为什么要使用磁滞比较器?在讲述磁滞比较器之前,先来看看一个情况吧。
产品设计中总是需要电机,而电机在运行中和停止中需要释放能量,该能量的大部分作为电压反馈到电源母线(Vbus ),使Vbus母线的电压上升,尤其是功率大、转速快的电机,紧急制动更是如此
为了不释放从电机反馈的能量,需要设计检测母线电压的电路。 母线电压高于某个安全阈值时,导通MOSFET Q1,将母线上的能量通过电阻R5作为热量消耗。
使用一般比较器时,设计如下。
Vbus电压在R1/R2分压下获得vth(vth=VP ),并与反转输入端子的基准电压进行比较。
在VthVref的情况下,比较器输出端子Vout的输出成为负的饱和,即0V,MOSGET Q1截止
在VthVref情况下,比较器输出端子Vout的输出为正饱和,即5V,MOSGET Q1导通
于是发生了问题
假设Vbus电压在电机的进料能量作用下不断波动、不稳定,分压后的Vth在Vref作用下上下波动,Vout不是会反复不断地开关吗
事实上也是如此
想象一下,在电机供电时母线电压Vbus上升,VthVref、Vout输出变为高电平,释放Q1释放能量,随着能量释放,Vbus电压下降,下降到VthVref
时,Vout输出为低电平,Q1断开。 此时,能量不会释放到任何地方,母线Vbus的电压又会上升。 一个接一个地重复循环。
结果,Vth电压在Vref附近上下波动,非常频繁地发生。 在这种情况下,由于MOSFET Q1一直开启开关,因此MOS管的开关损失会增大,温度可能会上升,严重时可能会烧毁。
我该怎么办?
只能降低MOSFET的开关频率。
我想要这样的释放效果:
当Vbus电压超过安全阈值(标记为Von )时,使MOSFET Q1导通并释放能量,
在能量的释放下,当Vbus电压下降到另一阈值(标记为Voff )时,例如当Vbus接近正常母线电压时,MOSFET Q1关闭,释放信道关闭。
很明显,Von Voff,也就是普通比较器只有一个阈值,无法实现我们的设计需求。
这需要滞后比较器
磁滞比较器为什么会有上述情况之后的两个阈值,我们需要设定两个阈值- -高阈值Von和低阈值Voff
VbusVon时,Vout输出为高电平,Q1导通
VbusVoff时,Vout输出为低电平,Q1断开
变换后,将上述Vth阈值分解为上下两个阈值Vth_on和Vth_off。
Vth_on是在Vbus电压为Von时在R2节点产生分压
Vth_off是在Vbus电压为Voff时在R2节点产生分压
磁滞比较器怎么办呢
原理基于上述一般性比较器引入电阻R4,如下图所示。
上阈值Vth_on是怎么来的
Vout输出变高之前,如下图所示,与Vout相当接地。
通过R4的输入,从R3向R4流入地流动一条电流,与R2并联,在诸如Vbus的情况下,相当于降低原本的一般比较器的Vth值(因为R2与R3/R4并联)。
本来在Vbus=V1的情况下,Vp恰好等于Vref; 但是,当前,为了访问R4,降低Vth的电压,同样,当Vbus=V1时,成为VpVref,所以为了考虑VpVref,Vbus需要较高。
这就是上限值的由来。
Von计算:
(Vp/R4 )---I2-----R4旁路电流
(Vp/R4 ) R3R4--------vth_on电压
VTH_on/R2=I1--------R2分支电流
von=vth_onR1(I1I2)=(Vp/R4 ) R3 R4 ) ) (VP/R4 ) )/R2 Vp/R4 ) (R1 ) ) ) ) 65
比较器切换的临界点: Vref (已知条件)=Vp,即Vbus=Von时,输入到比较器同相输入端子的电压。
下限阈值Vth_off也同样,
电压下降时Vout输出高电平,表示到达了原本在Vth时切换为低电平的临界点。 通过R4的接通,输出端子Vout的高电平电压产生经由R4和R3流过R2的电流,R2两端的电压降上升。 即Vth的电压上升。 为了将Vp降低到临界点vref,需要降低Vbus上的电压,这样,R2上的分压下降,Vth下降,在Vbus下降到Voff时,Vp到达开关临界点vref。
关闭计算:
VP=vref---- -切换临界点
(Vp-Vth_off )/R3=)计算vout-VP )/R4-----vth_off
两个电流流过vth_off/R2=(voff-vth_off )/R1 ) vout-VP )/R4----R2