毕业论文-多档位集成稳压源的设计与制作.docx

北京林业大学本科毕业设计（论文）多档位集成稳压源的设计与制作摘要在当今这个由电子设备充斥的世界里，稳压电源成为了各器件测试与供能必不可少的设备。三端集成稳压器因其成本低、安装调试简单、体积小、可靠性高、稳压效果好等优点在制作稳压电源上获得了广泛应用。稳压电源的主要工作原理是，由变压电路将市电压降至稳压器工作范围内的低电压，在整流阶段将交流电压转变为直流电压，接着滤波电路使得电压波形变得平缓，最后稳压电路使得输出电压稳定在一定电位值上，达到稳定输出的效果。本设计是基于三端集成稳压器的多档位的稳压电源，其适应性更广泛，满足更大的需求，将三个电压档位集合在一起，避免了冗余电路的产生。从稳压电源的四个电路模块出发，通过理论运算与实际元件搭建、最终调试三大部分，详细地介绍了一种基于三端集成稳压器的稳压电源电路，用以实现可提供三个档位的稳压电源。关键字：三端集成稳压器，多档位，稳压电源The design and manufacture of multi-position integrated circuit voltage source Science and Technology of Electronic Information 11-1 Xiao Hua-pingSupervisor Fan Xiu-huaAbstractIn todays world electronic devices can be seen every where, so that regulated voltage source has become the role of Component testing and Power essential equipment. Integrated three-terminal voltage regulator because of its low cost, simple installation and debugging, small volume, high reliability, as well as good effect obtained are widely used in the production of regulated voltage source.The following is the main working principle of regulated voltage source. First, the transformer circuit drops City voltage to the low voltage which is in the stabilizer work scope of Voltage regulator. Second, it converts AC voltage to DC voltage in the rectifier stage. Third, filter circuit flattens out the voltage waveform. Finally, regulating circuit makes the output voltage stability in a expected value, to achieve the effect of stable output.This design is based on the integrated three-terminal voltage regulator of multi-position regulated voltage source, it applies wider, meet the needs of a larger, integrates the three voltage position, avoids the production of redundancy circuits. Starting from the four circuit module of regulated voltage source, through the theoretical calculations, the actual components building and final debugging as the three parts, in detail, this paper introduces a regulated power supply circuit based on integrated three-terminal voltage regulator. Finally to make out the regulated power supply with three voltage position.Key words: integrated three-terminal voltage regulator, multi-position, regulated voltage source目录1.绪论11.1 直流稳定电源11.2 集成稳压电源11.3 研究内容22.稳压源电路32.1 直流稳压电源的设计原理32.2 整流电路42.2.1 单相半波整流电路42.2.2 单相桥式整流电路42.2.3 整流电路的性能指标62.2.4 元器件的参数选择72.3 滤波电路82.3.1 电容滤波电路82.3.2 电感滤波电路102.3.3 LC滤波电路122.3.4 形滤波电路122.4 稳压电路132.4.1 集成稳压器的选择132.4.2 稳压电路的性能指标143.三端集成稳压器163.1 7824集成稳压器的结构分析163.2 78系列稳压器的基本应用电路173.3 78系列稳压器的扩展应用电路194.电路的仿真与实现214.1 多档位集成稳压源的设计214.2 实际电路的调试225.问题分析及结论275.1 设计过程中出现的问题275.2 设计总结27致谢28参考文献29321. 绪论1.1 直流稳定电源随着社会的发展，科技的进步，人类进入了高速发达的信息时代，各种电子设备充斥着人们的生活。无论是文化娱乐、办公学习、科学研究，还是工农生产、国防建设、教育医疗，都离不开电子设备的支持。然而所有的电子设备都需要电源的供应，这就显示了电源研究的重要性。通常所说的电源，可以分为发出电能的电源和变换电能的电源两大类1 杨旭，裴云庆，王兆安. 开关电源技术M. 北京. 机械工业出版社. 2004.。在自然界中直接以电能形式存在的电源只有雷电，然而雷电是人类无法掌控和利用的自然现象，所以在现实生活中人们所使用的电源都是通过机械能、热能、化学能等转换过来的。发出电能的电源就是指这些通过转换其它能源而得来的电源，比如发电机、电池等等。在很多情况下，发出电能的电源并不符合使用要求，需要进行再一次变换，这种转换就是把一种形态的电能转换成另一种形态的电能，这种电能形态的变可以是交流电与直流电之间的变换，也可以是电压或电流幅值之间的变换，或者是交流电的频率、相数的变换。这种通过电能形态变换而获得的电源就是变换电能的电源。本论文研究的直流稳定电源就是属于变换电能的电源。直流稳定电源是变换电能的电源，而其电能变换主要体现在变压、整流、滤波和稳定这四个必要的步骤之中。所谓变压，就是通过相位控制，或者线性补偿，或者频率变换等技术手段实现变压目的。变压器是交流变压常用的装置，而直流变压最常用的手段就是DC-DC变换、有源和无源分压器。整流是最早使交流电转换成直流电的方法，利用单相性的无源器件来实现交直流的转换则最简单，最常见的是桥式整流电路。利用有源开关的同步整流器可以将整流过程的损耗减至最小。所谓滤波，就是利用电容两端电压不能突变和流过电感的电流不能突变的特点，滤除整流电路输出电压中的交流成分，保持其直流成分，达到平滑输出直流电的目的2 吴恒玉，唐民丽. 基于89S51单片机的数控直流稳压源设计J制造业自动化. 2010，32( 1) 。所谓稳定，即在变压过程中引入自动负反馈控制，使之稳定。若反馈量分别是电压、电流、功率、频率、相位，则相应地获得稳压、稳流、恒功率、稳频、稳相的稳定电源。1.2 集成稳压电源由于集成电路工艺逐渐成熟，集成工艺不断应用在各种电路。集成稳压器的发展也成为了一种趋势，所谓集成稳压器，就是用半导体工艺或薄膜工艺将稳压电路中的二极管、三极管、电阻、电容等元器件制作在同一半导体或绝缘基片上，形成具有稳压功能的固体电路。稳压器具有如下几种特点3 曲学基，王增福，曲敬铠. 稳定电源电路设计手册M. 北京. 电子工业出版社. 2003.4 刘典文. 集成稳压电源的设计J. 广西物理. 2008, 29(01):42455 林吉申. 二极管手册（第一版）. 福建M. 福建科学技术出版社. 2002.6 康华光. 电子技术基础（模拟部分）M. 北京. 高等教育出版社. 1999.3：1.半导体三极管的集成工艺比较成熟而且简单，在集成电路的设计上几乎不受晶体管数量的限制。因此集成电路中尽可能地用晶体管代替其它集成工艺难度大的元器件，例如：电容、电感、二极管等。2.集成电路稳压电路中的晶体管是同一制作工艺中的同一硅片（绝缘片），其一致性好。在集成电路中，由于制作L，C元件的难度大，级间多采用直接耦合电路。为了克服它零点漂移大的缺点，大量采用了差分放大电路。而晶体管的一致性好，特别有利于改善差分放大器的对称性和温度漂移。这对提高稳压电源的温度稳定性和温度精度是非常有利的。3.集成电路中的电阻元件是由硅半导体制成，由于受硅片面积的限制，其阻值一般均在几十欧到几十千欧之内。而恒流源电路对交流呈现很大的电阻，不但可以取代放大器集电极负载电阻，而有利于提高放大器的增益，有可以取代差分放大器的射极共用电阻，以提高共模抑制比。4.集成稳压器的体积小、重量轻、外接元器件少。三端集成稳压器的出现，几乎取消了任何外界元器件，使稳压电源的组装、调试、和检修更为方便。这不但可以提高劳动生产率，而且也有利于降低成本。目前已有的集成稳压器主要是串联调整式和开关调整式。本设计所用到的集成稳压器是三端稳压器（78xx系列），属于串联调整式稳压器。1.3 研究内容稳压源电路的设计主要由四部分组成，即变压电路、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分，为了更深刻地了解集成稳压电路的设计原理及各个部分电路的主要内容，本文主要分析三端集成稳压器的设计电路，并设计一个基于三端集成稳压器的稳压源。主要开展以下几方面的工作：（1） 分析整流电路、滤波电路的工作原理，提出设计方法。（2） 分析三端集成稳压器（78xx系列）的工作原理与应用实例。（3） 设计基于三端集成稳压器（78xx系列）多档位集成稳压电源的外围电路。（4） 搭建Proteus仿真电路，对设计电路的可行性进行验证。（5） 对设计电路进行硬件实现，并进行相关测试。2. 稳压源电路2.1 直流稳压电源的设计原理直流稳压电源是生活和工作中常用的设备，其设计方法也有许多种，例如：串联反馈调整型直流稳压电源、开关电源、UPS电源、集成稳压器电源、可控硅直流稳压电源等等。但是不论是哪一种设计方法，都离不开一个设计思路7 罗桂娥，张静秋，罗群.模拟电子技术基础（电类）M. 湖南. 中南大学出版社. 2005.，变压整流滤波稳压：（如图2.1）图2.1 直流稳压电源Fig.2.1 DC regulated power supply由以上设计思路，可以把直流稳压电源电路分为四个电路模块，分别是：变压电路、整流电路、滤波电路以及稳压电路。其中电源变压器将交流电网电压 U1变为合适的交流电压 U2；整流电路将交流电压 U2变为脉动的直流电压 U3；滤波电路将脉动直流电压U3转变为平滑的直流电压 U4；稳压电路清除电网波动及负载变化影响，保持输出电压 U0的稳定。在整流滤波电路和稳压电路上可以有多种多样的实现方法，为了极大地简化直流稳压电源电路，充分利用集成工艺快速发展的优势，本设计在稳压电路阶段采用了三端稳压器（78xx系列），即集成稳压电源。该电路设计还使得直流稳压电源具有更高的温度稳定性和温度精度，提高了共模抑制比，降低了制作成本。在一个完善的直流稳压电源电路中，保护电路也是必不可少的模块。当电流超过额定电流时候，设备自动断电，以保护电源电路中的元器件，称过流保护。当线路中电压超过预定的最大值时，使电源断开或使受控设备电压降低的一种保护方式，称为过压保护。当然，散热电路的设计也起到保护元器件的作用。2.2 整流电路集成稳压电源的变压电路完全可以由电源变压器实现，电源变压器几乎在所有的电子产品中都要用到,应用十分广泛，在此就不作详细说明。集成稳压电源的整流电路与其他直流电源的整流电路完全相同，主要实现方式有单相半波整流电路和单相桥式整流电路。2.2.1 单相半波整流电路图2.2 是一个最简单的单相半波整流电路。利用二极管单向导通原理，仅仅一个二极管就可以实现单相半波整流电路。图2.2 二极管Fig.2.2 Diode图2.3 是单相半波整流电路的常用的实例。图中 TR1 为电源变压器，将 220V的市电压变换为合适的交流电压，D1 为整流二极管，电阻R1 代表直流电源的负载。其工作原理为：在变压器副边电压为正的半个周期内，二极管正向导通，电流经二极管流向负载，在R1 上得到一个极性为上正下负的电压；而在变压器副边电压为负半周时，二极管反向截止，电流等于零，R1 两端不存在电压。所以，在负载电阻R1 两端得到的电压的极性永远是单方向的，达到了整流的目的。图2.3 单相半波整流电路Fig.2.3 Single-phase half-wave rectifier circuit2.2.2 单相桥式整流电路桥式整流电路如图2.4 所示，电路结构要比单相半波整流电路复杂，但是它们所利用的原理都是二极管的单向导通原理。四只整流二极管 D1D4接成电桥的形式8 张凯. 基于LM317的稳压电路J. 价值工程. 2012, 31（04）：375，故有桥式整流电路之称。桥式整流电路有四个接口，所以连接的时候需要特别注意，连接错误，则无法实现整流的作用，还有可能损坏电路。图2.4 桥式整流电路Fig.2.4 Bridge rectifier circuit单相桥式整流电路的连接如图 2.5 所示，图中 TR1为电源变压器，它的作用是将市电压V1 变成整流电路要求的交流电压，R1是要求直流供电的负载电阻，。单相桥式整流电路的工作原理可分析如下。为简单起见，二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。如图2.5 中实线箭头所示，在变压器副边电压U2 的正半周，电流流入桥式整流电路后，只能经过二极管 D2流向 R1，再由二极管 D4流回变压器，所以 D2、D4正向导通，D1、D3反向截止。在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。图2.5 中的虚线箭头表示，在变压器副边电压U2 的负半周电流的流向。电流从变压器副线圈的下端流出，只能经过二极管 D3流向 R1，再由二极管 D1流回变压器，所以 D1、D3正向导通，D2、D4反向截止。电流流过 R1时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。最终达到了整流的效果。图2.5 桥式整流电路的连接Fig.2.5 bridge rectifier circuit connection综上所述，单相半波整流电路与单相桥式整流电路利用二极管的单向性使得负载只获得单向的输入电压，都达到了整流的效果。图2.6 整流电路工作波形图Fig.2.6 Waveform diagram of bridge rectifier circuit图2.6 为两整流电路的工作波形图。由图可见，桥式整流电路中通过负载R1的电流和电压的波形都是单方向的全波脉动波形，而半波整流电路则是单方向的半波脉动波形。显而易见，半波整流电路虽然简易，但是效率却没有桥式整流电路的高。桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，二极管承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。本设计也将采用此电路作为整流电路。2.2.3 整流电路的性能指标整流电路的性能常用两个技术指标来衡量：一个是反映转换关系的，用整流输出电压的平均值来表示；另一个是反映输出直流电压平滑程度的，称为纹波系数9 唐金元, 王翠珍. 0 24V可调直流稳压电源电路的设计方法 J . 现代电子技术. 2008, ( 04) .。 1. 整流输出电压的平均值（即负载电阻上的直流电压vL）vL定义为整流输出电压在VL在一个周期内的平均值，即：vL=1202VLdwt （2.1）设变压器副边线圈的输出电压为 u2=2U2sinwt ，整流二极管是理想的。则根据桥式整流电路的工作波形，在 Vi 的正半周，VL=U2 ，且 VL的周期为 ，所以：vL=1202VLdwt=102VLsinwtdwt=22U20.9U2 （2.2）上式也可以用其它方法得到，如用傅里叶级数中 VL 的波形进行分解后可得10 雷媛媛,胡蓉. 基于三端集成稳压器的直流稳压电源的设计J.电子技术与软件工程. 2013，(19)：1492： vL=2VL（2-43cos2wt-415cos4wt-435cos6wt） (2.3)式中恒定分量即为负载电压 VL 的平均值，因此有：vL=22V20.9U2 （2.4）2. 纹波系数由 VL 的傅里叶级数表达式可以看出，最低次谐波分量的幅值为42U23，角频率也为电源频率的两倍，即2w 。 其它交流分量的角频率为 4w、6w 等偶次谐波分量。这些谐波分量总称为纹波，它叠加于直流分量之上。常用纹波系数Kr来表示直流输出电压中相对纹波电压11 Aubrey Kagan. Excel by Example_ A Microsoft Excel Cookbook for Electronics Engineers M. USA. Elsevier Inc. 2004.12 艾延宝. 模拟电子技术基础M. 北京. 机械工业出版社. 2012.的大小，即： Kr=VLrVL （2.5）式中 VLr 为谐波电压总的有效值，它表示为：VLr 423U2 (2.6)所以得出桥式整流电路的纹波系数为：Kr=423U222U2=23=0.67 （2.7）由于VL中存在一定的纹波，故须用滤波电路来滤除纹波电压。2.2.4 元器件的参数选择任何设备中的电压电流都不得超过其电路元件的额定值，否则会造成电路烧毁，使其不能正常运行。所以对元器件参数的选择显得尤为重要。在选择整流二极管时，最大整流电流和反向击穿电压是我们应该考虑的两大因素13 胡瑜，陈涛抑制心电中工频干扰的数字滤波方法J电子测量技术. 2011，34( 8) : 22-26。在桥式整流电路中，二极管 D1、D3 和 D2、D4 是两两轮流导通的，所以流经每个二极管的平均电流为：ID=12IL=120.9U2R=0.45U2R （2.8）所以选择整流管元器件时要求允许最大整流电流 IFID。二极管在截止时管两端承受的最大反向电压可以从桥式整流电路的工作原理中得出。在 V2 正半周时，D1、D3导通，D2、D4截止。此时 D2、D4所承受的最大方向电压均为V2的最大值，即：VRM=2VU22 （2.9）同理，在 V2 正半周时，D1、D3 处于截止状态，两端电压为VRM，所以在选择整流管时应取反向击穿电压 VBRVRM。2.3 滤波电路整流电路的输出电压仍含有较大的脉动成分，为此还需要进行滤波，减小电压的脉动，使最后的输出电压平滑接近直流。与用于信号处理的滤波电路相比，直流电源中的滤波电路具有显著特点：均采用无源电路，即采用电容、电感等储能元件完成滤波。2.3.1 电容滤波电路电容滤波是最常见也是最简单的滤波电路。在整流电路的输出端并联一个电容即可实现电容滤波电路。如图2.7 所示。滤波电容容量较大，一般采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正、负极。电容滤波电路，利用电容的充、放电作用，使输出的电压趋于平滑。图2.7 电容滤波电路Fig.2.7 Capacitor filter circuit1. 滤波原理当变压器副边电压 U2 处于正半周并且数值大于电容两端电压 Uc 时，二极管D1、D3导通，电流一路流经负载电阻R1 ，另一路对电容C1充电。因为理想情况下，变压器副边电压无损耗，二极管导通时压降为零，所以电容两端电压Uc 与U2 相等，如图2.8 中曲线的ab段。当U2 上升到峰值后开始下降，电容通过负载电阻R1 放电，其电压Uc 也开始下降，趋势与 U2 基本相同，如图2.8 中曲线的bc段。但是由于电容按指数规律放电，所以当 U2 下降到一定数值后， Uc 的下降速度小于 U2 的下降速度， Uc U2 ，从而导致D1、D3方向偏置而截止。此后，电容C1 继续通过R1 放电， Uc 按指数规律缓慢下降，如图2-8中曲线的cd段。当 U2 的负半周幅值变化恰好大于 Uc 时，D2、D4 因加正电压变为导通状态， U2 再次对C1 进行充电， Uc 上升到 U2 的峰值后又开始下降；下降到一定数值后D2、D4变为截止，C1 对R1 放电， Uc 按指数规律缓慢下降；下降到一定数值后D1、D3变为导通，重复上述过程。图2.8 电容滤波波形Fig.2.8 Wave of capacitor filter由图2.8 中的波形可以看出，经滤波后的输出电压不仅变得平滑，而且平均值也得到提高。当RC较大时，电容C1 放电缓慢，这将使输出电压纹波起伏小，直流分量较高；反之，电容放电较快，直流分量较低。显然，为了得到较好的滤波效果，总是希望RC越大越好。在实际电路中，一般选择RC（35）T2 (2.10)其中，T为电网电压的周期。2. 主要参数（1） 输出电压平均值 Uo ：输出电压平均值 Uo 的计算一般采用近似估算法。为了便于估算，常用图2.9 所示的输出电压波形14 莫军滤波连接器在电磁兼容设计中的应用J国外电子测量技术. 2010， 29( 6) : 66-68。设整流电路内阻较小而RC较大，电容每次充电均可达到 U2 的峰值 Uomax ，然后按RC放电的起始斜率直线下降，经RC交于横轴，且每次放电完毕数值为最小值 Uomin 。图 2.9 锯齿波近似估算Fig.2.9 Sawtooth wave of approximate estimation 图2.9 中，ABC 与 ADE 是相似三角形，根据相似三角形的关系得：Uomax-UominUomax=T/2RC （2.11）则输出电压平均值为：Uo=Uomax+Uomin2=Uomax-Uomax-Uomin2=1-T4RCUomax （2.12）将Uomax =2U2 和RC =（35）T/2 代入式（2-12）得：Uo=2U21-1610=1.18-1.27U2 （2.13）通常取 Uo1.2U2 。由于采用电解电容，考虑到电网电压的纹波范围是 10% ，电容的耐压值应大于1.12U2 。（2） 输出电流平均值 I0 ：输出电流平均值 I0 为 I0= U0R (2.14)3. 输出特性当滤波电容C 选定后，输出电压平均值 U0 和输出电流平均值 I0 的关系曲线称为输出特性；脉动系数S和输出电流平均值 I0 的关系称为滤波特性。桥式整流电容滤波电路的输出特性如图2.10和图2.11 所示。 图 2.10 桥式整流电容滤波的输出特性 图2.11 桥式整流电容滤波特性Fig.2.10 The characteristics of the bridge rectifier capacitance filters outputFig.2.11 The properties of bridge rectifier capacitance filtering 由输出特性可见，该电路随着电流的增大，输出电压明显降低，外特性较软，带负载能力差。所以，电容滤波电路适合于固定负载或负载电流变化小的场合。2.3.2 电感滤波电路在桥式整流电路和负载之间串入一个电感L，即构成电感滤波电路，如图2.12 所示。当通过电感线圈的电流增加时，电感线圈产生左“正”右“负”的自感电动势，阻碍电流增加，同时将一部分电能转化为磁场能量储存于电感之中；当电流减小时，左“负”右“正”的自感电动势组织电流减小，同时将电感中的磁场能量释放出来，以补偿电流的减小。此时，整流二极管依然导电，导电角 增大。图2.12 电感滤波电路Fig.2.12 Inductance filter circuit整流电路输出电压可以分为两部分，一部分为直流分量，它就是整流电路的输出电压的平均值UD，对于桥式整流电路，其值约为0.9U2 ；另一部分为交流分量ud 。电感线圈对直流分量呈现的电抗很小，就是线圈本身的电阻R；而对交流分量呈现的电抗为 L 。所以，若二极管的导通角近似为 ，则电感滤波后的输出电压平均值UR ：UR=RLR+RLUDRLR+RL0.9U2 (2.15) 输出电压的交流分量uo ：uoRLL2+RL2udRLud （2.16）由式（2.15）可看出，电感滤波电路输出电压平均值小于整流电路输出电压平均值，在线圈电阻可忽略的情况下，UR0.9U2 。由式（2.16）可看出，在电感线圈不变的情况下，负载电阻愈小，输出电压的交流分量也就愈小，动脉愈小。另外，由于滤波电感电动势的作用，可以使二极管的导通角接近 ，减小了二极管的冲击电流，平滑了流过二极管的电流，从而延长了整流二极管的寿命。2.3.3 LC滤波电路图2.13 LC滤波电路Fig.2.13 LC filter circuit图2.13 所示是LC滤波电路，它是由L和C两种滤波元件组合而成的滤波电路。整流输出的脉动电压先经过电感L滤波，再经过电容C滤波，其滤波效果比采用单个电感或单个电容要好得多。电路中整流输出后的直流电压平均值 UO1 和脉动系数 S1 应满足桥式整流的关系： UO10.9 U2 （2.17） S10.67 （2.18）对于直流分量而言，电感上的电阻很小，其上的压降也很小。因此，负载R 上的直流电压平均值 UO 可近似为： UO UO10.9 U2 （2.19）在2LC1 时，输出脉动系数S：S12LC S1 （2.20）2.3.4 形滤波电路如果要求输出电压的脉动系数更小，可以采用LC-形滤波电路或RC-形滤波电路，如图2.14(a)、(b) 所示。 （a）RC-形滤波电路 （b）LC-形滤波电路图 2.14 复式滤波电路Fig.2.14 Double filter circuitLC- 型滤波电路比LC滤波电路滤波效果更好15 M Saidy and F M Hughes. A predictive integrated voltage regulator and power system stabilizer J. Electrical Power & Energy Systems. 1995, (17): 101-11116 田智文. 一种带有保护电路的直流稳压电源的设计D. 西安. 西安科技大学. 2012.，但 C1 的充电对整流二极管的冲击电流较大。因电感线圈体积大且笨重，成本较高，所以在负载电流很小的情况下，可以用电阻R代替LC- 型滤波电路中的电感线圈，构成RC- 型滤波电路。电阻R与电容C及负载电阻R1配合后，使交流分量较多地降落在电阻R两端，而较少地降落在负载R1上，从而起到滤波作用。R越大， C2 越大，交流滤波效果越好。但是电阻R对交、直流电压分量均有同样的压降作用，R太大，将使直流压降增大，所以滤波电路的电阻R取值不能太大。 形滤波电路适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动较小的场合17 LM78XX Series Voltage Regulators DataSheet J. 2000. 5.。2.4 稳压电路 稳压电路的实现方式也有很多种，最简单的稳压电路是由稳压二极管组成的电路。串联型稳压电路、可控硅稳压电路、开关稳压电路等，都是由分立元件的组装实现稳压电源的稳压环节，因其结构比较复杂，搭建起来比较麻烦，所以在此就不采用上述方法，也不做详细介绍。在电子设备日益小型化、微型化、智能化的今天，集成电路越来越多的替代了传统的用分立元件组装的电子电路。随着功率集成技术的不断发展，人们已经能把直流稳压电源电路中的电源调整管、比较放大电路、基准电压电路、取样电路和过压过流保护电路集成在一块芯片上，制成集成稳压器。集成稳压器由于使用方便、体积小、成本低、性能优良、一致性好等优点，在各种电子设备中得到了广泛应用。2.4.1 集成稳压器的选择集成稳压器中，最常用的是“三端稳压器”。之所以成为“三端”，是因其外观上总共只有三根引出线，分别为输入端、输出端和公共接地端。最常用的三端集成稳压器有 78系列的集成稳压器78xx、79系列的集成稳压器79xx、可调集成稳压器LM317和LM337。（a）LM317典型应用电路（b）78系列典型应用电路图 2.15 典型应用电路Fig.2.15 Typical application circuit基于三端集成稳压器的稳压电源可以分为可调稳压源和固定输出稳压源，如图2.15 （a），（b）中分别为可调输出稳压源和固定输出稳压源的典型应用电路。可调稳压源的调节原理是，通过调节电路中电阻 Rv4 的大小，改变比值 R1+Rv4R1 ，来调节输出电压的大小：U0=UREFR1+Rv4R1+IREFRv4 （2.21）由于IREF50A ，可以略去，又UREF=1.25 V ，所以：U01.251+Rv4R1 （2.22）由式（2.22）可知，可调集成稳压源的电压调节由可调电阻控制，其调节精度不确定以及电压值不可视，所以要想调整到日常工作所需求的某个电压值是一件非常困难的事情。如图2.15（b）所示，是一个固定输出稳压源电路。其所用集成稳压器是7809，故其输出值固定为 +9V，仅存在毫伏级的误差。因其简单的电路设计和准确的电压输出，本设计将采用78系列的稳压器作为稳压电源的稳压部分。2.4.2 稳压电路的性能指标（1） 稳压系数 Sr Sr 定义为负载一定时稳压电路输出电压相对变化量与其输入电压相对变化量之比，即： Sr=(U0)/U0 (UI)/UI |RL=常数=UIU0U0UI|RL=常数 （2.23） Sr 表明电网电压纹波的影响，其值愈小，电网电压变化时输出电压的变化愈小。（2） 输出电阻 Ro Ro定义为稳压电路输入电压一定时输出变化量与输出电流变化量之比，即： Ro=UoIo|UI=常数 (2.24) Ro表明负载电阻对稳压性能的影响。(3) 电压调整率 Su 通常工频电压220V10%作为变化范围，把对应的输出电压的相对变化量百分比作为衡量的指标，称为电压调整率，即： Su=1UoUoUo|IL=0100% (2.25) (4) 电流调整率 Si在工程中常用输出电流 Io ，由零变到最大额定值时，输出电压的相对变化量来表征这个性能，称为电流调整率，即： Su=UoUo|UI=0100% （2.26）(5) 纹波抑制比 Srip Srip定义为输入纹波电压（峰-峰值）与输出纹波电压（峰-峰值）之比的分贝数，即： Srip=20logUIUo （2.27）(6) 输出电压的温度系数 ST ST 定义为在规定温度范围及 UI=0 ，IL=0 时，单位温度变化所引起的输出电压相对变化量的百分比，即： ST=1UoUoT|IL=0，UI=0100% （2.28） 3. 三端集成稳压器 本设计将采用78系列的集成稳压器作为稳压源的稳压部分，所以接下来将重点分析78系列集成稳压器的结构特点，以及应用实例。3.1 7824集成稳压器的结构分析78系列集成稳压器的设计充分利用了集成技术的优点，在线路结构和制造工艺上都采用了很多基本模拟集成电路的方法，巧妙地将调整器件、误差放大器、基准电压、比较取样、保护电路、启动电路等多种电路集成在一块芯片上。78系列按输出电压为5V，6 V，9 V，12 V，15 V，18 V，24 V，命名为7805，7806，7809，7812，7815，7818，7824；按负载电流为0.5A，1.5A分类为W78M00，W7800。图3.1 就是78系列集成稳压器中W78M24的内部结构18 LM7800 Series 3-Terminal Fixed Voltage Regulators. FCI Semiconductor J. 2001. 3.。图3.1 78系列集成稳压器Fig.3.1 78 series integrated voltage regulator（1） 启动电路启动电路由电阻 R4 ， R5 ， R6 ，稳压二极管 VDw1 ，晶体三极管 VT12 ， VT13 组成。当电路接通电源时，输入电压 Ui 使电阻 R4和稳压二极管 VDw1 支路流过电流，此时 VDw1 有0.7V的稳定电压，从而使 VT12 管导通，约为1mA的恒定电流流过 R5 ， R6 ， R7 。这时有电流注入 VT13 管，使 VT13 管导通，从而有电流通过 VT1 ， VT7 ， R1支路。 VT13 的集电极电流流过 VT9 ， VT8 镜像电流源，使其正常工作。在整个电路工作正常后， VT13 管截止，启动电路与基准电路的联系被切断。（2） 误差放大器 误差放大器就是共射放大器，它由 VT3 ， VT4 及 VT9 构成。为提高误差放大器的输入阻抗， VT3 ， VT4 管接成达林顿型式。为增大误差放大器的电压增益，用 VT9 ， VT8 管组成的电流源作为集电极的有源负载。接成达林顿结构的 VT16 ， VT17 管是调整器件，也具有很高的输入阻抗，它由误差放大器 VT4 的集电极输出推动，这样，整个放大器都有极高的增益。（3） 基准电压源电路 基准电压源电路是由 R1 ， R2 ， R3 ， R4， VT1 ， VT2 ， VT3 借助于 VT4 ， VT5 ， VT6 ， VT7 和 R15 组成，它属于能带间隙式基准电压源电路。（4） 取样电阻 取样电阻是由 R19 和 R20 组成。输出电压的变化量与基准电压比较后送入误差放大器 VT3 ， VT4 的基极。由于 VT3 ， VT4 本身的E，B极PN结电压是基准电压的组成部分，所以误差放大器的工作状态受温度影响不大，工作稳定性很好。假设由于负载变化引起输出电压增加，其变化量由电阻 R19 ， R20 取样后反馈到误差放大器 VT3 基极，使其电位提高，从而 VT3 ， VT4 集电极电流提高，其集电极电位下降，即调整管电位下降，输出管压差变大，输出电压降低，抵消了原来输出电压增大的变化，使输出电压保持稳定。（5） 过流保护电路 过流保护是由 R11 和 VT15 完成的。 R11 串联在调整管 VT17 的发射极和输出端之间。当输出电流超过额定值时，即 R11 压降超过0.7V时， VT15 管就会导通，使 VT16 管基极电位降低，减少注入，从而限制了输出电流。（6） 过热保护电路 R7 和 VT14 组成了过热保护电路。 R7 是正温度系数的扩散电阻， VT14 管的e，b结电压具有负的温度系数， VT14 管的集电极接在 VT16 管的基极上。温度较低时， R7 上的压降不足以激励 VT14 管导通，对输出调整管没有影响。当芯片温度达到临界值时， R7 上的压降升高， VT14 管导通， VT14 管的集电极电位降低，从而减小 VT16 ， VT17 的输出电流，减小芯片的功耗，降低芯片的温度，达到过热保护的目的。3.2 78系列稳压器的基本应用电路 78系列的集成稳压器是三端口稳压器，其引脚与框图如图3.2 所示。 图3.2 78系列稳压器的引脚与框图Fig.3.2 The pins and the block diagram of 78 series voltage regulator (1) 输出为固定电压电路 图3.3 是78系列（以7809为例）稳压器的基本应用电路19 王晓静. 三端集成稳压器及应用J. 电子测试. 2009，(06)20 刘琴琴. 如何判断三端稳压器引脚功能 J . 家庭电子. 2005，( 01)21 赵新宇，胡建成. 实用稳压电源电路设计J. 自动化技术与应用. 2011，（01）22 莫怀忠. 直流稳压电源的简化设计 J . 电子制作. 2007，( 07)23 孙活,吴琼. 多路输出直流稳压源的工作原理及设计研究J.硅谷.2014,(11)，其输出电压稳定在+9V。图中 C2 容量较小，一般小于1F ，用以抵消输入线长时的电感效应，以防电路产生自激振荡。电容 C3 用于消除输出电压中的高频噪声，可取小于1F 的电容，也可取几微法甚至几十微法的电容，以便输出较大的脉冲电流。但是若 C3 容量较大，一旦输入断开， C3 将稳压器输出端向稳压器放电，易使稳压器损坏。因此，可在稳压器的输入端和输出端之间跨接一个二极管，如图3.3中虚线所示，起保护作用。图3.3 7809基本应用电路Fig.3.3 7809 basic application circuit(2) 输出正、负电压的稳压电路 79系列的集成稳压器输出电压与78系列的刚好相反，其输出是负电压，称为集成负电压稳压器。一样是三个管脚，但管脚对应的作用不一样，79系列的1管脚为公共接地端，2管脚为输入端，3管脚为输出端。78系列稳压器与79系列稳压器组合可以得到同时输出正、负电压的稳压电路24 何希才，姜余祥.新型稳压电源及其运用M. 北京. 国防工业出版社.2002.。如图3.4 所示电路，可以得到 9V 的电压输出，在实际情况下，可以单独取+9V，-9V，也可以两者结合取18V。该电路中两只二极管 D1、 D2起保护作用，正常工作时，处于截止状态。图3.4 同时输出正、负电压的电路Fig.3.4 Positive and negative voltage output circuit3.3 78系列稳压器的扩展应用电路（1） 电压扩展电路 78xx系列集成稳压器是固定输出电压，当所需直流电压高于三端集成稳压器的额定输出电压时，可通过外接电路进行升压。如图3.5 所示，使集成稳压器工作于悬浮状态，即不直接接触地方式，从而扩展输出电压。图3.5 输出电压扩展电路Fig.3.5 Extension circuit of output voltage设78xx的额定输出电压是 U0 (图3.5 以7809为例，其U0=+9V)，其公共端电流 Id （一般约几十微安几百毫安），则由图3.5 可得扩展后的电压为：U0=U01+R2R1+ IdR2 （3.1）一般IdIR1 ，当R1 ，R2 的阻值不是很大时，U0可近似表示为：U0U01+R2R1 （3.2）（2）电流扩展电路 图3.6 所示为电流扩展稳压电路，图中 T1 为扩流功率管，T2 为限流保护管。当所需负载电流 I0 较小时，无需扩流，扩流控制取样电阻 R1 上的压降不足以使T1导通。此时 I0=I0 （芯片输出电流）。当所需 I