基于UC3843的过流、短路保护电路和容性负载能力怎样优化设计-综合电源技术-世纪电源网社区

邹姜一郎

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2018-11-24 10:13:15

10问答币

各位前辈好！
最近我基于UC3843设计了一款正激变换器，我的样机的规格是48V输入，5V16A输出。现在在设计输出过流和短路保护电路，我遇到一个问题。
我想到了两种过流保护电路，一种在初级将输入电流通过采样电阻将信号输入UC3843的Isence引脚，当过流时，UC3843进入打嗝模式，功耗较小。但是这种方式，启动时带容性负载的能力只有1000uF，无法达到客户要求的10000uF。容性负载过大，启动电流过冲直接进入打嗝保护模式。
我又采用了第二种方法，即采样输出电流，当过流时，把控制环路从电压环切换到电流环，这样可以进入恒流控制模式，10000uF的容性负载可以工作起来，但是由于是恒流模式，电路中的电流较大，短路损耗高达40W，这也是客户不希望的。
请问，常用的短路保护电路还有哪些？您们有应用总结文档吗？有好的短路保护设计电路吗？既能带10000uF的容性负载，即启动时的过冲电流不触发短路保护啊，又能降低短路损耗，约从40W降低到10W。

谢谢！

		2 nc965 nc965 在线 LV7 版主积分：103632 \| 主题：115 \| 帖子：29751 访问空间发消息积分:103632 版主 2018-11-24 10:26:19
		10W也大了，5W以内吧，试试VCC打嗝模式，打嗝周期mS数量级（有音频啸叫权当短路报警），每次打嗝PWM脉冲尽量控制在10个以内，或许能行。回复 \| 举报 \|

			3 来时徘徊来时徘徊离线 LV6 高级工程师积分：1475 \| 主题：11 \| 帖子：117 访问空间发消息积分:1475 LV6 高级工程师 2018-11-24 11:19:06
			n版主这个建议不错。我之前有接触过这种VCC供电打嗝模式，打嗝周期需要好好调试充电电阻阻值。回复 \| 举报 \|

				6 邹姜一郎邹姜一郎离线 LV8 副总工程师积分：2393 \| 主题：89 \| 帖子：494 访问空间发消息积分:2393 LV8 副总工程师 2018-11-24 13:31:42
				有参考电路模仿一下吗？回复 \| 举报 \|

			4 邹姜一郎邹姜一郎离线 LV8 副总工程师积分：2393 \| 主题：89 \| 帖子：494 访问空间发消息积分:2393 LV8 副总工程师 2018-11-24 13:29:50
			5W最好不过了，请问有没有VCC打嗝模式的电路参考图。小弟是个新手，每搞过这个电路。回复 \| 举报 \|

				8 nc965 nc965 在线 LV7 版主积分：103632 \| 主题：115 \| 帖子：29751 访问空间发消息积分:103632 版主 2018-11-24 14:53:10
				以你的恒流模式为例，检测到短路故障（还没有解除）把VCC短路一下，让芯片重新启动即可。回复 \| 举报 \|

					10 邹姜一郎邹姜一郎离线 LV8 副总工程师积分：2393 \| 主题：89 \| 帖子：494 访问空间发消息积分:2393 LV8 副总工程师 2018-11-26 09:01:56
					这种方式会不会也很难带大容性负载，如10000uF？我担心启动电流尖峰过大，VCC一直打嗝，电源进入保护状态，启动不起来。回复 \| 举报 \|

						12 nc965 nc965 在线 LV7 版主积分：103632 \| 主题：115 \| 帖子：29751 访问空间发消息积分:103632 版主 2018-11-26 09:47:19
						这个事是能量平衡在控制，由打嗝周期、每次打嗝周期后紧接着的PWM的占空比（电流）和PWM个数来控制，你要学会控制，总可以找到满足应用的参数。回复 \| 举报 \|

							15 邹姜一郎邹姜一郎离线 LV8 副总工程师积分：2393 \| 主题：89 \| 帖子：494 访问空间发消息积分:2393 LV8 副总工程师 2018-11-26 10:43:47
							我以前调打嗝式过流保护和容性负载时，就是把过流点调到能带起1000uF容性负载为止，这是容性负载和短路保护损耗都能兼顾。然而这次案子要求带10000uF容性负载，以前的打嗝电路过流点就会太高，超过通常的120%过流点，很难起到保护作用。用恒流型保护，能带起10000uF大电容，但是短路保护时，损耗很大。所以陷入两难境地。您的意思，是优化打嗝保护电路，可以兼顾两者。我之前对打嗝保护电路搞得不够细致，对您说的“打嗝周期、每次打嗝周期后紧接着的PWM的占空比（电流）和PWM个数来控制”都没有留意过，只觉得容性负载能带，短路保护点合适，损耗不大就好了。所以对您讲的“打嗝周期、每次打嗝周期后紧接着的PWM的占空比（电流）和PWM个数来控制”我不知道该如何优化调节。我只知道调整过流保护点。回复 \| 举报 \|

								17 nc965 nc965 在线 LV7 版主积分：103632 \| 主题：115 \| 帖子：29751 访问空间发消息积分:103632 版主 2018-11-26 10:55:46
								打嗝周期控制：芯片内有个间歇工作模式功能，固定了，不能调。你想调，就用VCC打嗝，时间间隔为RC控制。每次打嗝周期后紧接着的PWM的占空比（电流）控制：环路积分电容电平在控制，维持这个电平直到打嗝结束，即可在此时得到一个希望的占空比。每次打嗝周期后紧接着的PWM个数控制：取决于你过流（短路）检测采样电路的时间常数，反应敏捷程度。迟钝一点几十个PWM过去了才确认有效信号。回复 \| 举报 \|

									18 邹姜一郎邹姜一郎离线 LV8 副总工程师积分：2393 \| 主题：89 \| 帖子：494 访问空间发消息积分:2393 LV8 副总工程师 2018-11-26 11:05:19
									谢谢! 回复 \| 举报 \|

									19 邹姜一郎邹姜一郎离线 LV8 副总工程师积分：2393 \| 主题：89 \| 帖子：494 访问空间发消息积分:2393 LV8 副总工程师 2018-11-26 11:56:59
									您说的“打嗝周期”和“打嗝后PWM的个数”我理解了。 “每次打嗝周期后紧接着的PWM的占空比（电流）控制：环路积分电容电平在控制，维持这个电平直到打嗝结束，即可在此时得到一个希望的占空比。”是进入UC3843的1脚COMP的电压值吗？也就是调节RC补偿网络上的积分电容使得COMP的电压值到想要的电压值，从而得到想要的占空比D。为什么说调节这三个量可以兼顾短路功耗和容性负载的呢？我想“打嗝周期”长一点，“打嗝后PWM个数“少一点，“打嗝后占空比D”小一点，这样可以降低损耗，对吧？那这三个量和带容性负载有什么关系呢？我简单的认为：容性负载要么能带起来，要么带不起来，而能不能起来就是看过流点，过流点低了，就保护了，起不来，过流点够高，就能起来。我不知道这三个量会如何影响容性负载的启动。容性负载是不是只和过流点有关系，还和其他量有关吗？和软启动有关系吗？是不是软启动的时间越长，输出电压的变化量会小一点，从而同样的输出电容容量产生的冲击电流尖峰会小一点。回复 \| 举报 \|

										20 nc965 nc965 在线 LV7 版主积分：103632 \| 主题：115 \| 帖子：29751 访问空间发消息积分:103632 版主 2018-11-26 12:53:29
										这个事从能量角度去理解： 1、占空比控制的是原边电流，以磁饱和为限（最大占空比限制），方能连续运行。 2、PWM个数控制的是最高能量密度，在这个密度下可长期运行，对电容持续充电，哪怕电容很大、残压很低。 3、打嗝周期控制的是上述能量密度可能太大，引起损耗过大，间歇一下，能启动即可。回复 \| 举报 \|

											21 YTDFWANGWEI YTDFWANGWEI 离线 LV7 版主积分：111316 \| 主题：142 \| 帖子：46186 访问空间发消息积分:111316 版主 2018-11-26 14:00:04
											李工，他在9楼提到，他的辅助电源，是从48V，经过一个三极管做的类似射极跟随器给IC供电，这个供电方式，保证了IC是时刻有电的（即使没有辅助绕组),那么，他还能打嗝吗？回复 \| 举报 \|

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2018-11-26 15:12:34

那就需要射随器限流并触发一个短路才能打嗝

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2018-11-26 16:46:39

如果我不拉VCC，而是拉COMP端，是不是也可以打嗝？您说的“需要射随器限流并触发一个短路才能打嗝”电路怎么实现？我同时拉VCC和三极管的基极，如何？
版主，我想减小短路功耗，是不是“打嗝模式”功耗最小，“逐周期保护”次之，“恒流保护”再次之，“恒功率保护”最差？

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2018-11-26 16:47:50

拉COMP端虽然可以打嗝，占空比从0开始，恐能量不够。
射随器限流方法：把它改成电阻加齐纳。
所有方法中，恒流应该最佳（功耗最小效率最高），只是这个最佳电流值可能比过流保护值低很多（只要能保证解除短路故障后输出电压能上升即可），你如何弄？把恒流值与输出电压相关一下？

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2018-11-26 17:28:07

我做的恒流没法比正常输出电流低。事实上，正常最大额定输出电流是16A，恒流保护点时20A，所以进入恒流保护时，正激电源的次级将有20A的电流在跑，所以损耗大到40W，长时间MOS管就热坏了。

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2018-11-26 17:31:22

恒流保护点是20A，对应的是设计输出电压Vout。如果输出电压降到1/10，恒流值可以降到多少？估计完全短路（输出电压为0）恒流1A即可，这不就很小损耗了？可以算一下。

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2018-11-27 08:42:58

这个电路案子的反馈环路是2个，一个控制输出电压，一个控制输出电流，20A以下就是常规的电压控制，20A以上，触发恒流保护，就切换到恒流控制。电流一直被控制在20A，如果负载进一步加重，负载阻值变小，则输出电压逐步下降，对应关系式20A*Rload。这个恒流保护只能在大电流（大于20A）时作用。负载小于20A后，又切换回电压环控制。没法把恒流保护点设在1A，因为这样负载就只能带到1A，大于1A后，就切到恒流环控制，输出电压就逐步下降了。
您说的过流时把电流控制在1A，应该是一种“减流型”保护吧。输出电压是不是一直不变？该怎么设计电路呢？

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2018-11-27 09:55:12

电流环电压环分开就是切换，不连续。参考我29楼的电路吧，三个环路（电压、电流、短路）在一起，由一颗运放（U2）连续控制。

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2018-11-27 13:54:20

才疏学浅，能明白您的意思，但看不懂电路。

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2018-11-27 13:55:42

三个环路分别在啥时候工作，啥时候切换呢？

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2018-11-27 14:16:42

建议仿真确定参数

邹姜一郎

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2018-11-27 17:07:16

谢谢

YTDFWANGWEI

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2018-11-27 08:40:11

李工的意思是，做回缩式限流，将限流的基准与输出电压做比例，输出电压降低，限流值减小。

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2018-11-27 09:12:44

回缩式限流，就是这意思，恐怕功率稍大一点的低压输出电源（比如电解槽）只能这样干了（打嗝冲击太大）。只是电流采样解析精度增加了一个数量级，还要纳入线性补偿环路，要精心设计才行。

给个参考电路（在原有环路上增加一个受输出电压控制的信号）：

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2018-11-28 19:41:34

参照这个电路的原理做了点改动（一模一样的参数Saber仿真不收敛），其中电阻R21没有接只用到了电压控制和短路电流控制。
普通上电.jpg

只有电压控制

回缩式限流（电压+短路电流控制）
回缩式限流有点像软启动，又比软启动优异不怕快速开关机，按楼主的需求估计上面两种方案都可以采用：
1、打嗝式，采用回缩式限流当启动电流达到打嗝限时，输出电压已经升高至接近正常输出电压，启动的问题基本可以解决。
2、线性限流，采用回缩式限流当输出短路时输出电压被拉低，限流值随之降低，短路功耗也会降低。

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2018-11-28 20:22:58

模仿启动打嗝及短路保护打嗝状态
打嗝.jpg

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2018-11-28 20:31:09

模拟线性限流如下

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2018-11-28 20:38:50

谢谢。
楼主的参数是：5V16A输出。输出电解10000uF。过流保护20A，短路损耗希望5W以下，看看能否仿出3个功能联动的电路参数？

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2018-11-29 08:56:12

短路损耗5W以下应该是没问题的。
回缩式限流的电流上升速率要调的小一些，如果上升速率太大输出电压达不到设定值会处于一直打嗝状态。电流上升速率也不能太小，太小会造成启动时间过长的问题。
短路瞬间短路电流超过20A触发短路保护电路处于打嗝状态，随着输出电压的降低逐渐进入线性限流状态，短路损耗和最终的短路电压大小有关。

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2018-11-29 09:05:53

晒出电路图，楼主可设最佳答案结贴了。

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2018-11-29 11:03:21

电路是就按您的电路原理来的，仿真在家中电脑上做的。区别是用一个运放替代三极管省去了5V稳压电路（用运放仿真容易收敛、参数容易控制），稳压二极管W1换到了限流电路中。

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2018-11-29 11:56:24

1、5V稳压电路在仿真中不必，给个理想V_DC就行，但在实际电路中不能省，其精度ΔV直接关乎电流采样精度，即电流采样信号幅度>>ΔV才行，更何况短路电流还下降了一个数量级。
2、运放替代三极管（三极管替代运放也）可以，这只是一个反逻辑。
3、稳压二极管W1是控制恒压恒流的切换点，其端电压抵达稳压值时切换为恒压模式，否则为恒流模式，你拿掉它就无此功能，模式边界不再清晰成交叉调整了。
4、限流电路中的4148是另一个阈值控制，比如输出电压3V以上该二极管反向偏置？过流保护恒定为20A，从3V以下电路才有信号，限流值从20A线性下降，直到输出电压为0V时限流为1A。
5、综上所诉，这个电路是三种工况无缝切换，才能实现楼主的控制意图。

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2018-11-29 13:12:41

Saber的不收敛问题一直很头疼，验证基本原理还可以，用于实际电路不如搭一个电路来的准确和方便。

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2018-11-29 14:35:40

像这种简单电路，怎么弄都是收敛的

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2018-11-29 19:58:52

个人认为跟器件类型（模型）关系更大些，仿真软件的运行估计也是由各种后台运算构成的，如果是线性器件模型运算简单、速度快、易收敛。如果是真实的非线性器件运算复杂、速度慢以及可能出现多值或无穷大值造成无法收敛。在此仿真中使用的431模型当仿真到一半时不收敛，如果换成理想运放就没有此问题（运放的Vcc接Vout，仿真结果一样），或者在431的输出和地之间接一个1Pf的小电容也可以收敛。在以往的仿真中也有遇到不收敛时串入一个mΩ级电阻解决的。

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2018-11-30 08:59:38

找到一种简便的方式，电路只需一点小改动。
回缩式限流电路.jpg

反馈采用运放431直接到控制芯片的反馈端，如果需要光耦隔离的话逻辑要翻转一下。
回缩式限流功能由电阻R43和R47分压实现，调节电阻R47可以改变电流的上升速度，仿真结果如上。
431的输出接了一个10PF的电容，这个小电容对系统几乎没影响，但如果不接仿真就不能收敛……

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2018-11-30 09:05:04

难怪你不收敛，算算431电流？现实中也不会收敛，我就说嘛。

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2018-11-30 09:25:39

问题就在于即使我的参数设置的不合理，在现实电路中也会得出相应的不合理的结果，但在仿真中尤其是比较复杂的系统发生不收敛时就不容易找到头绪了。

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2018-11-30 09:35:39

431电流小于0.1mA，现实中就会得出不合理结果，详见： 817+431 彻底攻破第62楼

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2018-11-30 09:24:48

没看明白“短路电流控制” 版主讲讲。

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2020-11-19 21:07:16
倒数5

这个方式好完美解决短路在恒流状态时的输入功率过大

					13 邹姜一郎邹姜一郎离线 LV8 副总工程师积分：2393 \| 主题：89 \| 帖子：494 访问空间发消息积分:2393 LV8 副总工程师 2018-11-26 10:32:40
					其实，我想找到是一种“既能短路损耗小，又能带大容性负载”的短路保护电路。我之前做的两种短路保护电路都只能顾一头。听说一个国外电源公司的产品两者都兼顾了，想必是有解决方案的，但是我不知道该怎么搞。回复 \| 举报 \|

						14 nc965 nc965 在线 LV7 版主积分：103632 \| 主题：115 \| 帖子：29751 访问空间发消息积分:103632 版主 2018-11-26 10:41:27
						两头兼顾可以做到，按照我说的思路慢慢琢磨。但凡事都有个限度，并不能无限制地兼顾两头，何况还可能有第3头（比如短路损耗），第4头（比如上电时间）。回复 \| 举报 \|

							16 邹姜一郎邹姜一郎离线 LV8 副总工程师积分：2393 \| 主题：89 \| 帖子：494 访问空间发消息积分:2393 LV8 副总工程师 2018-11-26 10:44:28
							好的，我再搞搞看。回复 \| 举报 \|

			5 邹姜一郎邹姜一郎离线 LV8 副总工程师积分：2393 \| 主题：89 \| 帖子：494 访问空间发消息积分:2393 LV8 副总工程师 2018-11-24 13:31:17
			这种VCC打嗝模式，带大容性负载时，不会出现过流保护，是吧？回复 \| 举报 \|

			51 飞天小幻飞天小幻离线 LV6 高级工程师积分：582 \| 主题：7 \| 帖子：90 访问空间发消息积分:582 LV6 高级工程师 2019-2-19 23:16:30
			有更多关于“回缩式限流”的资料或论文吗？谢谢回复 \| 举报 \|

		7 YTDFWANGWEI YTDFWANGWEI 离线 LV7 版主积分：111316 \| 主题：142 \| 帖子：46186 访问空间发消息积分:111316 版主 2018-11-24 13:53:42
		你这个电路的辅助电源，采用的什么方式？回复 \| 举报 \|

			9 邹姜一郎邹姜一郎离线 LV8 副总工程师积分：2393 \| 主题：89 \| 帖子：494 访问空间发消息积分:2393 LV8 副总工程师 2018-11-26 08:59:29
			是很常见的基于三极管的射级跟随器，直接从输入48V降到10V给3843供电。回复 \| 举报 \|

			11 邹姜一郎邹姜一郎离线 LV8 副总工程师积分：2393 \| 主题：89 \| 帖子：494 访问空间发消息积分:2393 LV8 副总工程师 2018-11-26 09:11:48
			电路起来后，从输出电感器上加一个辅助绕组供电。回复 \| 举报 \|

				52 xbwenwen xbwenwen 离线 LV4 初级工程师积分：371 \| 主题：0 \| 帖子：16 访问空间发消息积分:371 LV4 初级工程师 2019-3-18 15:32:52
				非常实际的问题，问题解决的怎么样，希望探讨交流。如果是正激拓扑增加软启动时间，增加输出电感值，都是方法。若增加电感需要在反馈采样点之后增加电感，避免对环路的影响。回复 \| 举报 \|

					53 邹姜一郎邹姜一郎离线 LV8 副总工程师积分：2393 \| 主题：89 \| 帖子：494 访问空间发消息积分:2393 LV8 副总工程师 2019-3-20 09:54:16
					您好，增加软启动时间和二次滤波电感是不是为了抑制带容性负载启动时的浪涌电流峰值？问题没有正面解决，后来问了客户，其实际使用场合是阻感性负载，就把容性负载要求降低到1000uF了。回复 \| 举报 \|

						54 xbwenwen xbwenwen 离线 LV4 初级工程师积分：371 \| 主题：0 \| 帖子：16 访问空间发消息积分:371 LV4 初级工程师 2019-3-24 11:46:12
						软启动时间加长限制了对电容的平均充电电流，电感限制了峰值电流。峰值电流容易触发关断保护。可以将平均值和峰值保护设计成不同的保护阈值，是对启动、瞬态应力保护和功率保护的一种折衷方案。回复 \| 举报 \|

							55 邹姜一郎邹姜一郎离线 LV8 副总工程师积分：2393 \| 主题：89 \| 帖子：494 访问空间发消息积分:2393 LV8 副总工程师 2019-3-26 08:26:11 倒数10
							谢谢回复 \| 举报 \|

								56 lynn_ricky lynn_ricky 离线 LV6 高级工程师积分：1385 \| 主题：0 \| 帖子：184 访问空间发消息积分:1385 LV6 高级工程师 2019-4-20 10:02:21 倒数9
								3843用的多么，哪些行业经常用它呢回复 \| 举报 \|

									57 邹姜一郎邹姜一郎离线 LV8 副总工程师积分：2393 \| 主题：89 \| 帖子：494 访问空间发消息积分:2393 LV8 副总工程师 2019-4-22 10:59:42 倒数8
									小功率开关电源回复 \| 举报 \|

		58 mike237123885 mike237123885 离线 LV6 高级工程师积分：817 \| 主题：0 \| 帖子：49 访问空间发消息积分:817 LV6 高级工程师 2019-5-26 09:54:46 倒数7
		很好的帖子回复 \| 举报 \|

		59 skylinyk skylinyk 离线 LV2 本网技师积分：135 \| 主题：0 \| 帖子：9 访问空间发消息积分:135 LV2 本网技师 2020-5-11 16:48:19 倒数6
		很好的帖子，点个赞再说回复 \| 举报 \|

		61 geraldwolf geraldwolf 离线 LV1 本网技工积分：88 \| 主题：0 \| 帖子：14 访问空间发消息积分:88 LV1 本网技工 2020-12-26 11:32:04 倒数4
		太老的芯片，可以换了回复 \| 举报 \|

		62 yanghuang247 yanghuang247 离线 LV2 本网技师积分：151 \| 主题：0 \| 帖子：1 访问空间发消息积分:151 LV2 本网技师 2021-3-24 16:52:42 倒数3
		706打嗝+RC缓起拉COMP 回复 \| 举报 \|

			63 care123 care123 在线 LV6 高级工程师积分：600 \| 主题：5 \| 帖子：38 访问空间发消息积分:600 LV6 高级工程师 2021-11-1 11:03:45 倒数2
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		64 tomsonshen tomsonshen 离线 LV4 初级工程师积分：327 \| 主题：0 \| 帖子：17 访问空间发消息积分:327 LV4 初级工程师最新回复 2024-10-21 10:43:19 倒数1
		3843这种老款的IC，很多功能都不齐全，干嘛不用专用的正激IC来做，比如NCP1252，外围器件又简单，而且保护功能齐全。又很好调试，你的思维太古板了，回复 \| 举报 \|