电子系统概论-第三讲-直流电源设计111版

第三讲DC/DC直流电源设计高明煜常用的直流稳压电源有两种：线性直流稳压电源高压差稳压电源低压差稳压电源（LDO）非线性直流稳压电源(又称开关电源)DC/DC开关电源AC/DC开关电源线性电源的主要特点可归纳为：1．主要优点：①输出纹波电压小。②电路结构简单，成本低。③工作可靠性较高。④无高频开关噪声。⑤电源稳定度较高。⑥瞬态响应速度较快。2．主要缺点：①转换效率低，一般只有40~50%左右。②体积大，重量重，不便于微型化。③输入电压动态范围小，线性调整率低。④电容滤波效率低，必须具有较大的输入和输出滤波电容。⑤输出电压不能高于输入电压。开关电源的特点可归纳为：1．主要优点：①内部功率损耗小，转换效率高。②体积小，重量轻，便于使产品微型化。③输入电压范围宽，线性调整率高。④开关频率高，滤波电容的容量和体积大大减小。⑤电源形式灵活多样，选择余地大。如既可降压，也可升压或极性反转。2．主要缺点①输出电压纹波大。②电路结构相对复杂，抗输入端浪涌电压的能力相对较差。③存在较严重的开关噪声和EMI干扰，对电网的电磁污染大。④电路元件多，相比线性电源成本要高一些。直流电源主要电气指标①额定输入电压和电压变动范围直流稳压电源的额定输入电压为电网电压，如AC220V，其变动范围多为-15%~+10%。如直流电源为开关稳压电源则输入电压的允许变动范围将很宽，输入电压的下限往往可做到AC100V以下。②输入电流开关电源的最大输入电流发生于输入电压的下限和输出电压电流的上限，而额定输入电流是指输入电压和输出电压电流在额定条件下的电流值。③效率在额定输入和输出条件下的输出功率与输入有效功率之比。④额定输出电压额定输出电压是指出现于直流电源输出端子间的直流电压的标称值。⑤额定输出电流额定输出电流是指直流电源输出端子能长时间连续供给负载的最大电流。⑥稳压精度也称输出电压精度或电压调整率，是指出现改变输出电压的因素时，输出电压的变化量或变化量与额定输出电压之比，变化量越小，稳压精度越高。⑦纹波噪声纹波是出现在直流电源输出端子间的一种与输入频率和开关频率同步的交流分量，用峰-峰值表示，一般在输出电压的0.5%以下。噪声是出现在直流电源输出端子间的纹波以外的一种高频噪声成分，同纹波一样，也是用峰-峰值表示，一般在输出电压的1%左右。实际直流电源的纹波噪声指标取两者的合成值，约为输出电压的2%以下。对于直流电源纹波噪声越小越好。⑧负载效应仅由于负载的骤变而引起的直流电压稳定输出量变化的效应。实际考核时负载从0%瞬时加到100%，或者从100%瞬时加到0%时，输出电压的变化量与额定输出电压之比，输出变化量越小，表示直流电源的稳压精度越高。⑨源效应仅由于输入电压的骤变而引起的直流电压稳定输出量变化的效应。实际考核时输入电压从额定值的-15%瞬时加到+10%，或者从-15%瞬时加到+10%时，输出电压的变化量与额定输出电压之比。⑩保护功能实际使用的直流电源往往具有多种保护功能，如过流保护、短路保护、过压保护、欠压保护、过温保护等。2、其它类指标①温度直流电源内部有很多发热器件，因此其使用温度范围有严格的具体规定，直流电源的使用温度标准一般都规定在-5℃~50℃。②湿度同温度一样，湿度范围通常规定为20%~85%。③电磁兼容性开关型直流电源工作时会产生大量的射频干扰，对电网及其他附近的家电及办公设备，如个人计算机、电视机等都会产生影响，因此直流电源产品都必须满足各种国家和国际有关EMC标准。④可靠性可靠性一般用无故障工作时间（MTBF）表示，电源产品的MTBF通常要求在10万小时以上。一、线性直流电源线性稳压电源主要有工频变压器、整流滤波电路、基准源电路、比较放大器、电压调整晶体管、取样反馈控制电路等组成。其原理框图如下图所示。工频变压器整流滤波电路基准源电路比较放大器取样反馈控制电路RLVTU220V/50Hz线性稳压电源结构图1、稳压二极管参数：a、稳压电压b、额定功率c、稳定电流范围LZOUTINIIUUR1Iz取稳压管最大工作电流的中间值常用的稳压管有：Onsemi公司，ST公司,NXP公司1N系列，如：1N53333.3V5W,1N53385.1V5WBZX系列，如：BZX84B5V65.60.25W常用功率有:1/4W,1/2W,1W,2W,3W,5W2、三端稳压器78系列，最大输入电压35V，输出电流1A，输出电压误差5%常用型号有:7805，7806，7808，7809，7812，7815，7818，7824（40V)78M系列，最大输入电压35V,输出电流500mA,78L系列，最大输入电压32V,输出电流100mA,78系列三端稳压器要求输入与输出间压差在3V以上，否则输出电压不能稳定。与78系列为正极性稳压器与之对应的有负极性稳压器79系列，输出电流1A。如：7905(-5V),7909（-9V）,7912(-12V),79L05(-5V,100mA)等78、79系列内部具有过流、过温等保护功能，可靠性高，价格低；但最致命的缺点是：所需输入与输出间压差大，即功耗大，效率低。T1AC1AC2+V78xx79xx-VC5C10C4C3C9C8C2C7C1C6D1D2D4D378、79系列应用电路3、输出电压可调三端稳压器常用三端可调稳压器有：LM317)1(25.125.111RRVRRRVVVVWOUTWWOUTBBOUT调节RW大小，即可方便的改变输出电压。最大输入电压40V，最大输出电流1.5A，最大输出电压32V,最小输出1.25V，电压调节范围：1.25V~32V/1.5A。R1RWRLLM317UB输入输出C1C2C34、低压差稳压器（LDO）78、79系列稳压器价格低，但缺点是入出间所需压差大，从而引起芯片自身功耗大、温升高、需要散热器，电源整体效率低。尤其对电池供电产品非常不利。LDO内部结构图生产:TI公司、ONSEMI、MAXIM、NATIONAL，ST等R1R2UoutUinAZVT如TI产品：A、750系列，TL750L052.55元/每片输出稳压值5V,最大输出电流150mA,最大输入26V,精度4%。典型压差电压VIN-VOUT=0.2V-0.6V,最大压差0.6V该系列还有:TL750L08,750L10,750L12B、TPS73505V/500mA12.5元/每片输出稳压值5V,最大输出电流500mA,最大输入10V,精度2%。I0=10mA，5mV压差I0=100mA，50mV压差I0=500mA，270mV压差（1）.NCP1117系列该稳压器为ONSEMI公司产品，该芯片的主要特点有：最大输出电流1A最大输入电压20V固定电压输出有1.5V、1.8V、1.9V、2.0V、2.5V、2.85V、3.3V、5V、12V，也能可调输出输出电流0.8A时的压差为1.2V输出稳压精度±1%内部集成了过温、过流等保护功能+R1++++InputOutput2310uF10uF1NCP1117XTXXNCP1117XTAR2Cadj321OutputInputCinVrefIadjCout（A）（B）固定输出接法如图（A）所示，可调输出接法如图（B）所示。调节电阻R1的大小，可改变稳压器的输出电压值，其计算公式如下：221(1)OUTrefadjRUUIRR这里Uref为1.25V，Iadj取3-5mA。（2）．TPS73XX系列该稳压器为TI公司产品，该芯片的主要特点有：最大输出电流500mA最大输入电压10V固定输出电压为3V、3.3V、4.85V、5V，也能实现可调输出输出稳压精度±2%内部集成了过温、过流等多种保护功能压差随输出电流大小变化，比如IO=10mA时，5mV压差；IO=100mA时，50mV压差；而IO=500mA，270mV压差。芯片还具有使能控制端+TPS73xxPW+INININEN8910612313141520RESETSENSEOUTOUTGNDToSystemReset250KΩ10uFCSR=1ΩCoVoVITPS7301INENRESETOUTGND+10uFCSR=1ΩVo0.1uFVIR1R2250KΩToSystemResetFB2.7V0.5V12(1)OUTrefRUUR12(1)OrefURRU图（A）为固定输出接法，（B）为可调输出接法。使能端/EN接低电平时，稳压器有电压输出。稳压器的输出电压和电阻R1可按下面的公式计算：（A）这里Uref为1.182V,R2推荐值为169KΩ。（B）（3）MAXIM产品：MAX85565、精密基准电压源基准电压源通常是指在电路中用作电压基准的高稳定度的电压源。在电路设计时，对于A/D转换器，D/A转换器等器件通常需要使用精密而又稳定的电压基准，即要求基准参考电压不仅稳定、误差小，而且要求芯片的温度系数和时漂也要求小，只有这样才能保证有较高的电压转换精度。常用电压基准芯片一览表型号输出电压（V）温度系数(ppmv/℃)静态电流精度（±%）输出电流（mA）LM285-1.21.235208uA1.5%20LM285-2.52.5MC14032.5101.25mA1.0%10mAMC1404u55.0MC1404u66.25MC1404u1010.0AD5802.5101.5mA0.4%10mAMAX8732.57~20300uA0.1%10mAMAX87557~20300uA0.06％MAX87610.07~20300uA0.05％TL431输出电压可编程50-2%100mATL431A1%TL431B0.5%RLKUoutUinARR3R1R21122(1)2.5(1)OUTrefRRUURRTL431是三端可编程并联调整二极管，可以如同低温度系数的齐纳管一样运行，而且通过2个外部电阻可从Vref（2.5V）编程至36V输出，已广泛应用于各种电子线路中。TL431的应用电路如上图所示，其输出电压为：二、DC/DC稳压电源直流开关电源是指以高频开关方式获取稳定直流输出的电源，其特点是效率高（一般100W以下效率超过85%，中大功率电源效率超过90%）、体积小，现已广泛应用在家电、IT产品、仪器仪表等各个领域。随着诸如软开关、功率因数校正等电源技术的进步以及诸多新型半导体功率器件的问世，DC/DC电源产品也在不断的快速发展，它的发展趋势是高频化、高可靠、低功耗、低噪声、抗干扰和模块化。DC/DC开关电源根据实现的功能可分为降压型、升压型和极性反转型。开关稳压电源通常有功率开关管VT、脉宽调制(PWM)控制与驱动器、LC滤波电路、取样反馈控制电路等组成。其原理框图如上图所示。220V/50HZ整流滤波电路PWM控制与驱动电路输出滤波取样反馈控制电路R1R2RLUoUiVTAC/DC直流开关电源结构：1、直流降压斩波电路（BUCK）：通过开关方式，把一种电压等级较高的直流电变换成一种电压等级较低的直流电，主要采用Buck电路，它的输出电压可由下式计算：S1D1L1C1EUoTonToffT0ontUEET式中α为占空比，ton为开关管导通时间，T为开关周期，E为输入端电源电压，由上式可知，通过控制开关管的导通时间ton，可方便的改变输出电压大小。开关管可由专用PWM集成电路（如TL494）控制，也可用单片机、DSP、CPLD等器件完成控制。在大多数小功率直流电源应用场合，可用DC/DC专用集成电路完成降压功能。常用的降压芯片有：NCP1522、MC34063、LM2575、LM2576等。下面先介绍常用的美国国家半导体公司（NATIONAL）生产的LM2576降压集成电路，该芯片的主要特点有：最大输出电流3A最大输入电压40V，高压版为60V输出电压可固定在3.3V、5V、12V、15V，也能可调输出开关频率内置52kHz稳压精度±4%仅需4个外部元件芯片具有使能控制端内部集成了过温、过流等保护功能+++55VU