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隔离式开关电源毕业论文
毕业论文之隔离式开关电源
序言
可以说,有电器的地方就有电源。
所有的电子设备都离不开可靠的电源为其供电。
随着大规模和超大规模集成电路的快速发展,特别是微处理器和半导体存储器的开发利用,孕育了电子系统的新一代产品。
显然,那种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时。
取而代之的是隔离式开关型稳压电源,它的优越性表现在:
小型化、重量轻、体积小、功耗小、稳压范围宽、安全可靠、效率高。
隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。
它可以使交流电源高效率地产生一路或多路经调整的稳定直流电压。
在电子技术不断发展的今天,直流稳压电源的应用领域非常广泛。
大多数电子设备的直流供电方法都是将交流电源经过整流、滤波、变压、稳压等变换为所需的直流电压,也就是说,它可以为各种电路器件提供符合一定技术指标的直流电源。
由于开关电源体积小、重量轻、变换效率高。
因此,广泛应用于计算机、通信设备、控制装置及家用电器等电子设备中.电源是电子设备的核心,其质量的好坏直接影响整个电子设备的可靠性,电子设备的故障60%来自电源。
目前,各国正在努力开发新器件、新材料。
进一步提高效率、缩小体积、降低价格,以解决开关电源面临的新课题,即环境适配性,包括噪声与谐波等的电磁适配性,同人类之间的安全适配性等。
开关电源主要分为交流/直流(AC/DC)与直流/直流(DC/DC)两大类。
无论是AC/DC还是DC/DC变换器都是朝着模块化方向发展,其特点是:
可用模块电源组成分布式电源系统;可以设计成N+1冗余电源系统,从而提高可靠性;可以做成插入式,实现热更换,从而在运行中出现故障时,可以高速更换块件,无需技术熟练工人;还可以在电源系统建成后,根据发展需要不断扩充容量;多台模块并联可以实现大功率电源系统等。
第1章隔离式开关电源简介
本章对隔离式开关电源的基本知识进行了介绍。
主要内容包括:
隔离式开关电源的产生与发展方向、开关电源的技术指标以及开关电源的基本类型。
1.1隔离式开关电源的产生与发展方向
可以说,有电器的地方就有电源。
所有的电子设备都离不开可靠的电源为其供电。
随着大规模和超大规模集成电路的快速发展,特别是微处理器和半导体存储器的开发利用,孕育了电子系统的新一代产品。
显然,那种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时。
取而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源。
隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。
它使交流电源高效率地产生一路或多路经调整的稳定直流电压。
在电子技术特别是计算机技术发展的今天,直流稳压电源的应用领域非常广泛,它是各种电子设备所不可缺少的重要组成部分。
稳压电源就像人体的心脏,它在电子设备中能不断的为各种电路器件提供符合一定技术指标的直流电源。
开关电源体积小、重量轻、变换效率高。
因此,广泛应用于计算机、通信设备、控制装置及家用电器等电子设备中。
目前,各国正在努力开发新器件、新材料以及改进装连方法,进一步提高效率、缩小体积、降低价格,以解决开关电源面临的新课题,即环境适配性,包括噪声与谐波等的电磁适配性,同人类之间的安全适配性等。
开关电源主要分为交流/直流(AC/DC)与直流/直流(DC/DC)两大类。
无论是AC/DC还是DC/DC变换器都是朝着模块化方向发展,其特点是:
可用模块电源组成分布式电源系统;可以设计成N+1冗余电源系统,从而提高可靠性;可以做成插入式,实现热更换,从而在运行中出现故障时,可以高速更换块件,无需技术熟练工人;还可以在电源系统建成后,根据发展需要不断扩充容量;多台模块并联可以实现大功率电源系统等。
隔离式开关电源发展方向:
1)输入电压通用
2)要求附加备用电池
3)扩大电压输出范围
4)提高输入侧功率因子
5)普遍要求安全,具有过压保护功能以及抗电磁干扰等
6)分布式结构增多,高频化和高频功率密度化,高可靠性以及低噪声
1.2隔离式开关电源的技术指标
作为电子设备电源的要求是轻、薄、小和省电,而开关电源具有这些特点。
因此,它在电子设备中应用越来越广泛,但电源的要求随电子设备不同而异,都有不同的技术指标。
作为开关电源的技术指标有通用事项,包括电源名称,适用规格等。
首先是安全规格,有关开关电源各国都有相应的安全规格,例如:
国际规格为IEC950、IEC65;亚洲为电器用品管理法(日本);欧洲统一规格为EN60-950、EN60065等。
有关EMI的规格:
日本为VCC11类、2类;美国为FC-CP15JA类,B类;德国为VDE0871A类、B类;国际上为CISPRPUB11、PUB12。
电器技术指标还有输入与输出条件、附属功能等。
机械结构为外形、安装和冷却条件等。
环境条件有温度、湿度、振动和冲击等。
其它条件有噪声规定、可靠性等。
1、输入技术指标
作为开关电源的技术指标有输入电源相数、额定输入电压及电压的变化范围、频率、额定输入电流等。
输入电源一般为单相2线制和单相3线制,还有单相3线制和3相4线制等。
输入电源的额定电压因各国或地区不同而异,我国为220V及380V,输入电压的变化范围一般为±10%,加上配线路径及各国的具体情况,输入电压的变化范围多为-15%--+10%。
工作频率为50HZ或60HZ,在频率变化范围不影响开关电源的特性时多半为48HZ─63HZ。
开关电源最大输入电流是表示输入电压为下限值时,输出电压及电流为上限值时的输入电流。
额定输入电流是在输入电压及输出电压、电流为额定值时的电流。
开关电源的输入平波方式是电容输入方式,有较大的峰值电流,要考虑电流的波峰系数以及功率因子的规定。
电压瞬时跌落或瞬时断电时,在额定输出电压与电流条件下规定的输入电压是额定输入电压。
瞬时断电有10ms与20ms,若使用时按规定瞬时断电,多数情况下不会有问题。
在输入的下限,输出保持时间变得很短,但100%输出时,在较低额定输入条件下,使用上问题也不大。
在规定的时间间隔内对输入电压进行通断时,输出电流达到稳定状态之前流经的最大瞬时电流为冲击电流。
对于开关电源是输入电源接同时与其后输出电压上升时流经的电流,这由输入开关的承受能力所限,峰值一般为30A-50A。
一般情况下,当输入电源跌落与瞬时断电时,防止冲击电流的功能不能动作。
另外,用热敏电阻只能防止冷激活时的冲击电流,由于每隔几十秒通断时防止功能不能动作,因此,也要规定通断的重复时间。
效率是指输入输出为额定值时,其输出功率与输入有效功率随之比值。
效率随输出电压、电流与输出电路及开关方式不同而异,多为70%-80%。
并随输入与输出的条件而变化。
因此,要注意电子设备的散热条件等。
2、输出技术指标
输出端的直流电压的公称值称为额定输出电压,对于其公称电压规定有精度与纹波系数等。
额定输出电流是指输出端供给负载的最大平均电流。
根据电子设备的不同,多数输出电源中某路输出电流增大,另路输出电流就得减小,保持总的输出电流不变。
市售的开关电源产品为其使用通用性,多是在初级侧允许功率范围以内增大次级侧各路输出功率。
稳压精度也称为输出电压精度或电压调整率,输出电压变动有多种原因,例如:
1、静态输入电压的变动
2、静态负载的变动
3、初始特性的变动
4、经时特性的变动
5、环境温度的变动
6、动态输入电压的变动
7、动态负载的变动。
输出电压可调范围是指在保证电压稳定的精度条件下,由外部可能调整的输出电压范围,一般为±5%或±10%。
条件是输入电压的下限时输出电压的最大值,以及输入电压的上限值时输出电压的最小值。
若由电子设备的结构决定负载电流时,输出电流的变动范围则是电流变动较小的负载、感性负载等冲击电流较大的脉冲负载的电流变动范围。
纹波是与输出端呈现的输入频率及开关变换频率同步的分量,用峰—峰值表示,一般为输出电压的0.5%以内。
噪声是输出端呈现的除纹波以外频率的分量,也用峰—峰值表示,一般为输出电压的1%,也包括与纹波没有明确区分的部分,规定是纹波与噪声总合值,多数场合是规定纹波噪声综合的情况,为输出电压的2%以内。
1.3隔离式开关电源的基本类型
DC/DC变换器的基本类型如表1-1所示:
变换方式
输入输出
控制方式
回扫方式
隔离
正向激励方式
推挽方式
多管式
半桥式
全桥式
RCC方式
(振铃轭流变换方式)
单管式
自励式
Royer方式
多管式
表1-1隔离式开关电源的分类
第2章隔离式开关电源的系统设计
本章主要讨论开关电源的系统设计。
主要内容包括:
开关电源的系统框图,工作原理,开关电源PWM脉冲集成控制器IC的内部结构和工作时序,显示器开关电源各模块电路动作分析。
2.1隔离式开关电源的系统框架
本次设计系统为显示器隔离式开关电源,它有以下一些特点:
此类开关电源有六路输出电压:
63.5V、44V、10V、6.5V、9.8V、-8.5V。
标称输出功率为70W。
主变换电路为MOSFETS单管它励变换电路。
驱动及控制电路采用PWM脉冲集成控制器芯片UC3842实现。
此外系统还设置有主开关电路过流保护和过压保护。
其系统框图如下图2—1所示:
本次设计的隔离式开关电源由以上各部分环节组成。
220V交流电经过浪涌电流限制及输入滤波电路、桥式整流、平滑滤波后加到主变换开关电路。
在驱动电路的作用下,主变换电路的开关反复的通断,通过变压器的耦合作用将能量从初级向次级传递,次级的感应电流经过高频整流及滤波和稳压后输出。
为了得到稳定的输出,本次设计从输出端引入了反馈环节,构成死循环控制。
从输出端电压取样经光电耦合器件将反馈信号输入误差放大器,其输出经电流检测比较器比较后输出,控制PWM调制器输出脉冲的占空比,去驱动开关管。
其中PWM调制器、电流检测比较器、误差放大器集成在PWM控制器UC3842中。
另外,电流取样电路能够限制流过开关的电流。
过压保护电路能够对输出电压进行过压保护。
隔离式开关电源原理图如下图2-2所示:
SMPS(SwitchingModePowerSupply)是通过控制开关时间来控制变压器初级向次级传输能量的多少,实现输出端电压和电流大小的调节和控制。
220V电压经过整流和滤波后,一路到控制电路提供UC3842的工作电压;一路到主变换电路。
UC3842正常工作后输出的脉冲控制MOSFETS管的通断,变压器的原边流过脉动电流,在变压器的各组副边感应出同频率的脉冲电压,此脉冲电压经过半波整流,平滑滤波后输出各组稳压直流,提供给显示器的各部分电路。
此外,从开关管引入到UC3842的反馈起限流作用,从输出稳压直流引人的反馈起稳压保护作用。
2.2隔离式开关电源的模块介绍
2.2.1作为开关使用的功率MOSFET管
1.基本的MOSFET管定义
尽管场效应管(FET)在各种电路中已经应用多年,但是金属-氧化物的半导体场效应管(MOSFETS)未被广泛地应用到电源设计中。
MOSFET管的性能远远超过开关电源对器件的要求,它的工作频率超过20kHz,可以达到100kHz到200kHz,完全超过了双极晶体管工作频率的限制。
它有几个适用于设计电源变换器的优点,如其工作频率可以达到100kHz以上,更重要的是它减少了体积和重量。
功率MOSFET管向电路设计者提供了一种高速、大功率、高耐压的器件,不同的生产厂家利用不同的技术制造出多种功率FET,例如HEXFET、VMOS、TMOS等等类似的产品。
所有的MOSFET器件的基本工作原理都相同,只是有的厂家采用了不同的技术,增加一些特殊性能,使得其产品更具吸引力。
2.MOSFET管栅极驱动的考虑
MOSFET管是多数载流子运动的半导体器件,MOSFET管是单极型的电压控制器件。
为了在D极获得一个较大的电流,在MOSFET管的G极和S极间必须加一个受控的电压。
因为MOSFET的栅极与源极在电气上是靠硅氧化层相互隔离的,管子加电后只有很少的一点漏电流从所加电源端流入到栅极。
因此,我们可以说MOSFET管具有极高的增益和阻抗。
为了驱动MOSFET管导通,需要在栅极和源极间加入电压脉冲,用它产生有效的充电电流,在设计的时间内,给输入电容充电。
MOSFET管的输入电容Ciss是几个电容的总合,其中包括由金属氧化物栅极结构形成的电容,从栅极到漏极和从栅极到源极的电容等。
为了提高MOSFET管的开关速度,驱动电压源的阻抗Rg必须非常低。
为了使MOSFET管截止,不需要像驱动双极晶体管那样,对驱动源进行精心地设计。
因为MOSFET管是多数载流子运动的半导体器件,只要把加在栅极-源极间的电压撤消,它马上就会截止。
当栅极电压撤消,MOSFET管关闭时,在漏极和源极间,就会出现很高的阻抗,从而抑制了电流的流动,只有几毫安的漏电流存在。
当漏极-源极电压达到雪崩电压时,漏电流呈直线增长,而其栅极-源极电压仍保持在0V。
3.MOSFET管的静态工作特性
功率MOSFET管的漏极-源极工作特性曲线如图2-3所示.
由上图2-3可知MOSSFET输出特性曲线显示出两个不同的工作区,主要是恒定电流区和恒定电阻区.当漏极-源极电压增加时,漏极电流也成比例地增加,一直到“夹断电压”为止,这个区域称为恒定电阻区;在“夹断电压”之后,当漏极-源极电压再增加时,就会产生恒定的漏极电流,即进入恒定电流区。
当功率MOSFET管用作开关时,漏极和源极间的电压降与漏极电流成正比.换言之,功率MOSFET管工作在恒定电阻区。
因此,它实际上是像电阻一样起作用。
所以,功率MOSFET管的漏极-源极间的导通电阻RDson就成为一个十分重要的参数,它与双极晶体管的集电极发射极间的饱和压降的重要性一样。
通过图2-3可以看到,当栅极对源极加入电压VGS时,漏极电流无明显的增加。
事实上,当VGS达到门限电压时(一般是2-4V),漏极电流ID开始流动,当VGS超过门限电压之后,漏极电流和栅极电压的比值呈线性增长。
这样,漏极电流对栅极电压的变化率(称为gfs),在漏极电流较大时,实际是个常数。
图2-4说明了ID与VGS的传导特性,而图2-5表示的是跨导gfs与漏极电流的关系。
从图2-5可见,跨导的上升导致了MOSFET管的增益呈正比例提高,即导致漏极电流的增大,但不幸的是这种条件的变化又增大了输入电容。
因此,为了提高MOSFET管的开关速度,一定要认真地设计栅极驱动电路,保证有足够的电流对输入电容充电。
4.MOSFET管的安全工作区(SOA)
MOSFET管可以提供非常稳定的SOA,因为在正向偏置时,它不受二次击穿的影响。
因此,无论是直流还是脉冲,它的SOA曲线特性都比双极晶体管性能要好。
事实上,用功率MOSFET管作为开关使用,在额定的电压下,驱动额定的电流,不要吸收回路是完全可能的。
当然,在实际设计电路时,还应该适当降低额定值。
图2-6表示典型MOSFET的等值双极晶体管的SOA曲线。
为了方便于比较它们的SOA能力,把它们重迭画在一起。
在MOSFET中,不存在反向偏置的二次击穿问题。
因为双极晶体管的反向偏置工作情况不适于MOSFET。
如果要使MOSFET关断只要使栅极电压降到0V就可以了。
5.驱动功率MOSFET管电路的设计
设计MOSFET管驱动电路应注意的问题
使用功率MOSFET管进行电路设计所达到的性能远比使用双极晶体管要好得多。
这是由MOSFET管本身的众多特点所决定的,特别是器件工作在高频状态下(可达100kHz以上),双极晶体管是无法比拟的,图2-7表示的是典型的MOSFET管驱动电阻负载电路,它工作在共源极电路方式。
设计MOSFET管的电路有两个最基本的规则应当遵守,它可以防止在高频工作时产生振荡。
第一,应尽量减少与MOSFET管各管脚连接的联机长度,特别是栅极引线的长度。
如果实在无法减少其长度,可以用现磁环或者一个小电阻R1与MOSFET管串连起来,如图2-7所示。
使用这两个组件尽量靠近管子的栅极,它们可以消除寄生振荡。
第二,由于MOSFET管具有极高的输入阻抗,为了避免电路的正反馈引起的振荡,驱动源的阻抗必须很低,应当注意的是,当MOSFET管的直流输入阻抗很高时,它的动态阻抗或者称交流输入阻抗就会随着频率而改变。
因此,MOSFET管的上升时间和下降时间取决于驱动源的阻抗。
上升时间或者下降时间的近似值由下列计算:
tr=tf=2.2Rg*Ciss(2-1)
式中,tr:
MOSFET管的上升时间,s;
tf:
MOSFET管的下降时间,s;
Rg:
驱动源的阻抗,;
Ciss:
MOSFET管的输入电容,F.。
公式2-1成立的先决条件是负载电阻Rl>>Rg,并且假定MOSFET管没有储存时间和延迟时间,这样,就允许上升时间和下降时间由设计者按公式2-1设置。
图2-7中的电阻R2是关断MOSFET管的加速电阻。
另外,需注意的是,MOSFET管的栅极与源极间的硅氧化层比较容易被击穿。
如果两级间所加的电压超过了厂家给定的参数值,就会使管子造成永久性的损坏。
实际上,栅极电压的最大值一般是20V到30V。
即使所加的栅极电压低于最大允许值,也要对电路进行深入的研究,确保没有杂散电容引起的尖峰脉冲信号存在,因为尖峰信号也完全可能把MOSFET的氧化层破坏。
6.功率MOSFET管的开关保护电路
前边在介绍MOSFET安全工作区时曾经提到,MOSFET管工作在最大功率时,也无需吸收回路。
但在实践中,为了使MOSFET管更安全有效地工作,一般情况下,还是要在MOSFET管上跨接RC吸收回路。
其原因有两方面:
第一,RC吸收回路改变了MOSFET管的负载曲线,增加了它达到最大功率时的可靠性。
第二,吸收回路消耗掉了多余的关断MOSFET管的能量,否则,这部分能量要由MOSFET管开关消耗。
这样,在不影响整个开关效率的情况下,可以使MOSFET管的体积尽量小型化。
在使用功率MOSFET管,跨接在晶体管开关两端的漏电感阻尼二极管就不需要了。
这是因为MOSFET管的结构特殊,它有一个主体漏极PN结与信道并联。
图2-8所示的是用作开关的MOSFET管,它带有主体漏极二极管,还有一个RC吸收回路。
2.2.2PWM集成控制器芯片介绍
本次设计使用的PWM脉冲集成控制芯片为UC3842,它是单端输出电路,它是一种高性能的固定频率电流型控制电路,能很好地应用在隔离式单端开关电源的设计以及直流——直流电源变换器设计之中,它最大的优点是外接组件少、外电路装配简单、成本低廉。
它的内部电路包括如下主要性能:
1.具有自动反馈正向补偿功能;
2.采用电流型操作,并可在500kHz高频下工作;
3.可调整的充放电振荡电路,可精确地控制占空比;
4.带锁定的PWM,可以进行逐个脉冲的电流限制;
5.具有内部可调整的参考电源,可以进行欠压锁定;
6.采用图腾柱输出电路,提供大电流输出,输出电流可达1A;
7.工作电流低,且能进行低电流激活;
8.可直接对双极晶体管和MOSFET管进行驱动;
9.具有滞后的欠压封锁;
10.低启动和工作电流;
由于它只有一个输出端,所以它主要用于单端控制的开关稳压源。
下面详细介绍UC3842系列电路的工作原理。
UC3842内部结构图如2-9所示:
UC3842的7脚为电压输入端,其激活电压范围为15—18V。
UC3842激活电压阀值为16V。
如果Vcc<16V,输入电压施密特比较器输出为0,此时无基准电压产生,电路不工作;当Vcc>16V时,输入电压施密特比较器送出高电平到5V基准稳压器,产生5V基准电压,此电压一方面供内部电路工作;另一方面通过8脚向外部提供参考电压。
一旦施密特比较器翻转为高电平,Vcc可以在10—20V范围内变化而不影响电路的工作状态。
UC3842关闭阀值为10V。
当Vcc低于10V时施密特比较器又翻转为低电平,电路停止工作。
6V的激活与关闭差值可有效地防止电路在阀值电压附近工作时产生振荡。
利用输入端设置的34V稳压管有效防止高压造成的损坏。
当基准稳压器有5V基准稳压输出时,基准稳压检测逻辑比较器送出高电平信号到输出电路。
同时振荡器将根据4脚外接R,C的参数产生f=1.72/RC的振荡信号,此信号一路加到图腾柱式电路的输入端;另一路加到PWM脉宽调制器RS触发器的置位端,RS型PWM脉冲调制器的R端接电流检测比较器输出端。
R端为占空比调节控制端。
当R电压上升时,
端脉冲加宽,同时6脚送出脉冲也加宽;当电压下降时,
端脉冲变窄,同时6脚送出脉冲也变窄。
2脚一般接输出电压取样信号,也称反馈信号。
当2脚电压上升时,1脚电压将下降,R端电压亦随之下降,于是6脚脉冲变窄;反之,当2脚电压下降时,1脚电压将上升,R端电压亦随之上升,于是6脚脉冲变宽。
3脚为电流传感端,通常在功率管的源极串入一小阻值为取样电阻,将流过开关管的电流转换为电压,并将此电压引入3脚。
当负载短路或其它原因引起功率管电流增加,并使取样电阻上的电压等于或超过1V时,6脚就停止脉冲输出,这样就可有效地保护功率管不受损坏。
PWM锁存器的作用是保证每一个振荡周期仅出现一个控制脉冲,有效地防止了噪声干扰;输出级为图腾柱式,输出平均电流为200MA,最大电流可达1A。
图2-10给出了UC3842的工作原理图:
观察图2-10中可知,它有两个控制死循环回路,一个是输出电压V0反馈回误差放大器,用于同基准电压Vref比较之后产生误差电压;另一个是变压器初级电感中的电流在电阻Rs产生的电压,与误差电压进行比较后产生调制脉冲信号。
当然,这些均在时钟所设定频率下工作。
由于误差信号实际控制着峰值电感电流,故称之为电流型脉冲宽度调制器,这种电路有如下特点:
1)、较好的线性调整率(电压调整率)能达到0.01%V,这是因为输入电压Vi的变化立即反映为电感电流的变化,它不经过任何误差放大器就能在比较器中改变输出脉冲宽度。
在实际应用中,再增加一级输出电压V0至误差放大器的控制,能使线性调整率更好。
2)、可明显地改善负载调整率。
因为误差放大器可专门用于控制由于负载变化造成的输出电压变化,特别是当轻负载时电压升高的幅度大大减小,从1/3负载至满载,负载调整率降至8%,2/3负载至满载调整率降至3%以下。
3)、误差放大器的外电路补偿网络得到简化,稳定度提高并改善了频向,具有更大的增益带宽乘积。
由于电感电流是连续的,所以电阻RS上检测出的峰值电流代表平均电流。
整个电路可看作一个误差电压控制电流源,变换器(误差放大器)的幅频特性由双机点变成高机点。
因此,改善了系统的频响。
4)、电流限制电路得到简化。
由于电阻RS上感应出尖峰电感电流,故能自然形成逐个脉冲限制电路,只要RS上电平达到1V,PWM就立即关闭,而且这种峰值电感电流感应检测技术可以灵敏地限制输出的最大电流。
5)、UC3842PWM控制器设有欠压锁定电路,其开启阀值设在16V,关闭阀值设在10V。
在输入电压Vi小于16V时,整个电路的电流消耗仅1mA,这样,高压可直接由输入电阻Rin降压后为芯片供电,而由输入电容Cin储能推动输出建立电压。
自馈电之后,整个电路的电流消耗达15mA.由于激活阀值电压和关闭阀值电压的差值尽为6V,故可以有效地防止电路在阀值电压附近工作时的振荡.由于激活电流小于1mA,所以Rin上的功耗很小。
UC3842的内部电源输入端设置一个34V的齐纳二极管,保证其内部电路绝对在34V以下工作,防止高压可能带来的损坏。
5V的基准电压源从脚8引出,最大可供出50mA电流,5V的基准电压再降至2.5V为误差放大器同相输入端提供基准电压,5V的基准电压还同时作为内部电路的电源。
6)、UC3842的振荡器工作频率f由下式进行设定:
f=1.72/(RT*CT)
另外,该电路允许
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