电子设计竞赛教程-电源电路

来源：安博电竞官网    发布时间：2023-10-11 05:09:43

  直流稳压电源是电子设备的能源电路，关系到整个电路设计的稳定性和可靠性，是电路设计中最重要的一个环节。本节重点介绍三端固定式（正、负压）集成稳压器、三端可调式（正、负压）集成稳压器以及DC-DC电路等组成的典型电路设计。

  直流电源电路一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成。如图3.1.1所示。

  电源变压器的作用是将电网220V的交流电压变成整流电路所需要的电压U1 。

  整流电路的作用是将交流电压U1变换成脉动的直流U2，它主要有半波整流、全波整流方式，可以由整流二极管构成整流桥堆来执行，常见的整流二极管有IN4007、IN5148等，桥堆有RS210等。滤波电路作用是将脉动直流U2滤除纹波，变成纹波小的U3，常见的电路有RC滤波、KL滤波、∏型滤波等，常用的选RC滤波电路。其中它们的关系为：

  式中T为输入交流信号周期；R整流滤波电路的等效负载电阻。稳压的作用是将滤波电路输出电压经稳压后，输出较和稳定的电压。常见的稳压电路有三端稳压器、串联式稳压电路等。

  常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波、倍压整流滤波电路如图3.1.2。

  国内外各厂家生产的三端（电压输入端、电压输出端、公共接地端）固定式正压稳压器均命名为78系列，该系列稳压器有过流、过热和调整管安全工作区保护，以防过载而损坏。其中78后面的数字代表稳压器输出的正电压数值（一般有05、06、08、09、10、12、15、18、20、24伏共9种输出电压），各厂家在78前面冠以不同的英文字母代号。78系列稳压器最大输出电流分100mA、500mA、1.5A三种，以插入78和电压数字之间的字母来表示。插入L表示100mA、M表示500mA，如不插入字母则表示1.5A。此外，78（L、M）××的后面往往还附有表示输出电压容差和封装外壳类型的字母。常见的封装形式有TO-3金属和TO-220的塑料封装，如图3.1.3所示。金属封装形式输出电流能够达到5A。

  三端固定式稳压器的基本应用电路如图3.1.4所示，只要把正输入电压UI加到MC7805的输入端，MC7805的公共端接地，其输出端便能输出芯片标称正电压UO。实际应用电路中，芯片输入端和输出端与地之间除分别接大容量滤波电容外，通常还需在芯片引出脚根部接小容量（0.1µF～10µF）电容Ci、Co到地。Ci用于抑制芯片自激振荡，Co用于压窄芯片的高频带宽，减小高频噪声。Ci和Co的具体取值应随芯片输出电压高低及应用电路的方法不一样而异。

  三端固定式负压稳压器命名为79系列，79前、后的字母、数字意义与78系列完全相同。图3.1.5所示为79的基本应用电路（以MC7905为例）。图中芯片的输入端加上负输入电压UI，芯片的公共端接地，在输出端得到标称的负输出电压UO，电容Ci用来抑制输入电压UI中的纹波和防止芯片自激振荡，Co用于抑制输出噪声。D为大电流保护二极管，防止在输入端偶然短路到地时，输出端大电容上储存的电压反极性加到输出、输入端之间而损坏芯片。

  三端（输入端、输出端、电压调节端）可调式稳压器品种繁多，如正压输出的317（217/117）系列、123系列、138系列、140系列、150系列；负压输出的337系列等。LM317和LM337的封装形式和引脚如图3.1.6所示。LM317系列稳压器能在输出电压为1.25V～37V的范围内连续可调，外接元件只需一个固定电阻和一个电位器。其芯片内也有过流、过热和安全工作区保护。最大输出电流为1.5A。其典型电路如图3.1.7（a）所示。其中电阻R1与电位器RP组成电压输出调节电位器，输出电压UO的表达式为：

  式中，R1一般取值为（120～240Ω），输出端与调整压差为稳压器的基准电压（典型值为1.25V），所以流经电阻R1的泄放电流为5～10mA。

  与LM317系列相比，负压输出的LM337系列除了输出电压极性、引脚定义不同外、其他特点都相同,典型电路如图3.1.7（b）。

  图3.1.8所示为正、负输出电压固定的稳压电源。它由输出电压极性不同的两片集成稳压器MC7815和MC7915构成，电路十分简单。两芯片输入端分别加上±20V的输入电压，输出端便能输出±15V的电压，输出电流为1A。图中D1、D2为集成稳压器的保护二极管。当负载接在两输出端之间时，如工作过程中某一芯片输入电压断开而没有输出，则另一芯片的输出电压将通过负载施加到没有输出的芯片输出端，造成芯片的损坏。接入D1、D2起的箝位作用，保护了芯片。

  图3.1.9所示是由LM317和LM337组成的正、负输出电压可调稳压电源，输出电压调节范围为±1.2V～±20V，输出电流为1A。

  MC33063A/MC34063A/MC35063A是单片DC/DC变换器控制电路，只需配用少量的外部元件，就可以组成升压、降压、电压反转DC/DC变换器。该系列变换器的电压输入范围为3～40V，输出电压能调整，输出开关电流可达1.5A；工作频率可达100kHz，内部参考电压精度为2％。本系列电路还有电流限制功能，以下是MC34063A的几种使用方法。

  图3.1.10为MC34063A内部电路结构。它是由带温度补偿的参考电压源(1.25V)、比较器、能有效限制电流及控制工作周期的振荡器、驱动器及大电流输出开关等组成的。其主要参数为：电源电压为40V(直流)；比较器输入电压范围为-0.3-40V(直流)；开关发射极电压为40V(直流)；开关集电极电压为40V(直流)；驱动集电极电流为100mA；开关电流为1.5A。

  图3.1.11是由MC34063A组成的升压式DC／DC变换器。电路的输入电压为+12V，输出电压为+28V，输出电流可达175mA。电路中的电阻Rsc为检测电流，由它产生的信号控制芯片内部的振荡器，可达到限制电流的目的。输出电压经R1、R2组成的分压器输入比较器的反相端，以保证输出电压的稳定性。本电路的效率可达89．2％。若需要，本电路在加入扩流管后输出电流可达1.5A以上。

  图3.1.12是由MC34063A组成的降压式DC／DC变换器电路。电路的输入电压为25V，输出电压为5V／500mA。电路将1、8脚连接起来组成达林顿驱动电路，如果外接扩流管，则可把输出电流增加到1.5A。当电路中的电阻Rsc选择0.1Ω时，其限制电流为1.1A。本电路的效率为82。5％。图3.1.13是由MC34063A组成的电压反转式DC／DC变换器。输入电压为4.5～6.0V，输出电压为-12V／100mA。此电路的限制电流为910mA。外接扩流管可将输出电流增加到1.5A以上。电路效率为64.5％。

  ，1.25为芯片内部产生的参考电压。通过计算，选取适当的R1和R2值，就可得到不同的电压输出范围。

  利用三端稳压器MC7805，配合可编程精密电压基准TL431,可以组成简单的精密高压可调压电路。如图3.1.14所示。

  这个电路的输出电压可以用下式计算：UO=（1+R1/R2）×2.5V。最小输出电压2.5V，最大输出电压40V。从电路输出电压表达式能够正常的看到：当电路中可调电阻R1为零时，即TL431的参考端与阴极相接时，输出电压为2.495V。

  利用单位增益缓冲器BUF634，可以组成+24V变成±12V的对称电源。如图3.1.15所示。

  由于BUF634的供电范围为±2.25V～±18V，故该电路可将+4.5～+36V电源电压转换为上述电压。两个10KΩ电阻要精密匹配。在正负负载不对称时，在输入电压过高的应用中，正负输出电流之差不应超过250mA。

  图3.1.16所示为LM117和模拟开关CC4051构成的程控电源。设LM117的基准电压Vr=1.25V, CC4051的导通电阻为400Ω，关断电阻为无穷大，其它元件参数如图所示，因而三位并行数字码取不同值时，电源可输出2V、5V、12V、15V、18V、24V、30V等8种电压值。

  多数LCD需要一个负的驱动电压UEE及一个对比度调节电压UADJ,有的要求达－18V甚至－24V以上，而一般的小型微机电源仅能通过－12V或－15V的负电压，不能够满足要求。这里介绍一种用MAX749来产生LCD负电压的方法。MAX749是美国MAXIM公司生产的数字调节LCD负偏压发生器，仅需2V～6V的输入，就可以输出－100V甚至更低，且可进行数字调节或电位计调节。MAX749的主要特征如下：

  ADJ: 调节逻辑输入端，当CTRL为高时，ADJ的一个上升脉冲使MAX749内部计数器加1；当CTRL为低且ADJ为高时，计数器复位到中间值；当ADJ为低时，计数器不变化（不管CTRL是什么状态）。

  CTRL：控制逻辑输入端，当CTRL和ADJ均为低时，MAX749关闭，输出电压为零，但计数器不复位；当CTRL为低ADJ为高时，计数器复位到中间状态。CTRL为高时电流总是处在工作状态。输入逻辑线所示。

  DLOW：输出驱动低端，当使用P沟道MOSFET驱动时连至DHI，当使用PNP晶体管驱动时，从该端连接一个电阻RBASE至PNP管的基极以设置最大基极电流。

  DHI：输出驱动高端，连至P沟道MOSFET的门极，或连至PNP晶体管的基极。

  CS：电流敏感输入端，当电流通过RBASE时外部晶体管关断，使CS比U＋低140mV。

  注意：真值表中，关闭状态下输出为0，而复位状态下计数器为中间值32，此时输入为Umin而非零。

  用MAX749产生负电压时，外部电路能用P沟道MOSFET管驱动；也可以用PNP晶体管驱动；输入电压可通过数值调节，也可通过电位计进行调节。下面以用PNP三极管驱动、电位计调节输出为例来说明。

  从成本方面考虑，PNP管比MOSFET经济，而电位器能轻松实现输出电压的连续调节，其电路图如图3.1.18所示。

  如果系统要求输出电压范围为Umax～Umin，则可根据下式确定R1、R2的值即

  当电位计值为0时，对应Umin；当电位计值为R2时，对应Umax。可见用电位计也很方便地实现输出电压的调节。

  （1）晶体管：能够正常的使用PNP管也可使用MOSFET管。前者经济、使用简单；后者能提供更大电流，且转换频率高，但往往需要较高的输入电压（通常要求＋5V或＋5V以上）。如使用8550三极管，它能够给大家提供较大的输出电流。

  （2）RSENSE:RSENSE是一个小电阻，可以用一小段电阻丝代替，但不能直接短路。RSENSE的大小与输出电流成反比关系，因此可根据电流需要确定RSENSE的最大值，但为了能够更好的保证转换效率，又不宜取得过小。一般在输出电压为－24V的情况下，要求输出电流为0.5A左右时，可取RSENSE＝0.25Ω；输出电流为0.8A左右时，可取RSENSE＝0.2Ω。

  （3）RBASE:RBASE应足够小以保证晶体管能处在饱和状态，但RBASE小又降低了转换效率，通常取160Ω～470Ω之间。

  （4）其它：电感L在22μH～100μH之间，通常去47μH，为提高效率，电感的内阻要小，最好在300mΩ以下；二极管可用IN5817～IN5822系列；CCOMP取决于RFB及电路布局，通常在100pF～10nF之间。