关电流电路 第8篇

一直以来,在设计超大规模集成电路时,人们对芯片的性能、成本和可靠性往往更加关注,对于电路的功耗不大在意, 最典型的产品就是Intel的P4处理器。不过,近年来由于便携设备不断普及,同时人们对移动多媒体应用的要求越来越高, 高性能芯片不断出现 ;但受制于电池技术发展缓慢,如何平衡功耗和性能的问题日益受到厂商和消费者的重视。除此之外, 高功耗会导致芯片工作温度较高,增加了给芯片散热的成本。所以在目前技术条件下,功耗问题已经是当前电路设计中需要着重考虑的地方。

在90nm工艺下,静态功耗在总功耗中已经占据很大的比重(甚至在某些情况下会达到50%。在65nm工艺下,静态功耗将达到和动态功耗一样的比重。所以不难推测,随着制程工艺进一步提高,静态功耗甚至会在功耗上占主要位置。

鉴于集成电路静态功耗问题的严重性,低功耗设计迫在眉睫。

2 CMOS电路功耗分析

CMOS集成电路的总功耗主要分成两个部分 :动态功耗和静态功耗。

在这里,我们主要关注静态功耗。在理论上,处于稳定状态时CMOS电路是不会产生功耗的。但在实际电路中却普遍存在寄生效应,这样就会产生各种漏电流, 导致静态功耗不为零。漏电流主要有以下3部分组成 :能带间隧穿电流、亚阈值漏电流、栅氧化层隧穿电流 [3]。其中,亚阈值漏电流是漏电流中最主要部分。

3降低漏电流功耗电流电路设计技术

低功耗设计可以从很多方面入手,比如改进工艺技术(如intel的high K技术), 或者改进电路设计技术。这里,我们主要从改进电路设计入手。

3.1多阈值电压技术

多阈值电压技术就是对不同CMOS电路采用高、低阈值电压以达到降低漏电流功耗的目标 .

(1)多阈值CMOS(MTCMOS)。CMOS电路如果阈值低,那么漏电流就会较大, 此时可以采用高阈值CMOS管来控制低阈值CMOS电路的漏电流。在动态工作模式下,控制信号被置于低电平,高阈值受控晶体管导通。在静态下,控制信号被置于高电平,高阈值受控晶体管关断,产生小的漏电流。

MTCMOS可以方便地植入到现有的电路中,但也有一定的缺陷。这个办法要增加大量高阈值CMOS管,这样会增加芯片面积和延时 ;同时要加入判断电路的硬件,这些硬件会在电路工作时一直产生功耗 ;另外,如果要在静态待机时保存数据, 那么就需要增加存储电路。

目前双阈值电压的办法得到了广泛的应用,就是在关键的通路采用低阈值CMOS管,在辅助通路采用高阈值CMOS管,以达到功耗和性能的平衡。

(2)可变阈值CMOS(VTCMOS)。就是通过改变衬底偏置电压来控制体效应,从而改变阈值电压。在电路休眠时,在衬底加一负偏置电压来升高阈值电压,从而切断漏电流。而在电路活动时,如果在衬底加上一个较低的正偏置电压,还可以提高电路速度。

(3)动态阈值CMOS(DTCMOS)。这是一种在理想工作频率下通过调整动态工作模式的漏电流来达到降低功耗目的的技术。调整对应系统工作负荷的背栅偏置电压,工作频率可动态地调整。当工作负荷降低,阈值电压就上升,消耗的功率就会变小。

3.2晶体管堆栈

几个晶体管相连,如果有一个或以上处在关闭状态,那么产生的漏电流会比单个晶体管大大减小,这被称为堆栈 (stacking)效应。原因是当一个晶体管被关闭后,那么与它连接的晶体管的栅极和源极之间会产生很小的反向偏压,这样会导致亚阈值漏电流的降低。同时又由于存在体效应作用,阈值电压也会升高。以下是主要的几种实现办法 :

(1)输入向量激活法。用时钟门控信号用来做休眠模式的控制信号。当电路进入待机状态时,电路会产生预先设定的输入向量,使得尽可能多的晶体管处于堆栈状态。

这个办法的缺点是,当电路需要再次激活时就要恢复数据,因此需要存储电路来存储原来的状态,这要增加芯片面积。 而且如果电路待机时间不够长,可能导致状态切换的功耗比不使用该技术的还要大。

(2)堆栈晶体管插入技术。其实是MTCMOS和堆栈效应的混合技术。根据输入向量激活法,预先设置输入向量,使得电路大部分区域的晶体管处于堆栈状态, 然后其他处于高漏电流状态的电路,采用多阈值CMOS技术,插入一个高阈值的CMOS。这种技术既拥有两方的优势,但同时两方的缺点也并存。

(3)强制堆栈技术。就是把一个晶体管强制转换成两个具有相同输入负载的堆栈晶体管。这样,当电路需要关闭时,就有两个晶体管关闭,相比一个晶体管的情况,漏电流要大大减小。

这种技术很简单,设计上也节省时间。但是同样的,仍然需要预先确定输入向量。而且引入的强制堆栈的晶体管也有负载需求,这样会降低门电路的驱动电流。

4降低漏电流功耗不同方法的比较

以下主要选取了降低漏电流功耗的三种方法 :多阈值CMOS、可变阈值CMOS和强制晶体管堆栈来设计基本逻辑单元, 这里以反相器为例。用HSPICE做仿真模拟,对比观察不同方法的实际效果和对电路造成的影响。具体设计图如下所示。

多阈值CMOS电路设计方案 :引入一个高阈值的NMOS管,并用输入信号作为其控制信号。由于加入了一个NMOS管, 为了减小对电路性能的影响,它的导通电阻就必须要足够小。在工艺确定的前提下,MOS管导通电阻跟MOS管的沟道宽度成反比,如果只考虑导通电阻,那么当然MOS管的沟道宽度W越大越好。但是, 如果W太大,会影响电路的体积,同时也会增加电路的漏电流功耗。

这里模拟的CMOS管采用TSMC的0.18um工艺,并引用文献6的设置方法, W=0.54um,L=0.18um,高阈值NMOS管的阈值电压设置为0.38V,低阈值MOS管的阈值电压设置为0.15V。由于0.18um工艺最大承受电压为1.8V,这里设置供电电源电压为1.5V。下面的模拟数据设置都与此一致。

可变阈值CMOS电路设计方案 :由于复杂性较高,需要预先知道输出的情况这里采用改变晶体管衬底电压值来模拟VTCMOS的工作。根据原始反相器输出的结果通过设置晶体管衬底电压值来改变CMOS管阈值。从原始反相器的输出图形来看,输出变化是在0到5ns和105ns到110ns这两段时间。经过几次尝试,衬底负偏电压为0.2V比较合适。

强制晶体管堆栈电路设计方案 :将四个栅极连在一起,作为Vi的输入端。 这样可以保证同时有两个晶体管截止。 为保证叠加后的晶体管的驱动强度和原先的一致,根据沟道宽长比为W/L的晶体管 电阻与L/W成比例 [7],因此在这 里,我们选择W=1.08um,L=0.18um的CMOS管。当然,这样根据ID的计算公 式,在电路动 态的时候,ID将变大。

将得到的数据整理至下表。静态电流根据原始反相器的输入和输出来看,当两者都不发生变化时从Vdd输出的电流平均值。在这里,静态电流1为5ns到105ns输入为高电平的平均电流值,静态电流2为110ns到210ns输入为低电平的平均电流值。然后加上负载为1pf的电容,测试负载功率。

四种方法中,空载情况下MTCMOS反相器的效果最好,总功耗最低,为原始反相器的46.48%。在负载情况下,四者功耗基本一致,毕竟此时动态功耗占总功率的绝大部分,相比而言,MTCMOS反相器的功耗小一些。特别是VTCMOS反相器, 有负载时功耗比原始反相器要大,电压的设置还需要微调。

在5ns到105ns这段时间,输入为高电平,对MTCMOS反相器来 说,高阈值NMOS管导通,那么自然导致静态功耗的增加,但是增加幅度为1%,较小。对于其他几种方法,都能正常发挥作用,特别是VTCMOS反相器,电流仅为原始状态的19.78%。

在110ns到210ns这段时间,输入为低电平,对MTCMOS反相器来说,高阈值NMOS管截止,限制了低阈值NMOS管的漏电流。这时MTCMOS反相器的效果最好,静态的电流仅为原始状态的3.93%。

当输入0 1时,MTCMOS反相器中高阈值NMOS管导通,那么负载的电容会通过其放电。但是根据在原理中的分析,两个NMOS管限制了ID的大小,大约比原始反相器减小了28%,所以MTCMOS的放电速 度要明显 慢于其他 反相器。 VTCMOS反相器相比原始反相器变化很小,因此与原始反相器差距也很小。强制堆栈反相器的放电电流最大,因为W变大,ID的数值也会变大,增加幅度大约为29%。而当输入1 0时,各种反相器的差别都不大。

5总结

MTCMOS电路功耗控制最好,既可以控制漏电流功耗,也可以控制动态功耗。 但是对输出电流影响也是最大的,这样导致输出的跳变速度比普通的要慢。所以这种方法不大适合于用在对速度要求较高的电路中。

VTCMOS电路在静态时控制得很好, 但是会对电路的动态特性造成影响,增加了电路的动态功耗。就如在理论中所说, 随着制程的降低,这种方法的有效性也在下降。而且设计这种电路比较复杂,需要外加电路来判断电路所处的状态。

强制晶体管堆栈电路对于电路漏电流控制性能一般,但是这种方法需要增加一倍的晶体管数量,占用大量的空间。对于堆栈方法来说,输入向量是要预知的。 这样,对于设计来说,工作量也是巨大的。

从模拟的情况来说,最有效的方法还是采用多阈值CMOS电路。这也是实际设计当中最常采用的技术。

摘要：目前半导体技术发展日新月异,集成电路工艺已经低于30nm,工作频率也高达2GHz以上,此时CMOS电路的静态功耗在总功耗中所占的比例也变得可观,这对功耗控制就提出了更高的要求。本文主要介绍降低集成电路漏电流功耗的几种方法。以反向器为例,针对其中的多阈值CMOS、可变阈值CMOS和强制晶体管堆栈的设计方法用HSPICE进行了仿真模拟,比较不同方法的效果和对电路的影响。

一种基于仿电流模式控制的开关电源 第9篇

传统的反馈控制模式多采用电压、电流双环模式控制,电压模式控制反应速度较慢,电流模式控制存在着干扰大等缺点,如加滤波器将导致相位滞后[1]。仿电流模式控制则可克服以上缺点。因为普通的电流模式控制是在电感侧采样电流,而仿电流模式控制则是利用电感电流与输入/输出电压关系自制反馈电流的斜坡分量部分,如在Buck电路中利用关系式di/dt=(Vin-Vout)/L将电感电流模拟出来,这样模拟出的反馈电流具有较高的稳定性,对外界的干扰不敏感,且控制系统反应速度快,是小功率场合控制模式的较优选择。

本研究拟采用美国国家半导体公司LM5005芯片设计开关电源为例来具体说明仿电流模式控制的特点。

1 LM5005简介与仿电流模式控制原理

芯片LM5005的内部原理图,如图1所示。

LM5005的工作电压范围在7 V～75 V,工作电流可达2.5 A。不但性能可靠,而且体积小巧,因此最适用于48 V的电信系统、汽车电子系统及工业电源系统。其专有的仿电流控制技术可以在内部产生与电感电流相仿的电流斜坡,从而可以避免控制器对噪音过于敏感,使LM5005在很小的占空比下稳定工作,便于设计者充分利用芯片的75 V宽输入电压及500 kHz的工作频率。由图1可见,仿电流由2部分组成:①直流分量;②斜坡电流分量。当开关管关断时,二极管续流,流过二极管的电流同时也流过IS引脚与PGND引脚间的采样电阻,再经采样保持器按照0.5 V/A的关系对其度量得到直流分量。斜坡电流分量由三角波发生器产生,该三角波发生器采样输出电压在内部按照下式输出斜坡电流分量[2]:

IRAMP=[5μ(Vin-Vout)+25μ] (1)

$V{}_{\text{R}\text{A}\text{Μ}\text{Ρ}}=[5\mu (V{}_{\text{i}\text{n}}-V{}_{\text{o}\text{u}\text{t}})+25\mu ]\cdot \frac{t{}_{\text{o}\text{n}}}{C{}_{\text{R}\text{A}\text{Μ}\text{Ρ}}}(2)$

直流分量与斜坡电流分量经过一个加法器合成最后的仿电流,如图2所示。仿电流的形成与流向,如图1中的粗线所示。

2 利用LM5005设计开关电源

本研究应用LM5005芯片设计了一台输入电压48 V、输出68 V/0.5A、输出电压误差±5%的通信电源。

2.1 电路原理图

电源主拓扑采用Boost电路,芯片引脚具体接法,如图3所示。值得注意的是,在Boost电路中,电感电流上升时候的斜率为di/dt=Vin/L[3],所以OUT引脚要接地,Vin引脚接输入电压,这样三角波发生器按照芯片内部自定的式(1)和式(2)才能得到正确的斜坡电流分量。

2.2 电路参数设计

实验中几个较重要的元件参数设计方案如下:

(1) 输出滤波电容(图3中C1)设计。

根据电源指标要求,输出电压误差范围±5%,即输出电压纹波小于100 mV,由下式选出一个220 μF的电解电容:

$C{}_1\ge \frac{D{}_1{\rm T}{}_{s}V{}_o}{RDV{}_o}(3)$

(2) Vcc管脚电容(图3中C9)设计。

此电容提供噪声过滤以及为Vcc调节器提供稳定性,根据LM5005芯片的datasheet,此电容应不小于0.1 μF,而且应当有较低的ESR[4],因此选择0.47 μF的陶瓷电容。

(3) SS管脚软启动电容(图3中C5)设计。

此电容按照下式决定软启动时间:

$t{}_{ss}=\frac{C{}_9\cdot 1.225\text{V}}{10\text{μ}\text{A}}(4)$

在此电源设计中,选择0.47 μF的电容,软启动时间tss为0.058 s。

(4) Boost电路电感(图3中L1)的设计。

为了使得电路工作在CCM模式下,设Fs=500 kHz,Ts=2 μs,由于:

$L\ge \frac{V{}_o{\rm T}{}_s}{2{\rm I}{}_o}D{}_1(1-D{}_1){}^2(5)$

经计算,选取200 μH的电感。为了使电感不饱和,选择半径约为2 cm的铁粉锌圆环形磁环来绕制电感[5]。

(5) 续流二极管(图3中D1)的选择。

电源的输出电压为68 V,而LM5005的开关管所能承受的最大电压为75 V,裕量较小,所以续流二极管理想的反向恢复特性和低的导通压降是非常重要的[6]。这里选择一个100 V的肖特基二极管。

2.3 实验结果

输入电压48 V、输出满载时的实验波形,如图4～图7所示。其中,输出电压实验波形,如图4所示;开关管实验波形,如图5所示;输出电压高频纹波实验波形,如图6所示;输出电压低频纹波实验波形,如图7所示。输入电压与系统效率曲线,如图8所示。

由实验结果可以看出,电源输出电压稳定,纹波小,开关管电压应力低,系统整机效率高,充分体现了仿电流控制的优势。

3 结束语

本研究论述了仿电流控制模式的原理,对典型的仿电流模式控制芯片LM5005进行了介绍,并利用LM5005设计了一个通信开关电源,由实验结果可见,仿电流模式控制具有其他控制模式没有的优点,由于反馈电流为自制而非外界采样,避免了外界噪声对反馈电流的干扰,使系统工作更加稳定。

参考文献

[1][美]普莱斯曼.开关电源设计:第2版[M].北京:电子工业出版社,2005.

[2]National Semiconductor Corporation.LM5005 d-atasheet,National Semiconductor产品手册[M].National Semicon-ductor Corporation,2005.

[3]林渭勋.现代电力电子电路:第2版[M].杭州:浙江大学出版社,2002.

[4]张晓峰,姜德来,吕征宇,等.小型车用辅助电源的设计[J].机电工程,2005,22(10):38-41.

[5]TSENG K C,LIANG T J.Novel high-efficiency step-upconverter[C]//Proc.Inst.Elect.Eng,2004:182-190.

恒定电流电路的动态变化分析 第10篇

1．先分析电路结构，让学生明白电路的串并联关系和连接特点，各电表测量的是哪部分电路的哪个物理量，对于复杂的电路还要进行简化。简化时应注意以下几个点：(1)电流表视为短路，电压表视为开路；(2)画出等效电路图；(3)无电流的支路视为开路；(4)电源电动势E和内阻r是不变的。

2．明确常见电路中总电阻和分电阻的变化关系：(1)当外电路中的任何一个电阻增大（或减小）时，总电阻会增大（或减小）。(2)开关的闭合使串联电路中的用电器增多时，总电阻增大；开关的闭合使并联电路中的用电器增多时，总电阻减小。(3)滑动变阻器接入电路中的是哪一部分电阻，以及该部分电阻在滑片移动时的变化情况。

3．判断灯泡的亮度变化情况时，只需研究加在灯泡两端的电压或流过灯泡的电流的变化即可。

4．常见的思路是：部分电路电阻的变化→总电阻R总﹙R总=R+r﹚的变化→总电流I的变化[I=E/﹙r+R﹚]→U内的变化﹙U内=Ir﹚→U外的变化（U外=E-U内）。再结合串并联电路的基本特点及部分电路的欧姆定律，分析各支路电流及电压的变化。

二、应用举例

【例1】如图1所示，已知电源电动势E和内电阻r恒定，R1、R2为定值电阻，R3为滑动变阻器，当滑动触头从a移向b时，各电表示数如何变化？

解析：1．分析电路结构。

R2与R3并联，再与R1串联。

其中R3接入电路的是滑片到a端的电阻，其中V1、V2分别测路端电压和R2（或R3）两端的电压；A1、A2、A3分别测干路电流I、经过R2的电流I2和R3的电流I3。

2．当P从a向b滑动时→R3↑→R外↑→I↓[=E/（r+R外↑）]→A1示数变小→U内↓[=I↓r]→U外↑[=E-U内↓]→V1示数变大。

I↓→U1↓[=I↓R1]→U2↑[=U外↑-U1↓]→V2示数变大→I2↑[=U2↑/R2]→A2示数变大→I3↓[=I↓-I2↑]→A3示数变小。

【例2】如图2所示的电路中，当变阻器R1的滑片向左移动时，A、B、C三灯的亮度变化情况是（）。

A.A变亮，B和C变暗

B.A和B变暗，C变亮

C.A和C变暗，B变亮

D.A变暗，B和C变亮

解析：1．电路的连接关系，R1与C灯串联后，再与B灯并联，然后与A灯串联，最后再与R2并联。R1接入电路的是滑片右侧的电阻。

2．滑片P向左移动时→R1↑→R外↑→I↓[=E/（R外↑+r）]→U内↓[=I↓r]→U外↑[=E-U内↓]→I2↑[=U外↑/R2]→IA↓[=I↓-I2↑]→A灯变暗→UA↓[=IARA]→UB↑[=U外↑-UA↓]→B灯变亮→IB↑[=UB↑/RB]→IC↓[=IA↓-IB↑]→C灯变暗。

由以上分析可知，正确答案为C。

方法总结：1．滑片P移动，使R变化时，不能直接判断外电压，因为在U外=R外I中，R外和I都是变量，所以不能由此式确定外电压的变化。须先判断内电压，再由E=U外+U内确定外电压。

开关电流电路 第11篇

1 立足学生，科学分析教材

本节内容可以分成三个部分：（1）电流概念构建.教材以类比水流的方式引导学生形象化地认识电流，并结合图片和文字描述，让学生了解例如电流单位，以及电流在日常生活中的存在等认识；（2）电流表的使用方法介绍.教材将此设计为学生活动，在学生观察电流表结构特点和刻度特征的过程中，了解电流表的接线方式和读数方法；（3）串并联电路的电流规律探究是本节内容的重难点，学生需要结合电流表的有关认知，运用实验探究，通过电路连接和数据测量并处理的方法实现规律的建立，同时这也让学生通过体验实验过程，获得科学探究能力提升.

结合教材的研读，教师还需立足学生的实际情况，为学生学习的顺利进行铺垫工作的设计.例如，教师创设情境让学生了解水流驱动水轮机的情景，教师提问激起学生的思考：“电路中的灯泡为什么亮起来？”学生会类比于水轮机转动的原因，形象化地认识到电流在电灯亮起过程中的作用，并且能结合水流速度对水轮机转速的影响，进一步认识到电流大小对电灯亮度的影响，从而引出电流也有强弱，其用字母I来表示.心理学研究表明，当学习的内容和学生熟悉的生活背景越贴近，学生自觉接纳知识的程度就越高.对于教材中的其他内容，教师也要仔细分析，设计处理手段：直观的、基础的，就应该放手让学生自主学习；抽象的、难以理解的，教师多加引导学生实现认知.

学生是教学的主体，全面提升学生的科学素养是新课改对初中物理教学的要求.分析教材中的科学素养和学生实际，笔者认为立足于物理教学来理解，科学素养不仅仅包括对教材中知识的掌握，应该包括学生应用物理知识和物理思维解决问题的能力，这里的解决问题不仅仅是解题能力，还包括学生对课堂知识和生活经验相互迁移的能力，分析和解决实际问题的能力以及相关方法积累和转换的能力.

2 围绕重点，构思教学策略

教师对于教学重难点的确定有两个立足点：一是物理知识本身的特点；二是学生的认知水平.因此，除了教材分析的过程中已经确定的重难点，我们还要意识到这是学生第一次接触电学量的测量，如果只是让学生通过自行阅读来了解电流表的使用，就有许多实验细节是学生无法理解或者容易忽略的.例如，电流表的接入方式和接线方法；电流表并联接入的危害性.普朗克曾说过：“物理定律不能单靠‘思维来获得，还应致力于观察和实验.”学生对此类实验过程中细节理解和把握对他们的实验能力而言是一次重要的飞跃，因此也应该列入教学重点之列.

对应上述细节性的内容，教师讲解过多时，学生的自主探究时间就被严重占用.因此教师的处理要策略化：电流表的接入方法，教师以演示的方式给学生做好示范；至于电流表并联接入的危害，教师可引导学生以试触法形式，直接感知电流表直接接在灯泡两端时，灯泡熄灭，电流表指针立刻摆过量程的情景，让他们讨论短路的危害，并让他们思考如果电流表直接接在电源两端会出现什么情况.

围绕重点进行延展式迁移教学来帮助学生构建物理知识，将物理知识与学科素养联系，当然也可以与具体的、具有实践性的现象相联系，也包括将课堂知识迁移到生活中，指导学生用物理的眼光来认识生活中事物.通过这种迁移，能充分实现学生物理认知与生活经验的融合，从而领悟“从生活走向物理，从物理走向社会”的新课程理念.

3 统一筹划，分散教学难点

对刚刚认清电路结构特点，了解电路常规接法的学生而言，教师让他们通过实验对串并联电路电流规律的探究无疑是本节课难度最大的部分，特别是并联电路电流规律的研究，它牵扯到干路电流和两条支路电流的测量，对初学者而言，任务相当繁琐.如果让学生将大量的精力花在并联电路的连接和电流的测量，这实际已经偏离了本节内容的主旨.笔者认为，[TP4CW29.TIF，Y#]可以统一安排这一模块的教学，将并联电路的连接和电路结构特点放到前一节的教学内容理解中.安排如图1的并联电路，提出问题：该电路中的开关控制哪一种灯泡？如果只允许改变一根导线的位置，你能否让开关控制整个电路？如果再让你改变一根导线，你能否让开关控制L1？

学生在相互协作中，找到答案：原先开关控制的是L2；将导线①接在接线柱B的端头改接在接线柱A上，则可让开关实现对整个电路的控制；将导线②原先接在接线柱A的一端改接到接线柱B就回答了最后一个问题.通过这样一组问题可以帮助学生进[TP4CW30.TIF，Y#]一步认识并联电路的结构和接线特点.以上述问题的思考为基础，当学生再次遇到并联电路，对其干路电流和支路电流进行区别认识的时候，教师将类似的电路图（如图2）提供给学生，并提出问题：如果要测量干路电流、L1支路电流、L2支路电流，应该怎样来连接电路？

上述问题一旦给出，学生会将先前的知识迁移过来，完成并联电路电流测定的电路设计.对于基础薄弱的同学，对比上节课问题的结论结果，按图索骥，再结合同学间相互的提点，有关疑难点也会迎刃而解.由此可见，分散难点并非直接将疑难点的思路直接化整为零地灌输给学生，而是教师预先在其他章节的教学中，将相似的模型介绍给学生.这样来处理，不仅能减轻本节课探究任务的负担，而且有助于学生迁移能力的培养.

4 依托预设，在互动中积极生成

当教学重难点的处理思路都安排妥当之后，教学工作的重头戏在上课之后才刚刚开始，一方面教师要依托预设，有序引领学生进行概念的构建和规律的探究；另一方面，教师还要在师生互动、生生互动中应对一些突发问题，巧妙而恰当进行生成性教学.具体说来，要做好以下两点.

4.1 尊重学生主体地位

为充分激发学生的学习兴趣，提升其学习动力，教师必须尊重学生的主体地位.例如，在引导学生进行串并联电路电流规律探究时，教师就要让学生真正体验探究过程，鼓励学生大胆地进行科学猜想，并让学生在课堂上进行交流，安排他们在相互讨论中完善猜想.当学生的思维陷入僵局时，教师应该积极介入，通过类比的方法激活他们的思维，点燃他们的灵感.

4.2 引导学生科学思维

初中生的视野和知识基础的局限性，导致其在面对物理问题时，他们的思维在严谨性和科学性上有欠缺的，因此这就需要教师恰当地引导.例如，在引导学生思考如何实验可以排除结论的偶然性，体现结论的普遍性时，学生会提议换用不同规格的灯泡或是改变电源来进行实验，测量多组数据来进行分析.教师对此做法进行肯定的同时，对它的可行性提出质疑：当前课堂只提供了每组同学不同规格的灯泡两只，电源一组，如何依靠有限的器材来改变电路结构，实现多组数据测量呢？教师的循循善诱，让学生认识到器材个数有限只是某一个组的情形，他们思路逐渐打开：组际合作不就突破灯泡和电源个数的局限了吗？在这一过程中，教师一方面启发学生思索如何实现规律的普遍性，这体现了物理研究的严谨性和科学性；另一方面引导学生实现组际合作，更是团队协作和科学精神的体现.

电极式水位开关检测电路分析 第12篇

关键词：电极式水位开关,检测电路,CD40106B

电极式水位开关目前广泛应用在太阳能热水器上, 一些空气源热水机厂家也在使用。电极式水位开关工作的基本原理是利用水的导电性, 当两个电极之间有水时, 两个电极就会导通;当两个电极之间无水时, 电阻接近无穷大。

1 典型的电极式水位开关的结构

电极式水位开关结构比较简单, 最下端是公共电极, 与GND连接;其余四个就是检测电极, 分别通过引线与检测电路连接;使用绝缘材料将5个电极固定起来就是一根水位开关。

2 水的导电特性

水质差别对水的导电性有很大的影响, 矿物质比较多的水比纯净水的导电性大约高10倍。同时由于水中起导电作用的H+, HO-数量比较少, 所以水的导电性也随着通电时间变化, 如图2所示。

在水中固定2个金属电极, 两个金属电极体积相同, 大约8cm3, 间距20cm, 使用万用测量两个之间的电阻, 刚开始测量时, 电阻只有1KΩ左右, 大约10秒后电阻基本稳定于2MΩ。其原因主要是, 水只具有弱导电性, 水中导电的离子比较少。刚通电时, 水中用于导电的H+, HO-数量相对比较多, 电极之间的电阻就小, 等大部分离子转移完毕后, 水中离子变少, 导电性就变差, 表现就是电极之间电阻变得很大。

3 电极式水位开关检测电路分析

3.1 脉冲发生电路

数字电路需要脉冲发生电路, 某款水位开关中使用了CD40106B作为脉冲发生电路。在该电路中R=200K, C=0.02u F, 根据频率计算公式计算出T==0.4ms, 脉冲频率250Hz。

3.2 电极导通检测电路

该检测电路采用PNP三极管放大信号。

工作原理:

(1) 当检测电极W1和公共电极GND之间没有水时:VBE之间没有电压, 三极管工作工作与截止状态, 输出信号一直是低电平。

(2) 当检测电极W1和公共电极GND之间有水时:VBE=-15K/ (15K+47K+10K) *5V=-1.04V, 此时二极管工作于放大状态, 输出信号等于脉冲输入信号。

3.3 信号处理电路

信号处理电路中使用到的芯片:

CD4017B:模拟开关电路:用于逐个选通各个水位开关, 并检测其状态。

CD4013B:双D触发器, 有脉冲时记录水位开关的状态, 脉冲结束后用于保持检测到的状态。

一个完整的检测周期:当CD4017BE接收到第8个时钟波形时, 其“8”引脚输出脉冲, 用于检测检测电极和公共电极之间是否有水。电容的作用是保存到触发器D引脚的信号信号。在接下来的第9个波形, CD4017BE的“9”发出脉冲, 触发CD4013的触发器, 保存D1引脚上的数据。电阻的作用是放电功能, 保证在接下来的36ms内将电容中的电放光, 为一下个检测周期做准备。

4 总结

4.1 脉冲检测方式主要优点有几点:

(1) 采用了脉冲检测的方式, 保证了电极之间电阻始终保持在1K~10K, 有效的避免了金属电极因长时间带电而导致两个电极间电阻过大的问题。 (2) 由于检测电极只有10%的时间带电, 减少了因带电吸附杂质的数量, 显著地提高了水位开关的使用寿命。

4.2 实施计划

由于该电路比较经典, 水位开关和检测电路成本也较低, 下一步准备仿制该水位开关。