1直流稳压电源的设计

一、直流稳压电源现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关稳压电源两大类。所谓线性稳压电源是指起电压调整功能的器件始终在线性放大区的支流稳压电源。将220V、50Hz的工频电压经过线性变压器降压以后，经过整流、滤波和稳压，输出一个直流电压。开关稳压电源简称开关电源（SwitchingPowerSupply）,它是指起电压调整作用的期间始终以开关方式工作的一种直流稳压电源。下面我们对两种稳压电源进行分析。线性稳压电源原理图如图2-1所示：工频电压器整流滤波电路基准放大器取样由50Hz工频变压器，整流器，滤波器，串联调整稳压器组成。开关稳压电源其输入，输出隔离的开关电源原理框图：直流输出交流输入EMI滤波器整流滤波变换电路高频变压器整流滤波控制驱动采样比较放大开关电源原理框图50HZ单相交流220V电压或三相交流220V/380V电压经EMI防电磁干扰电源滤波器，直接整流滤波，然后将滤波后的直流电压经变换为数十或数百千赫的高频方波和准方波电压，通过高频变压器并降压（或升压）后，再经高频整流，滤波电路，最后输出直流电压。通过采样，比较，放大或控制，驱动电路，控制变换器中功率开关管的占空比，便得到稳定的输出电压。两类电源的选择:线性稳压源的优点是：电源稳定度及负载稳定度较高；输出纹波电压小；瞬态响应速度快；线路结构简单，便于维修；没有开关干扰。缺点是：功耗大、效率低，其效率一般只有35~60%；体积大、质量重、不能微小型化；必须有较大容量的滤波电容。其中，交换效率低下是线性稳压电源的重要缺点，造成了资源的严重浪费。在这种背景下，开关稳压电源应运而生。任何电子设备均需直流电源来供给电路工作，特别是采用电网供电的电子产品，为了适应电网电压波动和电路的工作状态变化，更需要具备适应这种变化的直流稳压电源。但开关稳压电源的主要缺点是电路比较复杂。输出纹波电压较高，瞬态响应差，并且存在较为严重的开关干扰。当今，开关稳压电源的进一步推广应用的困难是它的制作技术难度大，维修麻烦和成本较高，这是需要解决的第一个问题。开关稳压电源的效率是与开关管的变换速度成正比的。开关稳压电源中采用了开关变压器，使之由一组输入，得到极性，大小各不相同的多组输出。要进一步提高效率，必须提高电源的工作频率。但是，当频率提高以后，对整个电路元器件的要求，有了进一步的提高。这是需要解决的第二个问题。工作在线性状态的稳压电源，具有稳压和滤波的双重作用，因而串联线性稳压电源不产生开关干扰，且纹波电压输出较小。但是，在开关稳压电源中的开关管工作在开关状态，其交变电压和输出电流会通过电路中的元器件产生较强的尖峰干扰和谐振干扰。这些干扰会进入市电电网，影响邻近的电子设备的正常工作。克服这一缺点，进一步提高它的使用范围，是要解决的第三个问题。根据比较，我们选择电源稳定度及负载稳定度较高；输出纹波电压小线性电源。直流电源是电子技术实验装置工作状态的保证和能源的提供者，但大多数固定电源允许输出电压±10％的范围内变化，这还不能满足有些实验电路的要求，于是我们设计了输出可调的或允许更大变化范围的电源。本电源的性能：具有一定的短路过载自动保护功能。精度高，连续可调。稳压电源一般由变压器、整流器、滤波器和稳压器四大部分组成，变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。2.1直流稳压电源的基本组成：直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成，各部分电路，各自完成自己的工作，将220V的交流电转换为稳定输出的直流电。基本原理框图如图2-1：直直流稳压电源的组成框图2.2.1电源变压器电源变压器的作用是将来自电网的220V交流电压U1变换为整流电路所需的交流电压U2。电源变压器的效率为：＝12PP其中：P2是变压器副边的功率，P1是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表１所示：表１小型变压器的效率副边功率P210VA10～30VA30～80VA80～200VA效率0.60.70.80.85因此，当算出了副边功率P2后，就可以根据上表算出原边功率P1。2.2整流电路：2.3滤波电路从上面的分析可以看出，整流电路输出波形中含有较多的纹波成分，与所要求的波形相去甚远。所以通常在整流电路后接滤波电路以滤去整流输出电压的纹波。滤波电路常有电容滤波，电感滤波和RC滤波等。电容滤波电路：图2-5上图分别是桥式整流电容滤波电路和它的部分波形。这里假设t0时，电容器C已经充电到交流电压V2的最大值（如波形图所示）。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压UI。UI与交流电压U2的有效值的关系为：UI=(1.1～1.2)U2在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：URM=2U2流过每只二极管的平均电流为：ID=IR/2=0.45U2/R其中：R为整流滤波电路的负载电阻，它为电容C提供放电通路，放电时常数RC应满足：RC2)5~3(T其中：T=200ms是50Hz交流电压的周期。2.2.2.2电感滤波电路电感滤波电路利用电感器两端的电流不能突变的特点，把电感器与负载串联起来，以达到使输出电流平滑的目的。从能量的观点看，当电源提供的电流增大（由电源电压增加引起）时,电感器L把能量存储起来；而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流平滑，所以电感L有平波作用。图2-7电感滤波电路优点：整流二极管的导电角大，峰值电流小，输出特性较平坦。缺点：存在铁心，笨重、体积大，易引起电磁干扰,一般只适应于低电压、大电流的场合。这里选择电容滤波电路。2.4稳压电路稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。由于输入电压U1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流压UI会随着变化。因此，为了维持输出电压UI稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。2.2.6稳压部分原理带有放大环节的稳压电源，就是在电路中增加一个直流放大器，把微弱的输出电压变化量先加以放大,再去控制调整管，从而提高对调整管的控制作用，使稳压电源的稳定性能得到改善。下图是带有放大环节的稳压电源电路图：直流电源电路图图中，BG1是调整管，BG2是比较放大管。输出电压变化量△Usc的一部分与基准电压Uw比较，并经BG2放大后进到了BG1的基极。Rc是BG2的集电极电阻，又是BG1的上偏置电阻。R1、R2是BG2的上、下偏置电阻，组成分压电路，把ΔUsc的一部分作为输出电压的取样，送给BG2的基极，因此又叫取样电路R2上的电压Ub2叫取样电压。DW和R3组成稳压电路，提供基准电压。从电路路中可以看出，当输出电压Usc下降的时候，通过R1、R2组成的分压电路的作用，BG2的基极电位Ub2也下降了。由于基准电压UW使BG2的发射极电位保持不变，Ubc2＝Ub2，UW随之减小。于是BG2集电极电流Ic：减小，Uc2增高，即BG1的基极电位Ub1增高，使Icl增加，管压降Uce1减小，从而导致输出电压Usc保持基本稳定。BG2的放大倍数越大，调整作用就越强，输出电压就越稳定。2.4稳压电源的性能指标及测试方法稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压（纹波系数）及温度系数。测试电路如图2-7所示：特性指标：输出电压与最大输出电流的测试测试电路如图2-7所示：图2-7一般情况下，稳压器正常工作时，其输出电流IO要小于最大输出电流Iomax,取IO=0.5A,可算出RL=18,工作时RL上消耗的功率为：PL=UOIO=30×0.5=15W故PL取额定功率为15W,阻值为18的电位器。测试时，先使RL=18，交流输入电压为220V，用数字电压表测量的电压值就是UO。然后慢慢调小RL，直到UO值下降5%，此时流经的电流就是Iomax，记下Iomax后，要马上调大RL的值，以减小稳压器的功率。最大输出电流：指稳压电源正常工作时能输出的最大电流，用Iomax表示。一般情况下的工作电流IoIomax.稳压电源内部应有保护电路，以防止IoIomax时损坏稳压器。质量指标：稳压系数的测量按图5所示连接电路，在U1=220V时，测出稳压电源的输出电压UO。然后调节自耦变压器使输入电压U1=242V，测出稳压电源对应的输出电压UO1；再调节自耦变压器使输入电压U1=198V，测出稳压电源的输出电压UO2。则稳压系数为：输出电阻的测量按图5所示连接电路，保持稳压电源的输入电压U1=220V，在不接负载RL时测出开路电压UO1，此时I01=0，然后接上负载RL，测出输出电压UO2和输出电流I02，则输出电阻为：纹波电压：叠加在输出电压上的交流电压分量。用示波器观测其峰峰值一般为毫伏量级。也可用交流毫伏表测量其有效值，但因纹波不是正弦波，所以有一定的误差。在实际的的电路设计中，稳压电路可使用集成稳压电路。三端集成稳压器：常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。常用可调式正压集成稳压器有CW317（LM317）系列，它们的输出电压从1.25V－37伏可调，最简的电路外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。其芯片内有过渡、过热和安全工作区保护，最大输出电流为1.5A。其典型电路如图5，其中电阻R1与电位器R2组成输出电压调节器，输出电压Uo的表达式为：Uo＝1.25（1＋R2/R1）式中R1一般取120－240欧姆，输出端与调整端的压差为稳压器的基准电压（典型值为1.25V）。图2-9可调式正压集成稳压器集成稳压器的输出电压Vo与稳压电源的输出电压相同。稳压器的最大允许电流Icm〈Iomax,输入的范围是Vomax+(Vi-Vo)minViVomin+(Vi-Vo)max集成直流稳压电源（输出0-30V可调）电路原理及元件选择：1)D1-D4构成整流电路，整流二极管选用IN4001，其极限参数为Vrm50V，If=1A。2)C1,C2构成滤波电路，取C1为4700UF，耐压值为50V。3)稳压管LM317，应适当接散热片。2脚，3脚接一二极管构成反馈，型号IN4001。4)RP1和R1构成电压调节电路，RP1选4.7K，R1选150欧，由Uo＝1.25（1＋R2/R1）能保证在0-30V可调。D5的的作用是防止输出端与地短路时，损坏稳压器。5)变压器由J1两端接入，选择输出30V。图2-10电路原理图电路原理图如图2-10所示：结论：1)当输入电压在220V±10%时，输出电压从0－30V可调，输出电流大于1A2)输出纹波电压小于5mV，稳压系数小于5×10-3，输出内阻小于0.1欧。