電源模塊設(shè)計

1、6.1電源模塊電源是各種電子系統(tǒng)與設(shè)備的源動力，電源系統(tǒng)出故障，會使整個電子設(shè)備不能正常工作，因此電源性能的好壞直接影響到系統(tǒng)與設(shè)備工作質(zhì)量和效率。在電子電路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電，直流穩(wěn)壓電源是一種性能接近理想電壓源的直流電源。按調(diào)整元件工作狀態(tài)直流穩(wěn)壓電源分為線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源兩大類。小功率電源多用線性穩(wěn)壓電路，其中三端集成穩(wěn)壓器由于使用方便，應(yīng)用越來越廣泛。大功率電源多采用開關(guān)穩(wěn)壓電路，一般采用脈寬調(diào)制實現(xiàn)穩(wěn)壓。開關(guān)型穩(wěn)壓電路又分串聯(lián)型和并聯(lián)型，由于并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電路易實現(xiàn)多組電壓輸出和電源與負(fù)載間電氣隔離，因而應(yīng)用較廣泛。6.1.1穩(wěn)壓電源的性能指標(biāo)穩(wěn)壓電源的性能

2、指標(biāo)分為兩種：一種是特性指標(biāo)，包括允許輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調(diào)節(jié)范圍等；另一種是質(zhì)量指標(biāo)，包括穩(wěn)壓系數(shù)（或電壓調(diào)整率）、輸出電阻（或電流調(diào)整率）、紋波電壓（紋波系數(shù)）、溫度系數(shù)及負(fù)載穩(wěn)定度。1、穩(wěn)壓系數(shù)S：表示在負(fù)載電流與環(huán)境溫度保持不變的情況下，由于輸入電壓Ui的變化而引起的輸出電壓的相對變化量與輸入電壓的相對變化量的比值，即：S=（AUo/Uo）/（AUi/Ui）,S越小電源的穩(wěn)定性越好，通常S約為10-10-。2、輸出電阻Ro：又叫等效內(nèi)阻，表示當(dāng)輸入電壓和環(huán)境溫度保持不變時，由于負(fù)載電流Io變化而引起的輸出電壓的變化量與負(fù)載電流的變化量的比值，即Ro=AUo/Alo,可

3、見如果Ro越小，則說明輸出電壓的變化越小，通常輸出電阻可小到1歐，甚至0.01歐。3、紋波系數(shù)g：輸出直流電壓中的交流分量叫紋波電壓，紋波電壓占輸出直流電壓的百分比稱之為紋波系數(shù)，即g=(U-)/UoxlOO%,顯然，g越小越好。通常穩(wěn)壓電源的紋波電壓只有幾毫伏，甚至小于l毫伏。4、電壓溫度系數(shù)k:當(dāng)環(huán)境溫度變化時，引起的輸出電壓的變T化量與溫度變化量的比值，即K=AU/AT，良好的穩(wěn)壓電源，應(yīng)在T0環(huán)境溫度變化時，有效地抑制輸出電壓的漂移，保持輸出電壓穩(wěn)定。5、負(fù)載穩(wěn)定度S:又稱負(fù)載調(diào)整率，指在輸入電壓不變的情況下,I負(fù)載電流的變化而引起的輸出電壓的變化率，通常用輸出電壓的相對變化量與負(fù)載電

4、流變化量之比來表示，即S=AUoUox100%，顯然，SIAII0越小穩(wěn)壓電源的性能越好。6.1.2線性穩(wěn)壓電源線性穩(wěn)壓電源指調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下的直流穩(wěn)壓電源，是比較早使用的一類直流穩(wěn)壓電源。其特點是：輸出電壓比輸入電壓低；反應(yīng)速度快，輸出紋波較??；工作產(chǎn)生的噪聲低；效率較低；發(fā)熱量大(尤其是大功率電源)，間接地給系統(tǒng)增加熱噪聲。如圖61所示，線性穩(wěn)壓電源由變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓三個部分組成。變壓是將輸入的220V的交流電變成所需大小的交流電；整流指把大小、方向都變化的交流電變成單向脈動的直流電；濾波指濾除脈動直流電中的交流成分，使得輸出波形平滑；穩(wěn)壓指輸入電壓波動或負(fù)載變化引起輸出電壓變

5、化時，能自動調(diào)整使輸出電壓維持在原值。圖61直流穩(wěn)壓電源的組成一、整流電路利用具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟缍O管等，將交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動直流電的電路稱為整流電路。整流電路按輸入電源相數(shù)可分為單相整流電路和三相整流電路，按輸出波形又可分為半波整流電路和全波整流電路。目前廣泛使用的是橋式整流電路。1、單相半波整流電路圖6-2為單相半波整流電路的原理圖及工作波形。圖6-2(a)中，變壓器T1將220V的交流電壓u降為整流電路所需要的交流電壓u,12電路的工作過程簡述如下：在u的正半周時，整流二極管D加正2向電壓而導(dǎo)通，若忽略二極管本身的壓降，則負(fù)載兩端的輸出電壓等于變壓器二次側(cè)電壓，即u=u。在u

6、的負(fù)半周時，整流二極管D022加反向電壓而截止，此時負(fù)載上無電流流過，輸出電壓u=0，電路0工作波形如圖62(b)所示。單相半波整流輸出電壓的平均值為：12U=J2Usintd(t)=U=0.45Uo2n2n220二極管截止時承受的最高反向電壓為u2的最大值U=2U，在2RM2選則整流二級管時，應(yīng)選擇耐壓大于該值的管子，以免反向擊穿。由圖6-2可見，電路只在u的正半周有輸出，所以稱為半波整流2電路。半波整流電路結(jié)構(gòu)簡單，使用元件少，但整流效率低，輸出電壓脈動大，因此，它只使用于要求不高的場合。為了克服半波整流電路的缺點，常采用全波整流電路或橋式整流電路。2、單相全波整流電路單相全波整流電路如圖

7、6-3(a)所示，波形圖如圖6-3(b)所示。OLa71單相全波整流電路如圖6-3(a)所示，波形圖如圖6-3(b)所示。OLa71D1rU23(In:3k4n(b)工作波形(3)原理圈6-3單相全波整流電路電路的工作過程與半波整流的分析相類似，在此不再熬述，根據(jù)圖6-3(b)可知,全波整流電路輸出的直流電壓為半波整流電路的兩倍,即U=0.9U，在u的一個周期內(nèi)，變壓器的每組只有一半的時間通o22過電流，整流二極管所承受的最大反向電壓為U=22U。RM23、單相橋式整流電路如圖6-3(a)所示，DI、D2、D3、D4四只整流二極管接成一個電橋，故稱為橋式整流，通常將其簡化為圖6-3(b)的形式

8、。圖6-3單相橋式整流電路及工作波形圖6-3單相橋式整流電路及工作波形u2dD3b1!i11I11)1A/A/cut/l/i/iZi/iji電路的工作過程簡述如下：在u的正半周期，即a點為正點為2負(fù)時，DI、D3承受正向電壓而導(dǎo)通，D2、D4承受反向電壓而截止,此時有電流流過負(fù)載R，電流i的路徑為aDlfrfD3fba,若L0L忽略二極管的正向壓降，則輸出電壓u=U；在u的負(fù)半周期，即a022點為負(fù)b點為正時，D2、D4承受正向電壓而導(dǎo)通，DI、D3承受反向電壓而截止，此時也有電流流過負(fù)載R，電流i的路徑為bD2L0RD4ab,右忽略一極官的正向壓降，則輸出電壓U=U。由L02此可見，在交流電

9、壓u的整個周期始終有同方向的電流流過負(fù)載電阻2R，電路的工作波形如圖6-3(c)所示。L由電路的工作波形可知，橋式整流電路輸出的直流電壓為半波整流電路輸出電壓的兩倍，即U=0.9U，另外由于每兩只二極管只導(dǎo)通o2半個周期，故流過每只二極管的平均電流僅為負(fù)載電流的一半，即I=I=I=I=I/2，而每只二極管上承受的反向電壓與半波整流D1D2D3D40相同，即U=2U。RM2橋式整流電路與半波整流電路相比較，其輸出電壓高，脈動成分?。欢c全波整流電路相比，每只二極管承受的反向峰值電壓低，變壓器利用率高，所以它的應(yīng)用較為廣泛。二、濾波電路整流電路可以將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，但脈動較大，許多電子設(shè)備需要

10、平穩(wěn)的直流電源。這種電源中的整流電路后面還需加濾波電路將交流成分濾除，以得到比較平滑的輸出電壓。濾波通常是利用電容或電感的能量存儲功能來實現(xiàn)的。1、電容濾波電路單相半波整流電容濾波電路如圖6-4(a)所示，電路的工作過程為:在u的正半周期，設(shè)u從0V上升，此時整流二極管D導(dǎo)通u=U，2202電源對電容C充電，由于電容充電速度很快，所以電容電壓U緊隨C輸入電壓u按正弦規(guī)律上升至u的最大值。然后u繼續(xù)按正弦規(guī)律222下降，此時u0u2，使二極管D截止，電容C通過負(fù)載電阻r按指02L數(shù)規(guī)律放電，放電時間常數(shù)為RC，其值較大，所以電容兩端電壓下L降的速度比u下降的速度慢的多，負(fù)載電壓等于電容器兩端的電

11、壓,2即u0U時，二極管又導(dǎo)通，電容C再次充電。0CC2C這樣循環(huán)下去，u周期性變化，電容C周而復(fù)始地進(jìn)行充電和放電,2使輸出電壓脈動減小，輸出電壓的波形如圖6-4（b）所示。圖64單相半波訂電容C放電的快慢取決于時間常數(shù)（T=RC）的大小，寸間常數(shù)L越大，電容C放電越慢，輸出電壓U就越平坦，平均值也越高。-0般常用如下經(jīng)驗公式估算電容濾波時的輸出電壓平均值。半波：Uo=U2，全波：Uo=1.2U2為了獲得較平滑的輸出電壓，一般要求R（1015）丄，即：LCT=RC（35）T式中T為交流電壓的周期。濾波電容C一般選擇體積小，容量大的電解電容器。應(yīng)注意，普通電解電容器有正、負(fù)極性，使用時正極必須

12、接高電位端，如果接反會造成電解電容器的損壞。加入濾波電容以后，二極管導(dǎo)通時間縮短，且在短時間內(nèi)承受較大的沖擊電流（iC+io），為了保證二極管的安全，選管時應(yīng)放寬裕量。單相半波整流、電容濾波電路中，二極管承受的反向電壓為u=u+u，當(dāng)負(fù)載開路時，承受的反向電壓為最咼為：URM=22U2。DRC22、電感濾波電路電容濾波電路的輸出內(nèi)阻較大，當(dāng)R變化時，端的電壓也隨之變化，L另為整流二極管導(dǎo)電時沖擊電流較大，對其壽命有影響，為此可利用電感直流的電阻很小，而對交流的阻抗很大的特點來實現(xiàn)濾波。單相橋式整流電感濾波電路如圖65所示。圖65單相橋式整流電感濾波電路波電路圖66復(fù)電感濾波的缺點是制做復(fù)雜、體

13、積大、笨重且存在電磁干擾。適用于負(fù)載電流較大的場合。為了提咼濾波電路的特性，常用的復(fù)合濾波電路有圖6波電路圖66復(fù)OLC、CLCn型濾波電路適用于瞬流較大b要求輸出愉聽路較小的場合。在負(fù)載較輕時，經(jīng)常采用電阻替代笨重的電感，構(gòu)成CRCn型濾波電路，同樣可以獲得脈動很小的輸出電壓。但電阻對交、直流均有壓降和功率損耗，故只適用于負(fù)載電流較小的場合。三、線性直流穩(wěn)壓電路將不穩(wěn)定的直流電壓變換成穩(wěn)定且可調(diào)的直流電壓的電路稱為直流穩(wěn)壓電路。1、并聯(lián)型穩(wěn)壓電路圖67為由穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路，圖中的Dz為穩(wěn)+UR-穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路Rl+UR-穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路Rl+圖67

14、UQ穩(wěn)壓原理：輸入電壓U波動時會引起輸出電壓U波動。如4升_高將引起U升高，導(dǎo)致穩(wěn)壓管的電流I急劇增加，使得電阻R上的ZZ電流I和電壓u迅速增大，從而使u基本上保持不變。反之，當(dāng)u減R0i小時，U相應(yīng)減小，仍可保持U基本不變。即：R0當(dāng)負(fù)載電流I發(fā)生變化引起輸出電壓U發(fā)生變化時，同樣會引起00I的相應(yīng)變化，使得u保持基本穩(wěn)定。如當(dāng)I增大時，I和u均會隨Z00R之增大使得U下降，這將導(dǎo)致I急劇減小，使I仍維持原有數(shù)值保持0ZU不變，使得U得到穩(wěn)定。即：R02、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路2、串聯(lián)型穩(wěn)壓電路圖68為由晶體管構(gòu)成的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，圖中調(diào)整管V與負(fù)1載R相串聯(lián)，且晶體管工作于線性放大區(qū)，所以此類電路

15、稱為串聯(lián)型L線性穩(wěn)壓電路。+U+Uo圖68由晶體管構(gòu)成的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓原理：當(dāng)輸入電壓U或輸出電流I變化引起輸出電壓U增加i00時，取樣電壓U相應(yīng)增大，使V管的基極電流I和集電極電流I隨TOC o 1-5 h zF2B2C2之增加，V管的集電極電位U下降，因此V管的基極電流I下降，2C21B1使得I下降，U增加，U下降，使U保持基本穩(wěn)定。即：C1CE100U。一UJTb2一口一UJTbiUCE1rU/o同理，當(dāng)U或I變化使U降低時，調(diào)整過程相反，U將減小使i00CE1U保持基本不變。03、線性集成穩(wěn)壓器集成穩(wěn)壓電路是將穩(wěn)壓電路的主要元件甚至全部元件制作在一塊硅片上的集成電路，由于其穩(wěn)壓性能

16、良好，外圍元件簡單，安裝調(diào)試方便，價格低廉，工作可靠等特點，所以得到了廣泛應(yīng)用。集成穩(wěn)壓器的種類很多，作為小功率的線性直流穩(wěn)壓電源，應(yīng)用最為普遍的是三端集成穩(wěn)壓器。常用的三端集成穩(wěn)壓器有：78XX系列（正電壓型)，79XX系列(負(fù)電壓型)(實際產(chǎn)品中，XX用數(shù)字表示，XX是多少，輸出電壓就是多少。例如7805,輸出電壓為+5V)；LM317系列(可調(diào)正電壓型)，LM337系列(可調(diào)負(fù)電壓型)。表6-1給出了78XX/79XX系列(摩托羅拉公司)部分產(chǎn)品的輸出電壓和輸出電流。表6-178XX/79XX系列部分產(chǎn)品的參數(shù)型號輸出電流(A)輸出電壓(V)78LXX0.15、6、9、12、15、18、

17、2478MXX0.55、6、9、12、15、18、2478XX1.55、6、9、12、15、18、2479LXX0.1-5、-6、-9、-12、-15、-18、-2479MXX0.5-5、-6、-9、-12、-15、-18、-2479XX1.5-5、-6、-9、-12、-15、-18、-24三端集成穩(wěn)壓器有三端固定集成穩(wěn)壓器和三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器，管腳排列如圖6-9和610所示。圖69三端固定式集成穩(wěn)壓器封裝及管腳排列圖a)T092封裝b)T0202封裝c)T0220封裝d)TO3封裝調(diào)嚴(yán)愉入X6Y調(diào)嚴(yán)愉入X6YLM51-LNI337輸入vOLNI337輸入123圖6匸10三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器引

18、腳排列圖a)T0-220封裝b)T0-3封裝(a)另外在使用78XX與79XX時要注意，采用TO-3金屬外殼封裝的78XX系列集成電路，其金屬外殼為地端；而同樣封裝的79XX系列的穩(wěn)壓器，金屬外殼是負(fù)電壓輸入端。因此，在由二者構(gòu)成多路穩(wěn)壓電源時若將78XX的外殼接印刷電路板的公共地，79XX的外殼及散熱器就必須與印刷電路板的公共地絕緣，否則會造成電源短路。三端固定集成穩(wěn)壓器的基本應(yīng)用電路如圖6-11所示,其中圖a輸出正電壓，圖b輸出負(fù)電壓。圖中：c用以抑制過電壓，抵消因輸入1線過長產(chǎn)生的電感效應(yīng)并消除自激振蕩；C用以改善負(fù)載的瞬態(tài)響2應(yīng)，即瞬時增減負(fù)載電流時不致引起輸出電壓有較大的波動。C，C

19、12一般選滌綸電容，容量為0.1UF至幾個uFo安裝時，兩電容應(yīng)直接與三端集成穩(wěn)壓器的引腳根部相連。圖6-11三端固定集成穩(wěn)壓器的基本應(yīng)用電路在實際應(yīng)用中，如果需要高于三端集成穩(wěn)壓器的輸出電壓，可采用如圖6-12所示的升壓電路，此時輸出電壓為U=U+Uo0 xxZ圖6-12升壓電路另外若需要提高穩(wěn)壓電路的輸出電流，可采用電路如圖6-13所示的電路。圖中V為外接功率管，起擴大輸出電流的作用。V與R組12S成功率管短路保護電路。設(shè)集成穩(wěn)壓器的輸出電流為I,在負(fù)載正Oxx常情況下，V截止，則本電路的輸出電流I=I+I。20C1Oxx圖6-13擴大輸出電流電路利用7815和7915集成穩(wěn)壓器,可以非常方便地組成15V輸出、電流1.5A的穩(wěn)壓電源，其電路如圖6-14所示。該電源僅用了一組整流電路，節(jié)約了成本。T圖6-14C正稱固定輸出