论文：高精度稳压电源的设计与改装

毕业设计 论文 设计设计 论文论文 题目题目高性能稳压电源的设计与改装 姓姓 名 名 刘春艳 学学 号 号 20078004028 学学 院 院 机电与信息工程学院 专专 业 业 测控技术与仪器 年年 级级 2007 指导教师 指导教师 吕铁良 目目 录录 摘 要 1 前 言 2 一 设计方案 3 一 AC 输入和偏置电源 4 二 控制逻辑部分 5 三 D A 转换电路 6 四 A D 转换电路 6 五 电网及其控制部分 6 六 接地逻辑 7 七 前面板 7 二 关键电路仿真分析 8 一 输入电路 9 二 整流滤波电路 9 1 整流电路 9 2 滤波电路 12 三 稳压电路 14 1 启动电路 14 2 基准电压电路 17 3 取样比较放大电路和调整电路 18 四 恒压 恒流模式比较电路 20 三 稳压电源技术指标 23 一 特性指标 23 二 质量指标 23 参考文献 25 附 录 26 谢 辞 28 1 摘摘 要要 论文通过对直流稳压电源电路的仿真与分析 为实际制作一台稳压电源做 准备 交流市电通过模拟稳压部分的变压 整流 滤波 稳压等过程变成直流 的稳定电压输出 通过控制逻辑部分的主控制芯片实现对模拟稳压电路的监控 并在用户界面予以显示 为使输出更为精确 模拟稳压电路分为 6V 与 25V 两部分三路输出 在论文中以 25V 输出为例对模拟稳压电路进行分析与介绍 关关 键键 词词 稳压电源 变压 整流 滤波 稳压 Abstract We prepare for the actual production of a regulated power supply through simulating and analysising dc regulated power circuit on these papers Ac mains supply shall display in the user interface as dc voltage output when completed the program of transforming rectifying filter and voltage stabilizing monitoring of the output s stability is accomplished by the main controller in floating logic Analog circuitry consists of two parts of triple for 25V and 6V output for accuracy We are going to analysis and introduce 25V output voltage circuit as an example of regulated power supply Key words regulated power supply transformation rectification filtering voltage stabilizing 2 前前 言言 所谓稳压电源 是指当输入电压或负载在较大范围内波动时 电源的供电电 压保持稳定 不发生明显变化 在所有单元电路和电子设备的整机中 都必须 有直流电源才能正常工作 因此直流稳压电源的应用非常的广泛 不同设备对 电源的电压 电流 稳定度及纹波等的要求各不相同 而提供直流能源的方式 也是多种多样的 直流电源的性能将直接影响整机的可靠性及其性能指标 在 电子设备电源的设计上 要根据电子设备对电源提出的技术指标 发挥不同种 类的稳压器的特点 以此来满足电子设备对电源提出的不同的要求 直流稳压电源的电路形式有很多种 有串联型 开关型 集成电路 稳压管 直流稳压电源等等 据资料显示 从目前使用的情况来看 用量较多的三种常 用的电源主要是 线性电源 脉宽调制 PWM 开关电源和高效率的谐振式开 关电源 表 1 是三种电源的部分技术指标对比状况 表 1 项目线性电源PWM 开关电源谐振变换开关电源准谐振开关电源 RF 噪声无高居中居中 效率 35 5070 8578 9278 92 多路输出无有有有 重量高中偏低中偏低中偏低 价格低高高最高 在电子设备中 直流稳压电源的故障率是最高的 实验室许多旧电源长期工 作在大电流和大电压下 电子元器件损坏程度不一 而且直流稳压电源中 通 过整流 滤波电路所获得的直流电源的电压往往是不稳定的 输出电压在电网 电压波动或负载电流变化时也会随之有所改变 电子设备电源电压的不稳定 将会引起很多问题 所以改造设计质量优良的直流稳压电源有着一定的实际作 用 直流稳压电源的设计方法大致分为两种 一种是模拟方法 电路均采用模拟 电路控制 另一种是数字方法 通过数字电路进行自动控制 随着对电源可靠 性 输出精度和稳定性要求越来越高 利用 D A 转换器的高分辨率和数字编 程的自动检测技术设计高精度稳压电源就显示出其优越性 Agilent 公司的 E3631 是三路输出的可编程直流稳压电源 E3631A 三路电源的特点 80W 功率三路输出 GPIB IEEE 488 RS 232 标准 SCPI 可编程仪器的标准命令 低噪声 低纹波 极好的调整能力和带负载能力 实验室电源设计旨在输出小功率电压 且其精准度要求较高 输入电压即时 变化相对较小 所以线性稳压电源是设计的首选 E3631 的设计标准正切合所 需 在保留其变压器和用户接口的情况下 对性能较低的电源可以仿照 E3631 3 进行模拟电路和控制部分的重新设计 最大程度的利用现有元器件来实现老旧 电源的改造工作 论文以研究为主 主要介绍改造电源的框架结构 各个部分 之间的组成 模拟电路的工作原理 并对其中主要的电路部分进行仿真实现 一 一 设计方案设计方案 E3631A 有两路以浮置公共端为参照的跟踪 25V 输出 有一路隔离的 6 V 输 出 设计仿照它的结构进行 直流稳压电源系统分为两大部分 控制部分和接地部分 电网及其控制电 路 显示面板 数字电路和供电设备的主控制器都包括在控制部分中 接地部 分在用户和供电设备之间提供接口 控制部分可以分作四个部分 DAC 系统 数字逻辑部分 电网及其控制电 路 6V 和 25V 稳压电路 前面板 显示和键盘 控制逻辑部分从接地逻辑部分接收到数字信号 经 DAC 系统转换成模拟信 号之后送至电网及其控制电路以输出稳定的电压和电流 供电设备也将电压输 出采样信号传送回切近的接口控制器和面板上的 VFD 真空荧光显示 数据经 处理后将通过控制逻辑部分和接地逻辑部分送回 图 1 1 电网和控制部分包括使供电设备工作在恒压 CV 或者恒流 CC 模式的 电压 电流控制回路 控制电路将供电设备的输出电压或者电流和编程数据进 行比较后产生差值信号 通过这个信号来传递通过稳压管降低或者升高输出的 信息 A D TLV2556 D A LT2641 25V 稳压电源 模拟电路 6V 稳压电源 模拟电路 光电隔离 控制逻辑部分接地逻辑部分前面板 串行通信 光电隔离 串行通信 4 前面板电路由 VFD 控制器 高电压驱动显示和键盘扫描部分组成 前面板 和控制逻辑电路之间的通信是通过 SPI 串行外围设备接口 完成的 如图 1 2 图 1 2 接地电路配置了一个从属于主控制器的输入输出控制器 这个控制器通过 配置双向传输的光电隔离通信接口形成了与主控制器通信的外部 I O 接口 接 地控制器包括低电平的 GPIB IEEE 488 和 RS232 接口 如图 1 3 图 1 3 分离参考点和偏置电源是为控制部分和接地部分配置的 前面板以控制电 路的逻辑地址为基准而非主控制器的逻辑地址 一 AC 输入和偏置电源 AC 的主要部分通过融合功率模块连接起来 这个模块包含了主要的通信功 能 熔断保护和线性电压选择 100 115 230V 功能 线性电压选择通过改变 变压器主次线圈的匝数之比来完成 变压器的次级线圈通过连接器与主要的电 路板连接 偏置电源包括四个部分 为 6V 稳压电路提供的 15V 电压 为 25V 稳 压电路和浮动逻辑部分提供的 15V 5V 5 1V 电压 为显示部分提供的 16 4V 电压 为接地逻辑部分提供的 5V 电压 在后面的仿真部分将 25V 稳 压电路的偏置部分以电压源代替使用 前面板控制器 键盘 前面板控制器前面板控制器 显示器 键盘 电平转换控制逻辑部分 变压器 输入输出控制器 HP IBRS232 12MHz 谐振 蜂鸣器 光电隔离 控制逻辑部分 5 二 控制逻辑部分 控制共用逻辑包含主控制芯片 基于门阵列的 ASIC 程序芯片 ROM 和 RAM 校正芯片 EEPROM 以及 12MHz 的晶振 控制共用逻辑决定了整个稳 压器件的运作 所有的输出和总线命令都是由主控制器来控制完成的 非易失 性 EEPROM 存储了校正常数 校正安全认证码 校正计数 通过电压校准器给 主控制器复位信号 主控制器是一片 16bit 的微控制芯片 它有接收传递端口 计时 计数端口 8bit 脉冲调制 DAC 端口 以及 10bit 渐进 A D 转换端口 主控制器通过常规地 址数据总线与外部的 RAM 和 ROM 传递数据 当地址锁存器 ALE 信号为正 时 总线传递地址信号 ASIC 锁存地址信号并对相应的芯片使能 低电平有效 译码后由外接 RAM 和 ROM 芯片接收 由读写端口传递给 ASIC 的外部寄存器 校正芯片 EEPROM 包含了四根 64K 8 的数据存储线 它们由主控制器端 口的 P1 6 HLDA P1 7 HOLD 直接控制 EEPROM 引脚 A16 和 A17 的地 址来选择 ASIC 如上所述对信号进行地址锁存和信号译码 另外 它还包含了不同的 内部读写寄存器 当被选择后 读信号 XRD 和写信号 XWR 传递信号进 出集成电路 在 ASIC 中有四个内部寄存器 内部非易失性数据寄存器 8bit 计 数寄存器 系列传送 接收寄存器 内部状态寄存器 供电设备的校正数据存储在 128 16bit 的非易失性电可擦除 ROM 内 它的 读写信号由主控制器控制的 4bit 系列协议存取 主控制器有一个 10bit 的片上渐 近 ADC 输入信号从程序芯片 ROM 的集成 ADC 的输出残余电荷取样 端口 bit 值同样设置了输入电压的频率 从 55Hz 到 66Hz 的频率都将转变为 60Hz 而其他的线性输入电压频率被采纳为 50Hz 主控制器通过光电隔离的异步串行传输协议与接地控制器通信 数据以 187 5k s 的速率送入 11bit 的帧内 当 RS232 接口选择导通时 数据通过隔离器 以 93 75k s 的速率传输 11bit 帧由 1 个启动 bit 8 个数据 bit 一个控制 bit 和 一个截止 bit 组成 如图 1 4 用户门阵列用户门阵列 ASIC 主控制器主控制器 RAMROMEEPROM 阻尼谐振 12MHz 复 位 线 频 ADCDAC 显示 界面 接地 逻辑 6 图 1 4 三 D A 转换电路 所有的电源电路参考电压由 DAC 系统的芯片的内部电压基准驱动 DAC 系统的追踪及保持放大器输出为三个稳压电路提供控制基准电压 DAC 系统通 过 3 线的串行数据总线编程传输数据给主控制器 这三条线是 DAC Readback DAC Data DAC Clock DAC 系统通过多路转换器变为 6 路追踪保 持输出 跟随运放的持续输出每 13ms 逼近重置一次 图 1 5 四 A D 转换电路 ADC 模块将直流电压转变为数字信号 E3631A 所使用的 ADC 方法叫做多重斜率 多重斜率 是一种持续保持 充电平衡的 A D 转换器 输入电压通过电阻向积分电容持续充电 开关芯片确 定正向或者反向电流流向积分电容 以抵消或者平衡输入电源 电阻的转换电 平输出由 ASIC 的 COMP 端口输入端每 2 66uS 检查一次 ASIC 的逻辑状态机 控制开关芯片的电流转向 在电容积分器的输出端持续采集接近 2 5V 的电平 如果 ADC 的输入电压 ADC REF 在 15V 之间 主控制器的片内 ADC 电阻输 出 FLASH 将会维持在 0 5V 之间 在 FLASH 输出之前串接比较器 大于 15V 的电压输入将会使比较器输出达到饱和值 15V 小于 15V 的电压输入将会 使比较器输出达到饱和值 15V 主控制器的 ADC 输入电压被分压电阻和二极 管序列限制在 0 5V 之间 以保护主控制器的安全工作 每一路的 A D 转换都是在持续进行的 ASIC 的积分边坡计算清零引起 ADC 转换 在积分周期结束时 边沿下降被锁存 为输入电压的变换提供有效 bit 值 残余 bit 值在主控制器的片内 ADC 转换完成 7 五 电网及其控制部分 在电路的开始 顺序通道半导体管之前放置了一个前置调节器 根据输出 电压的大小 通过控制通过电容滤波器的 DC 电平来减小功率的耗散 顺序通道半导体管改变其传导信号来保持一个持续稳定的输出电压或者电 流 输出电压或者电流改变时 电压或者电流取样放大后通过顺序通道半导体 管输出一个频率与幅度正与变化的电压或者电流相抵消的信号 详细的分析参 考后面的仿真电路 6V 电网和控制电路与 25V 电网和控制电路是类似的 但是前者没有前 置调节器 两者相互隔离 25V 电网和控制电路共用同一个输出端 六 接地逻辑 接地逻辑电路为整个后面板提供输入 输出能力 微处理器通过总线端口 芯片和总线接收驱动芯片控制 GPIB IEEE 488 和 RS232 端口 RS232 收发 器芯片通过片内电容的充电电压提供电平转换为 9V 逻辑电平 接地逻辑端 口电路与控制逻辑部分的通信通过光电隔离的双向串行接口完成 光电隔离器 与微处理器的数据耦合后传送至主控制器 主控制器的数据要与光电隔离器完 成耦合才能送回微处理器 七 前面板 前面板回路包括真空荧光显示器 高电平驱动显示和键盘扫描部分 前面 板通过 4 线的全双工串行通信接口与浮动逻辑部分的通信 主控制器通过信号 IGFPRES 使前面板的控制器硬件复位 前面板逻辑部分工作在 11 4V 逻辑为 1 和 16 4V 逻辑为 0 的电压 前面板的逻辑高电平由 16 4V 电压的偏置电 路和稳压器提供 比较器将浮动逻辑电平 0V 到 5V 转换到 16 4V 到 11 4V 集 合形成四线传输的电平信号 显示器的正极和栅极电压的 16 4V 表示 on 16 4V 表示 off 显示器 的负极偏置电压为 10 2V 由绕组抽头的偏置电路提供 键盘扫描是由常规行 列键矩阵完成的 前面板的控制器输出端口 P0 0 到 P0 3 的输出信号检查键盘的 列 若键按下 线路导通 读回的数据通过微处理器的 P1 0 到 P1 3 端口解码后 送至浮动逻辑部分 8 220V AC 二 关键电路仿真分析二 关键电路仿真分析 开关电源与线性电源的根本区别在于电路中的变压器不工作在工频而是工 作在几十千赫兹到几兆赫兹 其功率管不是工作在线性区而是饱和区或截止区 即开关两种状态 由于管子饱和导通时管压降 Vces 和截止时管子的电流 Iceo 都很小 管耗主要发生在开与关的转换过程中 故电源工作效率可达 75 95 开关稳压电源的稳压范围宽 它是将交流市电整流后的直流电压通过 开关管的开关作用将直流电变换成交流脉冲 再经过整流滤波将交流脉冲变成 直流电压 所以 只要开关电路能够正常工作 就能够输出稳定的直流电压 开关式稳压电源允许输入的电压大范围的变化 故特别适用于电网电压波动较 大的地区使用 其优点是体积小 重量轻 稳定可靠 缺点相对于线性电源来 说纹波较大 一般小于 1 Vo P P 或更小 线性稳压电源的类型较多 应用最广泛的是串联型稳压电路 在线性稳压 电源中 晶体管相当于一个可变电阻 串接在供电回路中 交流市电由变压器 降 或升 到所需要的数值后 由整流器把方向 大小都变化的交流电变成单 一方向的直流电 这时的直流电是方向不变但大小有变化的脉动电压 经滤波 后可除去快速变化的纹波部分 得到基本平滑的直流稳压加到调整管输入端 由调整管调整后输出 Uo 电压提供给负载使用 图 2 1 1 稳压控制 Uo 输出电压一路提供给负载使用的同时 还有一路加到取样电路上 由取 样 放大电路对输出的电压进行取样 得到的误差电压来控制调整管的输出电 压 以使该电压保持稳定 不受负载和输入电压变化的影响 当输出电压 Uo 发生变化时 通过取样电路取出输出电压的一部分 或全部 与基准电压比较后 比较放大器比较其电压变化 并将这一变化量进行放大 送至调整管基极 调整管用比较放大器提供的信号来对其输出电压进行调整 使其波动值减小到最低限度 从而达到输出电压的目的 一般来说 比较放大 器的放大倍数越大 稳压输出电压的稳定度就越高 2 保护控制 上图中用虚线画出了过载取样与保护控制两部分电路的结构框图 串联稳 Uo 变 压 器 整流 滤波 电路 调整管 保护电路 过载取样 比较 放大 基准 电压 取 样 9 压电路中的调整管是与负载相串联的 负载所需要的电流都经过调整管 当使 用不慎或其他原因使输出短路或过流时 调整管中就会有很大的电流通过 且 几乎全部整流输出电压会加在调整管的 c e 极之间 故容易使调整管损坏 为 此 串联型稳压电路应设置过载保护电路 当负载电流一旦超过设定的数值时 过载取样与保护电路会自动启动工作 限制输出电流的大小或者切断电路 保 护调整管不致损坏 当故障排除之后 电路恢复正常 线性稳压电源的优点是稳定性高 纹波小 可靠性高 易做成多路输出连 续可调的电源 线性稳压电源的调整管工作在线性区 靠调整管极间的电压降 来稳定输出 稳压线路中可变电阻与负载流过相同的电流 因此会消耗大量的 能量并导致升温 电压转换效率低 由于调整管静态损耗 Pc Vce Io 相当大 需要安装一个很大的散热器给它散热 并且线性稳压电源的变压器工作在工频 50Hz 上 重量较大 所以 线性稳压电源体积大 较笨重 效率相对较低 一 输入电路 稳压电源输入电路基本由抗干扰和变压两部分组成 抗干扰电路主要作用 在于滤除外界的干扰信号 并防止稳压电源产生的干扰信号污染电网 变压部 分将市电转换为低压电供给后续的稳压电源电路 线性稳压电源配置电源变压器 其抗干扰的办法多是利用电源变压器初级 与次级绕组之间的一层屏蔽层接地来实现的 线性稳压电源需要使用变压器先将交流市电 220V 转变成为低压以供给后续 整流 滤波 稳压电路完成稳压工作 在本设计中 使用同一处的初级变压线 圈 通过不同的次级变压线圈变压得到相应的所需电压 供给 25V 稳压模块 6V 稳压模块 A D 转换和 D A 转换模块以及 UI 面板 作为输入电源和控制 使用 0 25V 稳压电路分析中 变压器将 220V 市电降压为 由 2 2sin i t vV 后面的分析可得 即 2 30 33 33 0 9 V V V 47 13sin i t V v 二 整流滤波电路 1 整流电路 利用二极管的单向导电特性将交流电压转变为单向脉动电压的过程称为整 流 在线性稳压电源电路中 整流前的电压来自变压器 整流后的直流电压通 常较高 故对二极管的耐压要求较高 常见的整流电路有半波整流电路 全波整流电路及桥式整流电路 因桥式 整流电路输出电压高 纹波电压较小 管子所承受的最大反向电压较低 同时 10 220V 50Hz 电网电 压 因电源变压器在正 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 所以只针对于桥式整流电路进行理论数据的分析 其典型电路 如下图所示 图 2 2 输入为正半周时 VD1 与 VD3 导通 负载电阻上得到一个与 V2 相同的 波形 输入为负半周时 VD2 与 VD4 导通 负载电阻上的波形仍与 V2 相同 所以 桥式整流与全波整流的电压波形是相同的 用傅里叶级数对整流输出的单向脉动电压 VL的波形进行分解后可得 2 2444 2 cos2cos4cos6 31535 L ttt vV 式中恒定分量即为负载电压的平均值 因此有 Lv 2 2 2 0 9 L V VV 直流电流为 2 0 9 L L V I R 最低次谐波分量的幅值为 角频率为电源频率的两倍 即 其他交 4 2 3 2 流分量的角频率为 等偶次谐波分量 即纹波为这些谐波分量之和 常 4 6 用纹波系数来表示直流输出电压中相对纹波电压的大小 即 K 22 2LL LL VVV K VV 式中为谐波电压总的有效值 它表示为 LV Vi V2 RL VD4VD1 VD3 VD2 C 11 2222 242 LLLLVVVVV 式中 和分别表示二次 四次谐波的有效值 由 和 得出桥式整流 2LV4LV 电路的纹波系数 由于输出的直流电压存在一定 2 2 0 483 1 0 9 1K 的纹波 故需要用滤波电路来滤除纹波电压 在桥式整流电路中 二极管 D1 和 D3 D2 和 D4 是两两轮流导通的 所以 流经每个二极管的电流为 2 0 45 1 2 DL L V II R 二极管在截止时管子两段承受的最大反向电压为的最大值 即 2v 2 2 RMVV 一般电网的波动范围为 10 所以实际上选用二极管时最大整流电流和 最高反向电压应留有大于 10 的余量 图 2 3 图 8 是 25V 稳压电源设计中的前端电压源选择电路 N2 线圈分为上下两部分 线圈匝数相等 即两段线圈输出电压值相等 稳 压电源输出设计为 25V 连续输出 设计 N2 线圈总输出电压平均值为 30V 即 1 线圈 2 线圈分别输出 15V R4 R5 是取样电阻 取出信号后送与比较器与 AD 基准电压 4 98V 相比 较 如果输入端电压值大于 AD 基准 即输出电压 Vi 1 2 UL 12 220V 50Hz 电网电 压 4 98 105 62 13 84 5 62 L V kkV k U 那么比较器将正的差值信号放大输出 二极管 D3 导通 三极管 T1 导通 与 R1 及发光二极管形成回路 可控硅中有电流流过 线圈 1 的电压通过 D1 D2 与桥式整流管的两个负半周导通二极管形成的新的桥式整流电路 与线圈 2 共 同工作 输入平均值为 30V 的电压 否则 当比较器通向输入端电压小于 AD 基准时 二极管截止 三极管不导通 发光二极管因回路断开无法导通 线圈 1 不输入电压 仅有线圈 2 通过整流桥提供平均值为 15V 的脉动电压 即 输 出电压小于 13 84V 时 输入线圈 N2 仅有下半部分使用 输入 15V 的交流电 压 输出电压大于 13 84V 时 输入线圈 N2 上半部分启用 输入 30V 的交流 电压 为便于分析 线性直流稳压电路设计仿真电路中暂时使用电压发生器代替 以上部分 2 滤波电路 滤波电路用于滤除整流输出电压中的纹波 一般由电抗元件组成 由于电 抗元件在电路中有储能作用 并联的电容器 C 在电源给的电压升高时 能把部 分能量储存起来 而当电源电压降低时 就能把电场能量释放出来 使负载电 压比较平滑 即电容 C 具有平波作用 另外 电感 L 也有这种作用 适用于较 大功率电源中 1 滤波电路特性分析 以下图为例 图 2 4 若负载未接入 电容两端初始电压为 0 交流电源向电容充电 充电时间 常数为 包括变压器二次绕组的直流电阻和二极管 D 的正向 intc C R intR 电阻 所以一般很小 未接入负载之前 电容两端充电后的电压保持不变 intR 即 2 2V 刚接入负载时 二极管受到反向电压的作用立即截止 电容经 RL 2vcv ViV2 RL VD4VD1 VD3 VD2 C 13 放电 时间常数 一般 RL比较大 电容放电曲线平缓 当交流电 LR C R 压按正弦曲线上升到大于时 电容转而充电 直至 2vcv2 2V 图 2 5 在纯电阻负载时 变压器次级线圈电流的有效值 有电容滤 21 11LII 波时 2 1 5 2 L I I 电流的有效值和平均值的关系与波形有关 在平均值相同的情况下 波形 越尖 有效值越大 负载平均电压升高 纹波越小 越大 放电时 LR C R 间越长 则纹波成分越少 一般取 T 为电源交流电压的周 3 5 2 LR T C R 期 负载直流电压随负载电流增加而减小 当负载无穷大时 因 C 值一定 则 无穷大 那么输出电压即是电容充电电压 当 C 0 时 R 22 21 414 LVVV 输出为 整流电路的内阻不太大而放电时间比较久时 电容滤波电 2 0 9 LVV 路的负载电压与变压器次级电压的关系为 2 1 1 1 5 LVV 所以 由以上分析知道 电容滤波电路简单 负载直流电压较高 纹波也 较小 其缺点是输出特性较差 故适用于负载电压较大但负载变化不大的电路 中 2 滤波电路参数计算 滤波电路是以稳压电路为负载的 可以认为是恒流放电 则滤波电路的容 量可以根据以下公式计算 L Ic t C U 式中 t 为放电时间 采用桥式整流电路时 最大放电时间可取交流电源的半 周 2 2V C 充电C 放电 2vcv 14 IC是滤波电容放电电流 一般可取最大负载电流 是滤波电容上电压在平均值上下的波动量 本次计算取 2V LU 由公式可计算所得值 1 01A 10ms C 2 525 4V mF 电容的耐压值应按市电电压升到最大值以及负载为空载的情况进行选择 即 Ucm 1 121 123046 67V 所以选择电容值为 3mF 承受最高电压为 100V 的电容 三 稳压电路 典型的串联型直流稳压电路是由调整电路 基准电压电 取样比较放大电 路三个部分组成的 1 启动电路 在集成稳压器中 常常采用许多电流源 但是当输入电压建立时 电流源 却因难以自行导通而不能形成输出 所以需要有一个启动电路来完成这个任务 稳压电路中调整器使用 PNP 三极管 因基极初始电压由比较放大管的基极 与发射极电压提供为正 调整管无法导通 所以建立如下图所示的启动电路 D1 1N4004 R22 14 7k T5 MMBT2222ALT1 Z1 BZV55C9V1 R23 261 R24 14 7k AM1 AM2 AM3 VF1 VF2 VF3 AM4 VS1 15 图 2 6 在图中的 Z1 管是一个齐纳二极管 又称稳压二极管 简称稳压管 它利 用 PN 结反向击穿时电压基本上不随电流变化而变化的特点来达到稳压的目的 所以在稳压电路中应用广泛 齐纳二极管内部也是一个 PN 结 正向特性与普 通二极管一样 但其半导体材料掺杂多 所以反向击穿电压值较低 而且 其 15 几何尺寸较大 散热条件好 所以齐纳二极管在反向特性上具有特殊的性能 齐纳二极管的伏安特性与一般二极管类似 只是具有更加陡峭的击穿电压特性 而且击穿特性的重复性很好 在工作电流不超过最大允许值的情况下 齐纳二 极管可以稳定的工作在反向击穿状态 齐纳二极管 Z1 反向击穿电压为 9 15V 击穿电流为 5mA 电流未击穿时其 反向电压为 0V 15V 15V 于是二极管击穿 三极管基极电阻为 10 发 射极电阻为 229m 那么大致可计算出反向击穿二极管的电流为 22mA 左右 仿真结果 图 2 7 三极管基极电压为 9 1V 18 7mA26113 98V 三极管基极电流 b 15V 9 1V 18 7mA261 18 7mA 17 93 14 7k I mA 所以 三极管导通 下面先简单介绍一下稳压芯片 LM317 它的内部电路有比较放大器 偏置电路 电流源电路和带隙基准电压 等 器件本身无接地端 所以消耗的电流都从输出端流出 内部基准电压 REFV 为 1 25V 接至比较放大器的同相端和调整端之间 16 图 2 8 接入外部电阻后 输出电压 2 2222 11 1 REF adjadjOREFREFREF VR VVVVI RIRI R RR LM317 的基准电压为 1 25V 由于调整端电流远小于 I1 故可 50 adj A I 以忽略 上式简化为 2 1 1 OREF R VV R 15V T1 MMBT2222LT1 IN ADJ OUT U5 LM317 Z1 BZV55C9V1 D4 1N4004 R9 14 7k R10 261 lm R11 14 7k C9 100n R24 34 8 图 2 9 因该电路中与公式中相应的 R2 0 所以输出电压即为 LM317 的基准电压 在此电路中 LM317 与电阻 R24 电容 C9 构成一个恒流源 输出电流 基准电压 1 25V VREF VI 调整管 I1 I2 VO 17 仿真结果 24 1 251 25 35 92 34 8 m VV mA l R 如此 输入电流等于输出电流为一定值 它不会随稳压电源其他设置点的 变化而变化 之后 因调整管为 PNP 管 有电流从基极流出 基极与集电极电 压反向偏置 三极管导通 开始稳压工作 2 基准电压电路 基准电压是当代集成电路极为重要的组成部分 在稳压电路的设计当中 数模转换器 DAC 模数转换器 ADC 和稳压器都需要精密而又稳定的电 压基准 下图是提供给 A D 转换模块的基准电压 REF02A 芯片左侧的电压源接跨接线给各个比较器和保护电阻提供电压 REF02A 是一个稳压芯片 当输入电压为 15V 时 输出电压值为 5V 在 电路仿真时 实际输出电压值为 ADC REF 4 98V 将此电压提供给输入电压 选择模块 输出接反向放大器 其放大倍数 AV R23 R22 1 所以反向放大器输 出电压为 Vref 4 98V 此输出在 25V 输出电路中提供与 ADC REF 输出端相同 的作用 作为输入电压选择模块比较器的基准端 15V 15V 5V ADC REF Vref 15V 15V REF02A Trim Out Vin Gnd U2 REF02A VA 15 VA 15 V5 5 OP3 TL074R22 14 7k R23 14 7k ADC REF Vref 图 2 10 仿真结果如下 18 3 取样比较放大电路和调整电路 下面介绍的电路中有两路取样比较电路 一路为电压取样比较电路 一路 为电流取样比较电路 1 电压取样比较 首先 当负载较大 电路处于恒压工作模式时 在电压取样比较电路中 比较器的同相端末端称为 25V CV REF 端 此端输入值决定稳压电路输出电压 值的大小 在总体电路中 它由用户界面输入 D A 部分处理后给出 假设其 值为 X 15V 15V 15V T3 TIP34C T2 2N3053 R2 38 3k U1 BAV99W OP1 TL074 C4 2 2u R3 215 D1 BAS16 C5 100pC6 10n R4 22 1k 25V CV REF 1 25V CV CONST 0 R8 200k C8 1u D3 1N4004 VF1 VF4 VF2 VF7 图 2 11 电路中 25V CV CONST 端电压值为 0 由放大器虚短虚断的原理可知放大器 的正向输入端电压等于反向输入端电压 都为 0 于是 则在 R8 R4 构成的通路上有 4 4 0 22 1 R VXX k I R 即 84 O X U RR 4 8 0 1105 OO X R UU R 所以 所以在恒压模式下 输出电压随基准设定绝对值的增大呈线性增大 状态 UO UO V X V 25 0 2 7625 19 仿真结果如下 X 0 X 2 76V 2 电流取样比较 15V 15V 15V 15V 15V T3 TIP34C U2 BAV99W T2 2N3053 R2 38 3k U1 BAV99W U3 BAV99W OP1 TL074 C4 2 2u R3 215 D1 BAS16 C5 100pC6 10n R4 22 1k 25V CV REF 1 25V CV CONST 0 OP2 TL074 C7 2 2u R5 1k R6 196k R7 17 8k 25V CC REF 5 D2 BAS16 R8 200k C8 1u D3 1N4004 VF1 VF5 25RTB VF4 VF2 VF7 VF8 VF3 25V I Mon R13 200m 图 2 12 当负载较小 负载电流大于 1A 时 电路将转入恒流工作模式 在电流取样 比较电路中 比较器的同相端末端称为 25V CC REF 端 此端输入值决定稳压 电路最大输出电流值的大小 在总体电路中 它由用户界面输入 D A 部分处 理后给出 电流从左向右流入 D4 管 因为右端接地 所以 VR13 0 那么假设 25V CC REF 端的值为 Y 因放大器虚短 虚断的原理 2513VIMonRVV 825VIMonVFV 38VFVF 73 67 17 80 083 19617 8 YY kY kk VFR RR 启动 电路 UiUo 20 负载电阻为 RL 那么 1313 2021 0 20 2 200 2613 16264 16 OOOO RO LLL m kkk UUUU VUR RRRRR 即 所以 0 20 217 8 264 16213 8 O L k Y kk U R 460 06 2 2735 10 O L Y U R 当负载的电压值确定之后 输出电压随基准设定绝对值的增大呈线性增大状态 令 RL 25 仿真如下 比较放大器输出的电压一路给恒压 恒流比较器提供输入信号 一路相互 整合后送至推动管 T2 的基极输入端 稳压电路工作在恒压模式时 如果电网电压波动或负载有变化而引起输出 电压值变大 那么恒压比较器输入端电压大于零 运放转入正饱和状态 增大 的电压差值为正值 它与恒流比较器输出的电压相加减后电压值增大 放大后 加在推动管 T2 上 那么 T2 管的发射极电流相应增大 因启动电路输入电流为 恒定值 T3 管的积极电流变小 继而 T3 管发射极电流减小 即负载电流减小 所以负载电压相应下降 从而完成反馈调节 稳压电路工作在恒流模式时 如果电网电压波动或负载有变化而引起输出 电流值变大 因电流流经 R8 产生负值电压 恒流比较器反向输入端电压绝对值 增大 正 负向输入端电压差值减小 放大后加在推动管 T2 上的电压增大 那 么 T2 管的发射极电流相应增加 因启动电路输入电流为恒定值 T3 管的基极 电流减小 继而 T3 管发射极电流减小 即负载电流减小 从而完成反馈调节 Y V 25 0460 06 2 2735 10 LR Uo V 21 四 恒压 恒流模式比较电路 比较器是一种用来比较输入信号 Vi 和参考电压 Vref 的电路 在实际应用 中 最重要的两个动态参数是灵敏度和响应时间 或响应速度 运放处于开环 工作状态 具有很高的开环电压增益 LP339 5 1 的比较输出最大值 VH 14 98V 比较输出最小值 VL 14 99 TL074 作为比较器差值放大最大 最小值为 13 48V 参考电压加在运放的同相端 称为反向输入单门限电压比较器 根据运算 150 31 610 24 14 731 6 ref VV kV kk v 15V 5V 5V 15V 15V 15V 15V U4 LP339 5 1 U6 LP339 5 1 R14 14 7kR15 31 6k R16 14 7k R17 14 7k R18 4 99kR19 4 99k D5 BAS16 D6 BAS16 25CV 25CC 图 2 13 当输入信号电压 Vi1 OP1 的输出电压值 小于参考电压 即差模输入电压 Vid Vi Vref0 时 运放立即转入负饱和状态 Vo VL 时 Vo 5V 因运放输出电阻很大 故在 R16 和 R18 上几乎没有电流 那 么 V 25VCV 5V 表示电路工作在恒流模式 输出高电平信号送给逻辑芯片引脚 对于输入信号 Vi2 的分析参照输入信号 Vi1 仿真如下 恒压工作模式 Vref Vi1 Vi2 22 恒流工作模式 23 三 稳压电源技术指标三 稳压电源技术指标 稳压电源的技术指标分两种 一类是特性指标 反映直流稳压电源的