線性穩(wěn)壓電源設(shè)計終結(jié)版

1、線性穩(wěn)壓電源設(shè)計吳玉鳳(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044)摘 要：在電子電路中，通常需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電，小功率穩(wěn)壓電源一般是由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓四部分電路組成，將輸入220V交流電轉(zhuǎn)換成正負雙輸出穩(wěn)定電壓12V的直流電源。變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟?；整流電路用來將交流電壓變換為單向脈動的直流電壓；濾波電路用來濾除整流后單向脈動電壓中的交流成分，使之成為平滑的直流電壓；穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)輸入交流電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。關(guān)鍵詞：直流穩(wěn)壓電路；整流 ；濾波；穩(wěn)壓；直流輸出中圖分類號： 文獻標志碼：ALinear regu

2、lated power supply designYuFeng Wu（School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China ）Abstract: In electronic circuits, usually needs a stable voltage DC power supply, low-power voltage is normally composed of the four portion: the power transformer

3、, rectifier, filter and regulator, converting input 220V AC into positive and negative output stable voltage 12V DC power supply. The transformer alternates the electric AC voltage to low voltage AC need; rectifier circuit is used for transform AC voltage into unidirectional pulsating DC voltage; fi

4、lter circuit is used to filter out after rectifying the unidirectional pulsating voltage of the AC component, making it a smooth dc voltage; role of the regulator is when the AC input voltage, load, and temperature changes, maintain stability in output DC voltage.Key words: DC voltage regulator

5、 circuit; rectification; filter; regulator; DC output收稿日期：2013/5/20 ；修訂日期：一、 引言電子設(shè)備用直流穩(wěn)壓電源的歷史大約有五十年了。 五十年來出現(xiàn)了各種各樣的直流穩(wěn)壓電源，但根據(jù)穩(wěn)壓的方式，一般可歸納為三大類：線性電源、鐵磁諧振電源和開關(guān)電源。線性直流穩(wěn)壓電源中的調(diào)整元件工作在線性放大狀態(tài)，是一種連續(xù)調(diào)整輸出電壓的方法，所以稱之謂線性電源。按調(diào)整元件對于未穩(wěn)定的輸入直流電壓和負載的連接方式可以分為串聯(lián)調(diào)整式和并聯(lián)調(diào)整式兩種。調(diào)整元件可以是電子管或晶體管。電子管穩(wěn)壓電源中的調(diào)整元件、放大元件、基準電壓穩(wěn)壓管等都是電子管的。隨著

6、半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，到六十年代初期使用晶體三極管、二極管的晶體管穩(wěn)壓電源就取代了電子管穩(wěn)壓電源，直流穩(wěn)壓電源就由第一代而進入第二代。鐵磁諧振電源主要是指恒壓變壓器整流方式這一類。這種電源的優(yōu)點是簡單、可靠和成本低，曾廣泛應(yīng)用于對體積和重量要求不高的場合。它能有效地隔離來自電網(wǎng)的噪聲，而且沒有過電壓的危險，不需要過電壓保護電路。它的缺點是體積大而笨重；對電網(wǎng)頻率變化敏感；負載穩(wěn)定度不高。1 9 6 6 年前后又出現(xiàn)了參數(shù)變壓器。參數(shù)變壓器由LC 并聯(lián)諧振電路組成, 本質(zhì)上是一個功率振蕩器。它具有很好的濾波性能和穩(wěn)壓性能, 有過載、過壓、欠壓保護作用。參數(shù)變壓器有許多優(yōu)良特性, 人們認為它是有發(fā)展前

7、途的。所謂開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源系指以開關(guān)工作方式控制輸出電壓的直流穩(wěn)壓電源。四十年代發(fā)展起來的磁放大器開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源是利用鐵芯的“飽和”、“非飽和”兩種狀態(tài)進行開關(guān)控制的，那是一種低頻磁放大器。五十年代后期到六十年代盛行的可控硅相控整流方式也屬于開關(guān)電源一類。六十年代初出現(xiàn)了脈寬調(diào)制型開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源。七十年代初開始迅速發(fā)展了高頻開關(guān)功率變換技術(shù)、主要是指變換器方式的高頻開關(guān)式直流穩(wěn)壓電源。這是當(dāng)代一種先進的直流穩(wěn)壓電源, 是第三代的直流穩(wěn)壓電源。在電子線路的相關(guān)應(yīng)用中, 電源是其必不可少的部分, 電源系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)劣和性能的可靠性直接決定著整個電子設(shè)備的質(zhì)量。直流穩(wěn)壓電源作為直流能量的提供

8、者, 在各種電子設(shè)備中有著極其重要的地位, 它的性能良好與否直接影響到電子產(chǎn)品的精度、穩(wěn)定性和可靠性。隨著電子技術(shù)的日益發(fā)不太復(fù)雜的電子線路發(fā)展到今天具有較強功能的模塊。人們對電源的質(zhì)量、功能和性能要求也隨之變得越來越高。本文介紹一種以可調(diào)式穩(wěn)壓器為核心組成的正負輸出可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源。該電源主要由電源變壓器、單相橋式整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等部分所組成。本設(shè)計的主要內(nèi)容是圍繞著如何使串聯(lián)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源輸出直流電壓穩(wěn)定、脈動成分減小而展開的。首先介紹了穩(wěn)壓電源的設(shè)計方法，接著介紹了電容濾波電路的性能特點，然后介紹了各單元電路設(shè)計仿真，并在電路中采用了提高穩(wěn)定度，提高溫度穩(wěn)定性及限流型過流

9、保護電路的具體措施，以確保電路安全穩(wěn)定的工作。二、系統(tǒng)設(shè)計思路1.1 實驗?zāi)康恼莆占煞€(wěn)壓電源的實驗方法掌握用變壓器、整流二極管、濾波電容和集成穩(wěn)壓器來設(shè)計線性直流穩(wěn)壓電源的方法掌握直流穩(wěn)壓電源的主要性能參數(shù)及測試方法進一步培養(yǎng)工藝素質(zhì)并提高基本技能1.2基本電路框圖設(shè)計直流穩(wěn)壓電源電路一般由電源變壓器，整流電路，濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。電源變壓器的作用是將電網(wǎng)220v的交流電壓變換成整流濾波電路所需的低電壓；整流器將變壓器輸出的交流電壓變成脈動的直流電壓，經(jīng)濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。本設(shè)計主要采用直流穩(wěn)壓構(gòu)成集成穩(wěn)壓電路，通過220V 50HZ交流電壓經(jīng)電源

10、變壓器降壓后，通過橋式整流整流成直流電再經(jīng)過濾波電容平滑直流電，減少直流電紋波系數(shù)。最后，通過三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，將輸出電壓穩(wěn)定在24V左右。三、設(shè)計任務(wù)及要求1、設(shè)計并制作一個線性穩(wěn)壓電源，主要技術(shù)指標：輸出電壓：UO=-12V+12V最大輸出電流：IO,max=1A輸出電壓變化量：UO5mV穩(wěn)壓系數(shù)：Sv0.003 2、設(shè)計電路結(jié)構(gòu)，選擇電路元件，計算確定元件參數(shù)四、線性穩(wěn)壓電源的組成及各部分的功能4.1 變壓器 變壓器由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個或兩個以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。變壓器的基本原理是電磁感應(yīng)原理，當(dāng)初級線圈中通有交流電流時，鐵芯（

11、或磁芯）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級線圈中感應(yīng)出電壓（或電流），從而將市電電壓轉(zhuǎn)化為電路所需的低電壓。為防止線路電流過大，在變壓器次級輸出應(yīng)加上保險絲。理想變壓器滿足I/I=U/U=N/N=1/n。4.1.1 變壓器的選擇：確定副邊電壓U2： 假設(shè)性能指標要求：Uo,min=12V Uo,max=+12V Io,max=1A 又 UiUo,max+Ui-Uomin/0.9 UiUo,min(Ui-Uo)max 其中，Ui-Uomin =3V，(Ui-Uo)max=35V 16.67VUi23V 在此范圍內(nèi)可任選： Ui=16.67V 根據(jù) Ui=1.2UL；UL=0.9U2 可得變壓器的副邊電壓U

12、215V 變壓器的變比 n=22015 =14.6 而實際上我們設(shè)計的是上下對稱的正負12V直流，相當(dāng)于對地壓降為24V的直流，因此N應(yīng)該取一半，即N=7。 確定變壓器副邊電流I2： Io,max=1A 又副邊電流I2=（1.52）Io,max 則I2=1.5×1A=1.5A 選擇變壓器的功率 變壓器的輸出功率：P2>I2×U2=22.5W =P2P1其中：是變壓器副邊的功率，是變壓器原邊的功率。一般小型變壓器的效率如表1所示：當(dāng)算出了副邊功率后，就可以根據(jù)上表算出原邊功率。本次課程設(shè)計變壓器副功率大于22.5W，由表可知其效率=0.7，則變壓器原邊功率為32W.表1

13、 小型變壓器的效率副邊功率效率0.60.70.80.85 4.2 整流電路 整流電路的作用是將變換后的交流電壓轉(zhuǎn)換為單方向的脈沖電壓。由于這種電壓存在著很大的脈動部分，因此，一般還不能直接用來給負載供電，否則，紋波會嚴重影響到負載的性能指標。 整流電路一般由具有單向?qū)щ娦缘亩O管構(gòu)成，經(jīng)常使用單相半波、單相全波和單相橋式整流電路。由于半波整流電路只利用電源的正半周，電源的利用效率非常低，所以半波整流電路僅在高電壓、小電流等少數(shù)情況下使用，一般電源電路中很少使用。半波整流電路的效率較低，于是人們很自然的想到將電源的負半周也利用起來，這樣就有了全波整流電路。全波整流電路采用兩個二極管，每個整流二極

14、管上流過的電流只是負載電流的一半，比半波整流小一倍。由于全波整流電路需要特制的變壓器，制作起來比較麻煩，于是出現(xiàn)了一種橋式整流電路。這種整流電路使用普通的變壓器，但是比全波整流多用了兩個整流二極管。四個整流二極管連接成電橋形式，所以稱這種整流電路為橋式整流電路。橋式電路整流過程中，4個二極管輪流導(dǎo)通，無論正半周還是負半周，流過負載的電流方向是一致的，形成全波整流，將變壓器輸出的交流電壓變成脈動的直流電壓。 4.2.1 橋式整流電路工作原理 圖2 單相橋式整流電路單相橋式整流電路由四個整流二極管接成電橋形式，故稱為橋式整流。設(shè)變壓器二次電壓為= sint，波形圖如圖2所示。當(dāng)為正半周時，即a點為

15、正，b點為負時，D1、D3承受正向電壓而導(dǎo)通，此時有電流流過，電流路徑為a D1 D3 b，此時D2、D4因反偏而截止，負載上得到一個半波電壓，如圖3中的0段所示。若略去二極管的正向壓降，則。在為負半周時，即a點為負，b點為正時，D2、D4正偏而導(dǎo)通，D1、D3因反偏而截止，此時有電流流過，電流路徑為b D2 D4 a。這時上得到一個與0段相同的半波電壓如圖3中的2段所示，若略去二極管的正向壓降，則-。由此可見，整流過程中，4個二極管輪流導(dǎo)通，無論正半周還是負半周，流過負載的電流方向是一致的，形成全波整流，將變壓器輸出的交流電壓變成脈動的直流電壓，如圖3所示。 圖3 橋式整流電壓變化4.2.2

16、 參數(shù)計算根據(jù)圖3可知，輸出電壓是單相脈動電壓，通常用它的平均值與直流電壓等效。輸出平均電壓為流過負載的平均電流為流過二極管的平均電流為二極管所承受的最大反向電壓 4.2.3 整流電路中二極管的選擇 變壓器的副邊電壓U2=15V 橋式整流電路中的二極管承受的最高反向電壓為：2U221V 二極管承受的最高平均電流為：Io2=12=0.5A 考慮到一般交流電網(wǎng)電壓容許有±10%的起伏，實際上選用的二極管的最大整流電流和最高反向電壓應(yīng)該留有大于10%的余量。 即最大允許流經(jīng)每個二極管的電流：ID=1.1×Io2 =0.55A 而每個二極管所承受的最大反向電壓為：VRM=1.1&#

17、215;2U223V 查手冊選得整流二極管IN4001，其參數(shù)為：反向擊穿電壓UBR=50V>23V 最大整流電流IP=1A>0.5A 4.3 濾波電路 交流電經(jīng)過整流后得到的是脈動直流，這樣的直流電源由于所含交流紋波很大，不能直接用作電子電路的電源。濾波電路可以大大降低這種交流紋波成份，讓整流后的電壓波形變得比較平滑。電容濾波電路圖4（a），電容濾波電路是利用電容的充放電原理達到濾波的作用。在脈動直流波形的上升段，電容C充電，由于充電時間常數(shù)很小，所以充電速度很快；在脈動直流波形的下降段，電容C放電，由于放電時間常數(shù)很大，所以放電速度很慢。在C還沒有完全放電時再次開始進行充電。這

18、樣通過電容C的反復(fù)充放電實現(xiàn)了濾波作用。電感濾波電路圖見圖4(b)。電感濾波電路是利用電感對脈動直流的反向電動勢來達到濾波的作用，電感量越大濾波效果越好。電感濾波電路帶負載能力比較好，多用于負載電流很大的場合。RC濾波電路如圖4（c）使用兩個電容和一個電阻組成，又稱型RC濾波電路。這種濾波電路由于增加了一個電阻R1，使交流紋波都分擔(dān)在R1上。R1和C2越大濾波效果越好，但R1過大又會造成壓降過大，減小了輸出電壓。一般R1應(yīng)遠小于R2。一般利用電容濾波電路即可使輸出波形平滑、減少脈動成分，以達到濾波的目的。為了使濾波效果更好，可選用大容量的電容為濾波電容。圖4 濾波電路 4.3.1 電容濾波電路

19、工作原理 整流電路將交流電變?yōu)槊}動直流電，但其中含有大量的交流成分（稱為紋波電壓）。為了獲得平滑的直流電壓，應(yīng)在整流電路的后面加接濾波電路，濾去交流成分。濾波電路利用電容性元件對交、直流阻抗的不同，實現(xiàn)濾波。電容器C對直流開路，對交流阻抗小，所以C應(yīng)該并聯(lián)在負載兩端。經(jīng)過濾波電路后，既可保留直流分量，又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。圖5 電容濾波電路圖設(shè)電容兩端初始電壓為零，并假定t=0時接通電路，為正半周，當(dāng) 由零上升時，、導(dǎo) 通，C被充電，同時電流經(jīng)、向負載電阻供電。忽略二極管正向壓降和變壓器內(nèi)阻，電容充電時間常數(shù)近似為零，因此=

20、，在達到最大值時，也達到最大值，如圖6中a點，然后下降，此時，>，、截止，電容C向負載電阻放電，由于放電時間常數(shù)=C一般較大，電容電壓按指數(shù)規(guī)律緩慢下降，當(dāng)下降到圖6中b點后，>，、導(dǎo)通，電容C再次被充電，輸出電壓增大，以后重復(fù)上述充放電過程。其輸出電壓波形近似為一鋸齒波直流電壓，如圖6所示。 圖6 電容濾波電路波形4.3.2 參數(shù)計算當(dāng)= ¥ 時，=；當(dāng)為有限值時,0.9<<。為獲得良好濾波效果，一般?。篊(35) (T 為輸入交流電壓的周期)，此時近似認為 = 1.2。4.3.3 濾波電路中濾波電容的選擇濾波電容的大小可用式C=IotUi 求得。求Ui:

21、根據(jù)穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓系數(shù)的定義：SV=UOUOUiUi 設(shè)計要求：UO5mV , SV0.003 UO=-12V+12V Ui=15V 代入上式，則可求得Ui=UOUOUiSV=0.005×1512×0.003=2.08濾波電容C 設(shè)定Io=Io,max =1A ,t=T2=0.01S 則可求得C=IotUi=1×0.012.08=4800uF。 電路中濾波電容承受的最高電壓為1.1×2U223V，所以所選電容器的耐壓應(yīng)大于23V，可確定濾波電容（一般選幾十至幾千微法的電解電容）。 注意：因為大容量電解電容有一定的繞制電感分布，易引起自激振蕩，形成高頻干擾

22、，所以穩(wěn)壓器的輸入、輸出端常并入瓷介質(zhì)小容量電容用來抵消電感效應(yīng)，抑制高頻干擾。 4.4 穩(wěn)壓電路 經(jīng)過濾波后輸出的直流電壓仍然存在較大紋波，穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)輸入交流電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。 4.4.1 方案一：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，如圖6，利用二極管的反向擊穿特性穩(wěn)壓。這種穩(wěn)壓電路的輸出電壓是不能調(diào)節(jié)的，負載電流變化范圍較小，輸出電阻較大，因此穩(wěn)壓性能較差，僅適用于電壓固定切對波形要求不高的場合。穩(wěn)壓二極管工作于反向擊穿區(qū)，其反向電壓在一定范圍內(nèi)變化時，反向電流很小，當(dāng)反向電壓增高到擊穿電壓時，反向電流突然猛增，穩(wěn)壓管從而反向擊穿，此后，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)

23、壓管兩端的電壓的變化卻相當(dāng)小，利于這一特性，穩(wěn)壓管就在電路到起到穩(wěn)壓的作用了。穩(wěn)壓管與其它普能二極管不同之處是擊穿是可逆性的，當(dāng)去掉反向電壓穩(wěn)壓管又恢復(fù)正常，但如果反向電流超過允許范圍，二極管將會發(fā)熱擊穿，所以，與其配合的電阻往往起到限流的作用，由穩(wěn)壓二極管DZ和限流電阻R所組成的穩(wěn)壓電路是一種最簡單的穩(wěn)壓電路，其具體圖如圖7所示。 圖7 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 圖8 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路輸出電流較小，輸出電壓不可調(diào)，不能滿足很多場合下的應(yīng)用。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路以穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路為基礎(chǔ)，利用晶體管的放大作用，增大負載電流；在電路中引入深度負反饋使輸出電壓穩(wěn)定；并且通過改變反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)使輸出電壓可調(diào)。

24、改進后的穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如圖8所示。將穩(wěn)壓管電路輸出電流作為晶體管的基極電流，而晶體管發(fā)射極電流作為負載電流，電路采用射極輸出形式。電路引入的是電壓串聯(lián)負反饋，能夠穩(wěn)定輸出電壓。但它們與一般共集放大電路有著明顯區(qū)別：在工作電源UI不穩(wěn)定，“輸出電壓”為穩(wěn)定電壓UZ，并且要求輸出電壓UO在UI變化或負載電阻RL變化時基本不變。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動引起UI增大，負載電阻RL增大時，輸出電壓UO將隨之增大，晶體管發(fā)射極電位UE升高；穩(wěn)壓管端電壓基本不變，即晶體管基基點位UB基本不變；故晶體管的UBE（=UB-UE）減小，導(dǎo)致IB（IE）減少，從而使UO減??；因此可以保持UO基本不變。當(dāng)UI減小或負載電阻RL

25、減小時，變化與上述過程相反?？梢?，晶體管的調(diào)節(jié)作用使UO穩(wěn)定，所以晶體管為調(diào)整管。根據(jù)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路輸出電流的分析已知，晶體管基極的最大電流為（），因此，最大負載電流為： 這也就大大提高了負載電流的調(diào)節(jié)范圍。輸出電壓為 =-從上述穩(wěn)壓過程可知，要想使調(diào)整管起到調(diào)整作用，必須使工作在放大狀態(tài)，因此其管壓降應(yīng)大于飽和管壓降；電路應(yīng)滿足 +的條件。由于調(diào)整管與負載相串聯(lián)，故稱這類電路為串聯(lián)型穩(wěn)壓電源；由于調(diào)整管工作在線性區(qū)，故稱這類電路為線性穩(wěn)壓電源。 4.4.2 方案二：CW78XX、CW79XX固定穩(wěn)壓芯片，有著精度高、輸出電流大的特點，可以輸出較大電流（1.5A）。三端固定輸出集成穩(wěn)壓器通用產(chǎn)

26、品有：CW78XX系列（正輸出電壓）和CW79XX系列（負輸出電壓）。其輸出電壓由具體型號中的后兩個數(shù)字代表，其額定輸出電流以78或79后面所加字母來區(qū)分：L表示0.1A，M表示0.5A，無字母表示1.5A。如：7805，表示輸出+5V電壓，額定輸出電流1.5A。電容C1可防止自激振蕩，還可抑制電源的高頻脈沖干擾。輸出端電容C2用以改善負載的瞬態(tài)響應(yīng)，消除電路的高頻噪聲，同時也具有消除自激振蕩的作用。圖9為CW78XX和CW79XX系列塑料封裝和金屬封裝三端集成穩(wěn)壓器的外形及管腳排列以及其符號圖。 圖9 三端穩(wěn)壓器固定輸出的典型接法 4.4.3 兩種設(shè)計方案的比較穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的輸出電壓是不能

27、調(diào)節(jié)的，負載電流變化范圍較小，輸出電阻較大，輸出的直流電壓在起始段有一段時間的延遲，因此穩(wěn)壓性能較差，僅適用于電壓固定且對波形要求不高的場合。CW78XX、CW79XX固定穩(wěn)壓芯片，有著精度高、輸出電流大的特點，可以輸出較大電流（1.5A），不用額外增加擴流電路，輸出電壓不可調(diào)，但穩(wěn)定性比穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路有所增加。 五、總電路設(shè)計把220V 50Hz交流電壓轉(zhuǎn)換成+12V和12V的線性直流穩(wěn)壓電源，二極管的引腳和濾波電容的極性不能接反，三端穩(wěn)壓器引腳不能接錯，輸出端不應(yīng)有短路現(xiàn)象。CW7800和CW7900系列在降壓電路中應(yīng)注意以下事項： （1）輸入輸出壓差不能太大,太大則轉(zhuǎn)換效率急速降低，而且容易擊穿損壞； （2）輸出電流不能太大，1.5A 是其極限值。大電流的輸出，每個穩(wěn)壓芯片要單獨配散熱片，散熱片的尺寸要足夠大，否則會導(dǎo)致高溫保護或熱擊穿； （3）濾波電解電容一定要分清正負極性，否則會產(chǎn)生爆炸。一般是正端接高電位，負載接低電位。兩種方案設(shè)計總電路圖如圖10、圖11所示： 圖10 方案一總電路設(shè)計圖 圖11 方案二總電路設(shè)計圖