电源电路设计

1第三章单元电路训练内容提要本章介绍了电子设计用到的基本单元电路设计与制作，内容包含有集成直流稳压电源电路、信号放大电路、信号产生电路、信号处理电路、声音报警电路、传感器及其应用电路、功率驱动电路、显示电路、A/D与D/A电路。知识要点：直流稳压电源，信号放大、产生与信号，报警，传感器，功率驱动，显示，A/D与D/A。根据实验条件，每一节完成2～3电路的实际设计制作，要求完成电原理图、印制板图、装配图、实际制作、电路调试、设计总结报告。其余电路可以通过实验设备与电子仿真设计软件（Multisim等）的结合来完成。显示电路、A/D与D/A等电路的设计制作可以结合单片机和FPGA的训练进行。3.1集成直流稳压电源的设计直流稳压电源是电子设备的能源电路，关系到整个电路设计的稳定性和可靠性，是电路设计中非常关键的一个环节。本节重点介绍三端固定式（正、负压）集成稳压器、三端可调式（正、负压）集成稳压器以及DC-DC电路等组成的典型电路设计。3.1.1直流稳压电源的基本原理直流电源电路一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成。如图3.1.1所示。图3.1.1直流稳压电源基本组成框图电源变压器的作用是将电网220V的交流电压变成整流电路所需要的电压U1。整流电路的作用是将交流电压U1变换成脉动的直流U2，它主要有半波整流、全波整流方式，可以由整流二极管构成整流桥堆来执行，常见的整流二极管有IN4007、IN5148等，桥堆有RS210等。滤波电路作用是将脉动直流U2滤除纹波，变成纹波小的U3，常见的电路2有RC滤波、KL滤波、∏型滤波等，常用的选RC滤波电路。其中它们的关系为：1nUUi=其中，n分别为变压器的变比。12)2.1~1.1(UU=每只二极管或桥堆所承受的昀大反向电压12UURM=对于桥式整流电路，每只二极管的平均电流RUIIRAVD1)(45.021==RC滤波电路中，C的选择应适应下式，即RC放电时间常数应满足：RC=（3～5）T/2式中T为输入交流信号周期；R整流滤波电路的等效负载电阻。稳压的作用是将滤波电路输出电压经稳压后，输出较和稳定的电压。常见的稳压电路有三端稳压器、串联式稳压电路等。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波、倍压整流滤波电路如图3.1.2。RUCTUi+-RUC+-TRUC+-T（a）全波整流电容滤波电路（b）桥式整流电容滤波电路（c）二倍压整流电容滤波电路OOOLLLUiUiUi+++/2/2图3.1.2常见整流滤波电路3.1.2三端固定式正压稳压器国内外各厂家生产的三端（电压输入端、电压输出端、公共接地端）固定式正压稳压器均命名为78系列，该系列稳压器有过流、过热和调整管安全工作区保护，以防过载而损坏。其中78后面的数字代表稳压器输出的正电压数值（一般有05、06、08、09、10、12、15、18、20、24伏共9种输出电压），各厂家在78前面冠以不同的英文字母代号。78系列稳压器昀大输出电流分100mA、500mA、1.5A三种，以插入78和电压数字之间的字母来表示。插入L表示100mA、M表示500mA，如不插入字母则表示1.5A。此外，78（L、M）××的后面往往还附有表示输出电压容差和封装外壳类型的字母。常见的封装形式有TO-3金属和TO-220的塑料封装，如图3.1.3所示。金属封装形式输出电流可以达到5A。3（a）金属封装（b）塑料封装图3.1.3常见三端稳压器的封装形式三端固定式稳压器的基本应用电路如图3.1.4所示，只要把正输入电压UI加到MC7805的输入端，MC7805的公共端接地，其输出端便能输出芯片标称正电压UO。实际应用电路中，芯片输入端和输出端与地之间除分别接大容量滤波电容外，通常还需在芯片引出脚根部接小容量（0.1µF～10µF）电容Ci、Co到地。Ci用于抑制芯片自激振荡，Co用于压窄芯片的高频带宽，减小高频噪声。Ci和Co的具体取值应随芯片输出电压高低及应用电路的方式不同而异。132VVGNDINOUTMC7805Ci0.33μFCo0.1μFUU++--++--IO图3.1.478系列三端稳压器基本应用电路3.1.3三端固定式负压稳压器三端固定式负压稳压器命名为79系列，79前、后的字母、数字意义与78系列完全相同。图3.1.5所示为79的基本应用电路（以MC7905为例）。图中芯片的输入端加上负输入电压UI，芯片的公共端接地，在输出端得到标称的负输出电压UO，电容Ci用来抑制输入电压UI中的纹波和防止芯片自激振荡，Co用于抑制输出噪声。D为大电流保护二极管，防止在输入端偶然短路到地时，输出端大电容上储存的电压反极性加到输出、输入端之间而损坏芯片。4Ci0.33μFCo0.1μFUU++--231VVGNDINOUTMC7905++--DOI图3.1.579系列三端稳压器基本应用电路3.1.4三端可调式稳压器三端（输入端、输出端、电压调节端）可调式稳压器品种繁多，如正压输出的317（217/117）系列、123系列、138系列、140系列、150系列；负压输出的337系列等。LM317和LM337的封装形式和引脚如图3.1.6所示。LM317系列稳压器能在输出电压为1.25V～37V的范围内连续可调，外接元件只需一个固定电阻和一个电位器。其芯片内也有过流、过热和安全工作区保护。昀大输出电流为1.5A。其典型电路如图3.1.7（a）所示。其中电阻R1与电位器RP组成电压输出调节电位器，输出电压UO的表达式为：UO=1.25（1+Rp/Rl）式中，R1一般取值为（120～240Ω），输出端与调整压差为稳压器的基准电压（典型值为1.25V），所以流经电阻R1的泄放电流为5～10mA。（a）LM317塑料封装形式（b）LM337塑料封装形式图3.1.6常见三端可调稳压器的封装形式与LM317系列相比，负压输出的LM337系列除了输出电压极性、引脚定义不同外、其他特点都相同,典型电路如图3.1.7（b）。5Vin2ADJ1+Vout3LM317Vin3ADJ1-Vout2LM3370.1μ1μR1240RP0.1μ1μR1240RP----++++UUUU（a）可调正压输出（b）可调负压输出++0.01μ0.01μIOOI图3.1.7可调式三端稳压器的应用电路3.1.5正、负输出稳压电源正、负输出稳压电源能同时输出两组数值相同、极性相反的恒定电压。图3.1.8所示为正、负输出电压固定的稳压电源。它由输出电压极性不同的两片集成稳压器MC7815和MC7915构成，电路十分简单。两芯片输入端分别加上±20V的输入电压，输出端便能输出±15V的电压，输出电流为1A。图中D1、D2为集成稳压器的保护二极管。当负载接在两输出端之间时，如工作过程中某一芯片输入电压断开而没有输出，则另一芯片的输出电压将通过负载施加到没有输出的芯片输出端，造成芯片的损坏。接入D1、D2起的箝位作用，保护了芯片。0.33μ0.1μUU++0.33μ0.1μU-Vin1GND2+15V3MC7815Vin2GND1-15V3MC7915GND-UD2D1+20V-20V=-15V=+15VI1I2+--+O2O1图3.1.8正、负输出固定稳压电源图3.1.9所示是由LM317和LM337组成的正、负输出电压可调稳压电源，输出电压调节范围为±1.2V～±20V，输出电流为1A。6Vin2ADJ1+Vout3LM317Vin3ADJ1-Vout2LM3370.1μ1%120Ω10μ10μ1%120Ω-+++UU2K2K0.1μ+25V-25V1.2～20V-1.2～-20V1kΩ/1WR0.1μT1IN5402×4L1+1kΩ/1WR0.1μT2IN5402×4L1+2200μ2200μ++++220V/50Hzo1o2-+图3.1.9正、负输出可调稳压电源3.1.6斩波调压电源电路MC33063A/MC34063A/MC35063A是单片DC/DC变换器控制电路，只需配用少量的外部元件，就可以组成升压、降压、电压反转DC/DC变换器。该系列变换器的电压输入范围为3～40V，输出电压可以调整，输出开关电流可达1.5A；工作频率可达100kHz，内部参考电压精度为2％。本系列电路还有电流限制功能，以下是MC34063A的几种使用方法。7图3.1.10MC34063A内部电路结构图3.1.10为MC34063A内部电路结构。它是由带温度补偿的参考电压源(1.25V)、比较器、能有效限制电流及控制工作周期的振荡器、驱动器及大电流输出开关等组成的。其主要参数为：电源电压为40V(直流)；比较器输入电压范围为-0.3-40V(直流)；开关发射极电压为40V(直流)；开关集电极电压为40V(直流)；驱动集电极电流为100mA；开关电流为1.5A。图3.1.11是由MC34063A组成的升压式DC／DC变换器。电路的输入电压为+12V，输出电压为+28V，输出电流可达175mA。电路中的电阻Rsc为检测电流，由它产生的信号控制芯片内部的振荡器，可达到限制电流的目的。输出电压经R1、R2组成的分压器输入比较器的反相端，以保证输出电压的稳定性。本电路的效率可达89．2％。如果需要，本电路在加入扩流管后输出电流可达1.5A以上。图3.1.11MC34063A组成的升压式DC／DC变换器图3.1.12MC34063A组成的降压式DC／DC变换器电路8图3.1.13MC34063A组成的电压反转式DC／DC变换器图3.1.12是由MC34063A组成的降压式DC／DC变换器电路。电路的输入电压为25V，输出电压为5V／500mA。电路将1、8脚连接起来组成达林顿驱动电路，如果外接扩流管，则可把输出电流增加到1.5A。当电路中的电阻Rsc选择0.1Ω时，其限制电流为1.1A。本电路的效率为82。5％。图3.1.13是由MC34063A组成的电压反转式DC／DC变换器。输入电压为4.5～6.0V，输出电压为-12V／100mA。此电路的限制电流为910mA。外接扩流管可将输出电流增加到1.5A以上。电路效率为64.5％。它的输出电压决定于：12/25.1RRUo=，1.25为芯片内部产生的参考电压。通过计算，选取适当的R1和R2值，就可得到不同的电压输出范围。3.1.7精密稳压电源电路利用三端稳压器MC7805，配合可编程精密电压基准TL431,可以组成简单的精密高压可调压电路。如图3.1.14所示。9Vin1GND2+5V3MC7805R2R1++--231TL431IOUU图3.1.14精密可调电源电路这个电路的输出电压可以用下式计算：UO=（1+R1/R2）×2.5V。昀小输出电压2.5V，昀大输出电压40V。从电路输出电压表达式可以看到：当电路中可调电阻R1为零时，即TL431的参考端与阴极相接时，输出电压为2.495V。3.1.8DC-DC电源电压利用单位增益缓冲器BUF634，可以组成+24V变成±12V的对称电源。如图3.1.15所示。图3.1.15正负对称电源变换电路由于BUF634的供电范围为±2.25V～±18V，故该电路可将+4.5～+36V电源电压转换为上述电压。两个10KΩ电阻要精密匹配。在正负负载不对称时，在输入电压过高的应用中，正负输出电流之差不应超过250mA。3.1.9受控稳压电源集成稳压器外接各种形式的开关电路可构成各种类型的受控稳压电源。10图3.1.16所示为LM117和模拟开关CC4051构成的程控电源。设LM117的基准电压Vr=1.25V,CC4051的导通电阻为400Ω，关断电阻为无穷大，其它元件参数如图所示，因而三位并行数字码取不同值时，电源可输出2V、5V、12V、15V、18V、24V、30V等8种电压值。Vin2ADJ1+Vout3LM117ABCCC4051R11.5kR23.4kR34.9kR46.4kR57.9kR610.9kR713.9kR620ΩUUOI++--图3.1.16程控电源3.1.10LCD显示器用负压电源多数LCD需要一个负的驱