第四讲 电源系统设计.ppt

电源系统设计电器和电子产品中常用的直流稳压电源有两种 A 线性直流稳压电源B 非线性直流稳压电源 开关电源 稳压电源的主要技术指标 A 额定输出电压B 最大输出电流C 输出电压容差D 输入电压范围E 输出电压纹波F 负载效应G 源效应H 输入功率因数PFI 输入电流谐波THDJ 工作环境条件 如温度 湿度等 线性电源的主要特点可归纳为 1 主要优点 输出纹波电压小 电路结构简单 成本低 工作可靠性较高 无高频开关噪声 电源稳定度较高 瞬态响应速度较快 2 主要缺点 转换效率低 一般只有40 50 左右 体积大 重量重 不便于微型化 输入电压动态范围小 线性调整率低 电容滤波效率低 必须具有较大的输入和输出滤波电容 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 内部功率损耗小 转换效率高 体积小 重量轻 便于使产品微型化 输入电压范围宽 线性调整率高 开关频率高 滤波电容的容量和体积大大减小 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 输出电压纹波大 电路结构相对复杂 抗输入端浪涌电压的能力相对较差 存在较严重的开关噪声和EMI干扰 对电网的电磁污染大 电路元件多 相比线性电源成本要高一些 常用的稳压管有 Onsemi公司 安森美 ST公司等的IN5000系列 IN53333 3V5W IN53385 1V5WIN5919B5 6V3W IN592510V3WNXP公司 BZX84系列 BZX84B5V65 60 25WBZX84C1515V 0 25W常用功率有 1 4 1 2W 1W 2W 3W 5W 一 线性直流电源1 常用稳压器件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 IZ取稳压管最大工作电流的中间值 2 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 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 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 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 价低 最致命的缺点 所需入 出压差大 即功耗大 3 输出电压可调三端稳压器常用三端可调稳压器有 LM317 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 4 低压差稳压器78 79系列稳压器价格低 但缺点入出间所需压差大 从而引起功率耗大 电源效率低 尤其对电池供电产品非常不利 常用低压差稳压器生产公司 TI公司 ONSEMI MAXIM NATIONAL 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 C LM2940 5V 1A最大输入电压为26V 正常输出为5V 输出电流为1A时 压差为0 5V D NCP1117 C MAXIM产品 MAX8556 E MAX8556 5 基准稳压电源A D转换器 D A转换器常需用高精度基准电压即要求基准参考电压不仅稳定 温度系数也要求小 时漂也要求小 只有这样才能保证有较高的电压采样精度 常用电压基准片有 输入均4 5 30V左右LM336B 2 52 5V 1 10mA 温度系数 20ppmv LM385B 2 52 5V 1 5 10mA 温度系数 20ppmv MC14032 5V 0 025V 10mA 10ppmv AD5802 5V 0 4 10mA 10ppmv 以上稳压电路的输入电压范围 4 5V 30V TL431是输出电压可调的基准电压源 IOUT 100 150mA VREF 2 5V 电压温漂 30ppm 最大输入电压36V 上式中Vref 2 5V红线输出 2 5V 高精度基准芯片 6 负电源输出对于用电池供电的产品如何减少电池数量 为整机线路的某些IC 如双电源供电的运放 提供一组负电源是电子产品设计经常会碰到的一个小问题 对于小电流产品可用ICL7660 max1044 解决 ICL7660主要技术指标 工作电压范围 1 5v 10v转换效率 98 正电源输入 负电源输出最大输出电流 50mAC1和C2称为泵电容 一般取10uF 耐压 电源供电电压V 对于大电流输出可用开关电源中的CUK电路解决 二 开关电源设计开关电源分二类 A DC DCB AC DCA DC DC直流电源设计 非隔离式和隔离式1 直流降压斩波电路 BUCK Uout D Uin Uin Ton T 2 直流升压斩波电路 BOOST Uout Uin T Toff 3 升降压和极性反转电路 CUK电路 Uo E Ton Toff 4 多功能DC DC控制芯片 三 智能车直流电源技术1 电源需求A 智能车主直流电机 7 2V 1AB 单片机及外围电路 5 0V200mAC 舵机 6V 1A 传感器供电 摄像头 12V 光电组 3 3V 4 0V电磁组 5V 转换器基准电源 V 10mA 2 供电方案 摄像头组 B 光电组 C 电磁组 三 程控电源设计1 设计任务设计一个输出电压步进可调的数控电压源 并由数码管或LCD显示其电压输出值 具体要求如下 输入电压 10 输出电压 1 5 5V输出步进单位 0 02V输出纹波电压 mV输出额定电流 1A输出电压由数码管显示由 键分别控制输出电压的步进增减具有输出过流保护功能 输出电流达1 5A时 切断输出回路 2 设计方案一主要由线性三端可调稳压器 单片机 数控电位器等组成 结构如下图所示 其核心设计思想是由数控电位器代替传统的机械结构电位器 再由单片机控制数控电位器的阻值大小 从而实现输出电压的步进 图4 23用LM317构成的程控电压源 1 电位器阻值计算 这里IR 50 A 为使负载开路时 也能使输出电压稳定 输出静态电流 必须大于5mA 为此可得 另外 故当输出电压为1 5V时 令 代入上式可得R2值 当输出电压为20V时 又可得 所以 3750 50 3700 2 数控电位器选择由于输出电压调节步进单位为0 02V 故1 5 5V可调输出至少需有175个调节单位 为此可选128级双通道10K 的数控电位器ISL22326 用其内部两只10K 的电位器并联 ISL22326的内部结构如图4 25所示 ISL22326主要技术参数 电源电压 2 7V 5V工作电流 mA电位器阻值 双路10k 阻值位置掉电后保存抽头级数 128级抽头接触电阻 70 控制接口 I2C串行通信操作寿命 1000000次 图4 25ISL22326的内部结构图 表4 4ISL22326引脚描述 上述方案具有电路结构简单 成本低 易实施等优点 但是它的缺点也是明显的 那就是电源效率太低 尤其当输出电压为1 5 时 其系统效率最低 设计方案二 1 单片机选择考虑到BUCK电路的开关工作频率需在20Khz以上 故选用总线频率高 并自身带 发生器的单片机较合适 为此选用 reescale公司的 单片机 单片机引脚排列如图4 27所示 图4 27 单片机引脚排列 SH8主要技术参数 电源电压2 7V 5V总线频率20MHz12通道10位ADC2通道PWM发生器SPI I2C UART通信接口各1个最多18个外部I O接口程序存贮器8KB 512BRAMI O口最大工作电流 25mA通过VDD的最大工作电流120mA 本设计方案所需单片机的 口分配 通道 路 输出 路 按键 路过流保护继电器1路 或 显示需 个普通I O口故SH8实际共用 根 选其内置振荡器工作方式 频率选 选 位 此时单片机实际产生的 频率可达 2 MOS管驱动电路本设计方案中驱动电路IC2起两个作用 一是实现电平转移 二是增大驱动电流 降低开关管功率损耗 常用的驱动芯片有 等公司生产 在本电路中选用 公司的 利用其高端 HO 驱动 3 显示LED动态扫描电路中三极管 处于开关状态 故 4 主电路电感设计为使电流连续 临界电感量为 故实取电感 为33u 5 输出滤波电容实取滤波电解电容E2为100UF 16V 6 管选择由于输入电压为10 而最大额定输出电流为 故可选ONSEMI公司 管NTJS4160 30 3 2 60m 7 续流二极管选择选MBRS230肖特基二极管 其技术参数为 V 2 30 40 V 2 时 8 过流保护电路选过流保护采样电阻R5为0 1 R6和R7为10K R8为220K R15为1K 驱动三极管选S8050 过流保护继电器选12V 5A B AC DC开关电源设计1 1设计要求已知条件 输入电压AC 85 256V输出功率PO 15W输出电压 7 5V纹波电压 50mV1 2电路结构选择考虑功率较小 可选择单端反激式 主要选择AdvancedPowerIntegration公司集成控制芯片 TOP202VDS 700V DMAX 0 6P 15W 30W FS 100KHZ主要参数和电路结构见手册 1 3高频变压器设计A 计算最大和最小输入电压 1 3高频变压器设计A 计算最大和最小直流输入电压 加到变压器初级 Vmin 1 1 Vacmin 1 1 85 93VVmax 1 4142 Vacmax 1 4142 265 375V B 输入电流平均值 C 输入电流峰值取1 DMAX取0 6D 输入电流有效值 E 计算变压器初级电感量 F 计算变压器原副边匝比 选PC40RM6磁芯 其饱和磁通密度BT 390mT 有效截面积Ae 37