作者： Panic 2007年5月17日

众所周知，世界上广泛使用的家庭供电线路都是交流电，常用的有110V/60Hz和220V/50Hz两种规格。

随着开关电源技术的发展，在效率，体积功率方面，开关电源已经超越传统变压器，成为现代家电的首选。

开关电源本质上是直流变换器，为了适应交流输入，所有的AC/DC变换器都使用了整流二极管或者桥堆，把交流转化为直流，然后供应给变换单元。

包括电视机在内的很多电器使用了开关电源，这些电器即使接在同等电压的直流电源下，也可以正常工作（传统显象管的消磁电路利用了交流振荡的特性，包含这一电路的电视机直接工作在直流下会出现显示异常）。

既然这样，在家庭内部为何不采用直流供电呢？

相对交流而言，直流供电有很多好处：

1，直流供电不存在峰值电压，对线路的绝缘性能要求比同等交流低。
2，同等有效电流下，直流电线路损耗比交流小。
3，直流供电可以简化电源的设计，降低成本。
4，当直接用于照明等场合的时候，直流供电不会出现频闪的现象。
5，对设备而言，直流供电的波纹小，没有所谓的“交流声”。
6，线路不会对环境产生周期性的电磁干扰。
7，直流电可以通过简单定义，很容易区分“零线”和“火线”。
8，当使用蓄电池等后备电源时，直流供电无须逆变，甚至在电压相同的时候可以直接切换。

同时缺点也有很多：

1，所有旧的变压器结构的设备都将无法使用。
2，所有依赖感应测试电流/电压的仪器都将无法使用。
3，单相交流电动机以及类似的设备都无法使用。
4，廉价的阻容降压结构失去作用。
5，电位差容易导致线路的电化学腐蚀。
6，接线必须保证一致，插头也必须有方向性，反接将导致灾难性后果。
7，所有利用交流过零自动关闭可控硅的调节电路都无法使用。
8，当仅需要电压变化的时候，DC-DC模块的价格仍然比传统变压器高。

虽然缺点有那么多，但是真正会成为问题的却只有5和6。其他的缺点都会随着新设备和新产品的发展逐渐消失，同时成本和价格也会随着应用的广泛而降低。

作者： Panic 2007年4月10日

问题提出：
现在的MOS驱动，有几个特别的需求，
1，低压应用
当使用5V电源，这时候如果使用传统的图腾柱结构，由于三极管的be有0.7V左右的压降，导致实际最终加在gate上的电压只有4.3V。这时候，我们选用标称gate电压4.5V的MOS管就存在一定的风险。
同样的问题也发生在使用3V或者其他低压电源的场合。

2，宽电压应用
输入电压并不是一个固定值，它会随着时间或者其他因素而变动。这个变动导致PWM电路提供给MOS管的驱动电压是不稳定的。
为了让MOS管在高gate电压下安全，很多MOS管内置了稳压管强行限制gate电压的幅值。在这种情况下，当提供的驱动电压超过稳压管的电压，就会引起较大的静态功耗。
同时，如果简单的用电阻分压的原理降低gate电压，就会出现输入电压比较高的时候，MOS管工作良好，而输入电压降低的时候gate电压不足，引起导通不够彻底，从而增加功耗。

3，双电压应用
在一些控制电路中，逻辑部分使用典型的5V或者3.3V数字电压，而功率部分使用12V甚至更高的电压。两个电压采用共地方式连接。
这就提出一个要求，需要使用一个电路，让低压侧能够有效的控制高压侧的MOS管，同时高压侧的MOS管也同样会面对1和2中提到的问题。

在这三种情况下，图腾柱结构无法满足输出要求，而很多现成的MOS驱动IC，似乎也没有包含gate电压限制的结构。

于是我设计了一个相对通用的电路来满足这三种需求。

电路图如下：

图1 用于NMOS的驱动电路

图2 用于PMOS的驱动电路

这里我只针对NMOS驱动电路做一个简单分析：

Vl和Vh分别是低端和高端的电源，两个电压可以是相同的，但是Vl不应该超过Vh。

Q1和Q2组成了一个反置的图腾柱，用来实现隔离，同时确保两只驱动管Q3和Q4不会同时导通。

R2和R3提供了PWM电压基准，通过改变这个基准，可以让电路工作在PWM信号波形比较陡直的位置。

Q3和Q4用来提供驱动电流，由于导通的时候，Q3和Q4相对Vh和GND最低都只有一个Vce的压降，这个压降通常只有0.3V左右，大大低于0.7V的Vce。

R5和R6是反馈电阻，用于对gate电压进行采样，采样后的电压通过Q5对Q1和Q2的基极产生一个强烈的负反馈，从而把gate电压限制在一个有限的数值。这个数值可以通过R5和R6来调节。

最后，R1提供了对Q3和Q4的基极电流限制，R4提供了对MOS管的gate电流限制，也就是Q3和Q4的Ice的限制。必要的时候可以在R4上面并联加速电容。

这个电路提供了如下的特性：

1，用低端电压和PWM驱动高端MOS管。

2，用小幅度的PWM信号驱动高gate电压需求的MOS管。

3，gate电压的峰值限制

4，输入和输出的电流限制

5，通过使用合适的电阻，可以达到很低的功耗。

6，PWM信号反相。NMOS并不需要这个特性，可以通过前置一个反相器来解决。

锂电池基本知识（我的锂电充电器连载一）

作者： Panic 2006年10月23日

锂电的相关知识很多人都有了解，这里只简单介绍。

锂电本身非常脆弱，过充和过放都会造成电池永久失效。一般手机用电池都内置保护电路，在发生过充或者过放短路等情况的时候保护电池安全。

普通的没有保护电路的锂电，最常见的是笔记本电脑用的18650锂电，18650是外形参数，表示直径18mm长度65mm。

一般的锂电充电分为恒流和恒压两个阶段。

在恒流阶段，用<1C的电流进行快速充电，这个阶段一般可以充电到总电量的70%~80%。手机充电器一般使用0.7C以下的电流，所以在完全空电状态下充电，经常两个小时以上还充不满。

恒压阶段，需要控制充电电压为锂电的额定电压±50mV以内，对4.2V锂电来说，就是4.15V~4.25V。常见的充电电路都是使用时间来控制恒压阶段，这种方式虽然比较通用，但是仍然会造成少量过充，所以多数充电器都要求用户不要长时间连接充电器。

我曾经设想过用终止电流来控制恒压阶段，详情见我的文章《我设计的两段式锂电充电电路》

高级一些的充电器会提供额外一个“小电流激活”的充电阶段。锂电过放之后，电压会降低到2.5V以下，如果过放不是很严重，通过小电流涓流充电，还能够挽回一些容量，使电池不至于废弃。但是如果对已经过放的电池直接充以大电流，则可能会更彻底的摧毁它。

事实上，对于低于2.5V的电池，更安全的策略是不对其进行充电，因为那极有可能是一颗相同封装的镍氢或者镍镉电池。

由于单节锂电的电压最高只有4.2V，无法直接满足多数情况的应用，所以实际使用中电池都是以串连/并联等方式连接为电池组使用。

一旦组成电池组，如果缺乏对单节电池有效的充放电控制电路，就很容易造成组内电池因为电量不均导致的部分过充，部分过放的问题。

笔记本的锂电池，充放电安全的问题似乎也非常严重，最近的新闻不断报道笔记本电脑起火，电池爆炸等消息。

有了锂电池的基本知识，就可以决定充电器应该具有哪些特性，现在可以考虑的基本特性如下：

1，三阶段充电控制：小电流激活，恒流充电，恒压充电
2，电池反接保护
3，输出短路保护
4，掉电防放电（指充电器电源被切断后，仍旧连接在充电器上的电池会逆向向充电器放电，这一方面会潜在引起电池过放，另一方面也可能会损坏充电器）

而还有一些可以选择的特性：

1，最大充电电流调整
2，电池容量计算
3，电路/电池温度监控

我设计的两段式锂电充电电路

作者： Panic 2006年10月7日

先看图：

因为元件比较多，所以上面画了很多框框，用来帮助分析这个电路。

电路的基本功能很简单：

1，大电流恒流充电
2，小电流恒流充电
3，恒压充电
4，电池电压不足和反接保护
5，断电状态，防止电池放电

以下是电路的简单分析：

右边的TL431和周边的器件总共提供了如下几个功能：

1，4.2V基准电压，由TL431直接提供
2，3V基准电压，由R7和R8分压获得
3，约2mA的恒流源，由Q11和R9，借助3V基准电压获得
4，充电电流基准电压，由恒流源借助Q12和R3获得。电压值为大约(0.25V + Vbe),其中Vbe是Q12的be电压，这个电压起到补偿作用。

当充电器中有电池的时候，首先由Q13把电池电压和3V基准比较，由于Q13自身有0.7V左右压降，所以检测到的电池电压为2.3V左右。

当电池电压低于2.3V，Q13导通，引发回路总开关Q10导通，切断了整个充电回路，这一方面可以确保输出被短路等异常状态下电路不工作，另外可以保证反接状态的电池或者低于2.3V的电池不被充电。

如果电池电压高于2.3V，Q13截止，由Q5和Q6构成的电压比较器，把电池电压和4.2V基准做比较，

如果电池电压低于4.2V，则Q6导通，Q6的c极输出高电压，引起Q7截止，引发回路总开关Q10截止，打开了整个充电回路。

同时，Q8也导通，Q8导通则通过Q9开启了主充电回路。

主充电回路很简单，通过Q2，把采样电阻R1上的电压和 充电电流基准电压 比较，如果电压低于0.25V，则引发Q3导通从而开启Q1，电源经过R1和Q1，以2.5A向电池充电。

次充电回路在回路总开关Q10导通的时候，总是开启的，通过Q4同时完成充电以及和 充电电流基准电压 比较的作用，提供精度差一些的恒流充电。

电路总的充电电流是两个回路的总和，不过次回路电流只有不到10mA，而主回路则高达2.5A

当电池电压接近4.2V的时候，Q6会输出低电压，这个电压降低，首先会导致Q8截止，Q8截止的后果是主回路被切断（由于Q6工作在放大状态，这个切断是渐进的）。这时候电路处在恒压充电状态。

随着Q8的逐渐截止，主回路的充电电流逐渐减少，最终完全关闭。

这时候电路通过次回路以不到10mA的电流继续涓流充电，当Q6输出的电压进一步降低，Q7导通切断总回路开关，完全停止充电。

设计这个电路的初衷很简单，满足锂电低压/反接保护，恒流恒压分段充电的需求。

之所以在恒流上面设计两段，主要目的是为了能有效得知充电结束时间。

现有的充电电路，由于调整管工作在放大状态，缺乏一个有效的手段得知其是否完全关闭了，而使用安培级别的大电流进行充电的时候，对充电电流小于终止电流的检测很复杂，所以目前的充电器，要么使用小电流（500mA以下）充电，要么压根不检测终止电流，恒压到底，比较负责的电路则采用进入恒压状态后，累积充电时间来决定何时终止充电（似乎笔记本电脑，手机等的电路都是这样的，不过我没研究过，不确定）。

这些方式要么不利于快速充电节省时间，要么会导致电池长期处于小电流充电状态，而用户难以觉察。终止充电的实际时间，往往是依靠单纯的计算充电时间来确定的，这种方式很容易导致充电不足和过充。

两段式恒流的设计则完全避免了这个问题。

首先主回路使用0.1欧姆的小电阻进行电流反馈，极大减少了因电阻导致的能耗和发热，有效利用了电能。

其次通过Q7和Q8的交错式切换，充电状态的切换很容易得知。只需要把小电流恒流的电流值，设定为终止充电电流，则这个切换发生的时机，就是完成充电的实际时间。如果有必要可以在电路上在这个时机做一个切断。

另外说明一下，电路看起来很复杂，布线有点乱，主要是因为本人缺乏经验*^_^*，另外有些怪异的接法是为了满足防止断电状态电池放电而设计。

这里是这个电路的schdoc，有兴趣的朋友可以下载进行仿真，我使用大电容代替电池，得到的效果还是不错的。

 

 

细说恒流源

作者：  Panic 2006年10月7日

恒流源是电路中广泛使用的一个组件，这里我整理一下比较常见的恒流源的结构和特点。

恒流源分为流出(Current Source)和流入(Current Sink)两种形式。

最简单的恒流源，就是用一只恒流二极管。实际上，恒流二极管的应用是比较少的，除了因为恒流二极管的恒流特性并不是非常好之外，电流规格比较少，价格比较贵也是重要原因。

最常用的简易恒流源如 图(1) 所示，用两只同型三极管，利用三极管相对稳定的be电压作为基准，

电流数值为：I = Vbe/R1。

这种恒流源优点是简单易行，而且电流的数值可以自由控制，也没有使用特殊的元件，有利于降低产品的成本。缺点是不同型号的管子，其be电压不是一个固定值，即使是相同型号，也有一定的个体差异。同时不同的工作电流下，这个电压也会有一定的波动。因此不适合精密的恒流需求。

为了能够精确输出电流，通常使用一个运放作为反馈，同时使用场效应管避免三极管的be电流导致的误差。典型的运放恒流源如图(2)所示，如果电流不需要特别精确，其中的场效应管也可以用三极管代替。

电流计算公式为：

I = Vin/R1

这个电路可以认为是恒流源的标准电路，除了足够的精度和可调性之外，使用的元件也都是很普遍的，易于搭建和调试。只不过其中的Vin还需要用户额外提供。

从以上两个电路可以看出，恒流源有个定式（寒，“定式”好像是围棋术语XD），就是利用一个电压基准，在电阻上形成固定电流。有了这个定式，恒流源的搭建就可以扩展到所有可以提供这个“电压基准”的器件上。

最简单的电压基准，就是稳压二极管，利用稳压二极管和一只三极管，可以搭建一个更简易的恒流源。如图(3)所示：

电流计算公式为：I = (Vd-Vbe)/R1

TL431是另外一个常用的电压基准，利用TL431搭建的恒流源如图(4)所示，其中的三极管替换为场效应管可以得到更好的精度。TL431组成流出源的电路，暂时我还没想到:)

TL431的其他信息请参考《TL431的内部结构图》和《TL431的几种基本用法》

电流计算公式为：I = 2.5/R1

事实上，所有的三端稳压，都是很不错的电压源，而且三端稳压的精度已经很高，需要的维持电流也很小。利用三端稳压构成恒流源，也有非常好的性价比，如图(5)所示。

这种结构的恒流源，不适合太小的电流，因为这个时候，三端稳压自身的维持电流会导致较大的误差。

电流计算公式为：I = V/R1，其中V是三端稳压的稳压数值。

 

实际的电路中，有一些特殊的结构，也可以提供很好的恒流特性，最典型的就是一个很高的电压通过一个电阻在一个低压设备上形成电流，如图(6)，这个恒流源的精度，取决于高压的精确度和低压设备本身导致的电压波动。在一些开关电源电路中，这个结构用来给三极管提供偏置电流。

电流计算公式为： I = Vin/R1

值得一提的是，以上这些恒流源并不都适合安培以上级别的恒流应用，因为电阻上面太大的电流会导致发热严重。

图(2)可以通过使用更小的电阻来降低这个热量，不过在单电源供电模式下，多数运放都不能有效检测和输出接近地或者Vcc的电压，因此必须使用特殊的器件才能达到要求。有个简单的办法是通过一个稳压器件（稳压管，或者TL431等）偏置电阻上面的电压，使得这个电压进入运放的检测范围。

恒流源的实质是利用器件对电流进行反馈，动态调节设备的供电状态，从而使得电流趋于恒定。只要能够得到电流，就可以有效形成反馈，从而建立恒流源。

能够进行电流反馈的器件，还有电流互感器，或者利用霍尔元件对电流回路上某些器件的磁场进行反馈，也可以利用回路上的发光器件（例如光电耦合器，发光管等）进行反馈。这些方式都能够构成有效的恒流源，而且更适合大电流等特殊场合，不过因为这些实现形式的电路都比较复杂，这里就不一一介绍了。

最后说明一下（不说明一下我不放心:P），因为本人并非专业的电路设计人员，只是因为业余爱好才研究这些知识，如果我提供的内容有不准确和错误的地方，还请大家多多指正:)