运算放大器在开关电源电路中的应用

蔡怀海，李德生

（同方电子科技有限公司，江西 九江 332001）

0 引 言

运算放大器在电子电路设计中几乎无处不在，由运算放大器组成的应用电路也非常丰富多样，其中比较器电路和差分放大电路在开关电源设计中的应用非常广泛。在电源设计中，比较器电路多用于实现越限告警功能，如过/欠压保护电路、电池电量指示电路以及浪涌电流抑制电路等，差分放大电路主要应用于电流取样电路中，用于将小的取样信号进行放大，以便能更好地进行处理。本文先简单论述这两款电路的工作机理，并对电路的外围参数配置进行计算，再提出了具体的功能应用电路，最后详细分析应用电路。

1 比较器电路

运算放大器构成比较器电路时，多用于开环或正反馈的工作状态，即工作在非线性区。比较器工作在正反馈时，电路具有回差特性，此时比较器具有两个门限电压，两者的差值构成一个回差范围，通常称该比较器为施密特触发器或迟滞比较器。此时输入信号中即使叠加有噪声，只要噪声电平在回差范围以内，输出就不会发生多重触发的误动作。

1.1 电路原理

1.1.1 同相输入迟滞比较器电路

在开关电源电路中，同相输入迟滞比较器电路可以理解为过压比较电路，其电路结构如图1所示。

该电路图中所用LM2904为双运算放大器，采用单电源供电，作为比较器使用时，其输出Vo高电平为VCC -1.5 V，低电平为0 V。该电路的两个门限电压Voh和Vol分别为：

其回差范围ΔV为：

该电路工作机理为若输入Vi大于Voh时，输出Vo为高电平，当输入Vi由大逐渐减小到比Vol小时，输出Vo跳变为低电平，若输入Vi小于Vol时，输出Vo为低电平，当输入Vi由小逐渐增大到比Voh大时，输出Vo跳变为高电平，输入Vi单方向变化时，在回差范围之内输出Vo状态保持不变。

1.1.2 反向输入迟滞比较器电路

在开关电源电路中，反相输入迟滞比较器电路可以理解为欠压比较电路，其电路结构如图2所示。

该电路两个门限电压Vuh和Vul分别为：

其回差范围ΔV为：

该电路工作机理为若输入Vi小于Vul时，输出Vo为高电平，当输入Vi由小逐渐增大到比Vuh大时，输出Vo跳变为低电平，若输入Vi大于Vuh时，输出Vo为低电平，当输入Vi由大逐渐减小到比Vul小时，输出Vo跳变为高电平，输入Vi单方向变化时，在回差范围之内输出Vo状态保持不变。

1.2 应用举例

通常交流大功率电源需要有交流过/欠压保护功能和浪涌电流抑制功能。其中，交流过/欠压保护功能用于避免交流电网电压波动而引起的电源损坏，浪涌电流抑制功能主要用于减小电源上电瞬间回路中大容量电容充电产生的浪涌电流，由于电容其内阻ESR非常小，故其在充电前相当于短路。本文介绍一款由比较器电路组成的能实现上述两个功能的电路，其原理图如图3所示。

过/欠压保护电路工作过程中，将市电变压整流滤波后，送入N6A和N6B两个迟滞比较器，若出现过压或欠压，则迟滞比较器输出高电平，三极管V17导通，将三极管V7和V11关断，继电器K1、K2以及K3均断开，从而将市电隔离开，避免了市电对后围电路的损坏。若过压或欠压现象消失，并超出回差范围之外，则迟滞比较器输出低电平，三极管V17关断，而三极管V7和V11导通，继电器K1和K3闭合，继电器K2延时0.5 s闭合，市电自恢复正常供电。N6A构成同相输入迟滞比较器，过压保护点由Voh来决定，过压恢复点由Vol来实现，N6B构成反相输入迟滞比较器，欠压保护点由Vul来决定，欠压恢复点由Vuh来实现。

浪涌电流抑制电路刚上电时，电容C7上电压为零，比较器N4A输出低电平，三极管V7关断，继电器K2断开，回路电流经电阻R8流过，待电容C7通过电阻R9限流充电0.5 s（时间由R9和C7共同决定）后，电容C7上电压高于比较器N4A反向输入端电压时，比较器N4A输出高电平，三极管V7导通，继电器K2闭合，回路电流经继电器K2流过，从而将电阻R8短路。本文采用在交流回路中串联功率电阻R8来进行限流的方式，整个过程完成了电源的软启动，有效抑制了浪涌电流。

2 差分放大电路

2.1 电路原理

差分放大电路是将两个输入端上所加信号的差值进行放大再作为输出的放大电路，而在两输入端共同施加的信号则不能放大。此时运算放大器工作在线性区，处于负反馈工作状态，其典型应用电路如图4所示。

差分放大电路在开关电源电路设计应用时，通常保证R1=R3，R2=R4，故输出电压Vo=R2/R1(Vi2-Vi1)，放大倍数为R2/R1。

2.2 应用举例

开关电源应用时，过流保护是很重要的一项考核指标，现介绍一款由运算放大器组成的过流保护电路，其电路原理图如图5所示。

开关稳压电源在给负载供电的过程中，电阻R17对流经负载的电流进行了正端取样，产生一个差分信号，该信号被送入差分放大器N4A进行放大，放大倍数由R21/R20来决定，放大后的信号送入同相输入迟滞比较器N4B。若N4B输出低电平，则三极管V9关断，三极管V10导通，MOS管V11闭合，此时负载正常供电，若N4B输出高电平，则三极管V9导通，三极管V10关断，MOS管V11断开，从而中断了负载的供电，则可以判断电路中出现了过电流，另外由于N4B具有回差特性，若过电流现象解除，则可自动恢复负载正常供电。

3 结 论

本文详细介绍了运算放大器应用电路中的差分放大电路和比较器电路，论述了其工作机理，并具体分析了将这两款电路放入开关电源电路的具体应用案例，同时在产品中得到了大量的印证，其电路功能均能满足要求。