电源模块设计

1、6.1电源模块电源是各种电子系统与设备的源动力，电源系统出故障，会使整个电子设备不能正常工作，因此电源性能的好坏直接影响到系统与设备工作质量和效率。在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电，直流稳压电源是一种性能接近理想电压源的直流电源。按调整元件工作状态直流稳压电源分为线性稳压电源和开关稳压电源两大类。小功率电源多用线性稳压电路，其中三端集成稳压器由于使用方便，应用越来越广泛。大功率电源多采用开关稳压电路，一般采用脉宽调制实现稳压。开关型稳压电路又分串联型和并联型，由于并联型开关稳压电路易实现多组电压输出和电源与负载间电气隔离，因而应用较广泛。6.1.1稳压电源的性能指标稳压电源的性能

2、指标分为两种：一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压（纹波系数）、温度系数及负载稳定度。1、稳压系数S：表示在负载电流与环境温度保持不变的情况下，由于输入电压Ui的变化而引起的输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量的比值，即：S=（AUo/Uo）/（AUi/Ui）,S越小电源的稳定性越好，通常S约为10-10-。2、输出电阻Ro：又叫等效内阻，表示当输入电压和环境温度保持不变时，由于负载电流Io变化而引起的输出电压的变化量与负载电流的变化量的比值，即Ro=AUo/Alo,可

3、见如果Ro越小，则说明输出电压的变化越小，通常输出电阻可小到1欧，甚至0.01欧。3、纹波系数g：输出直流电压中的交流分量叫纹波电压，纹波电压占输出直流电压的百分比称之为纹波系数，即g=(U-)/UoxlOO%,显然，g越小越好。通常稳压电源的纹波电压只有几毫伏，甚至小于l毫伏。4、电压温度系数k:当环境温度变化时，引起的输出电压的变T化量与温度变化量的比值，即K=AU/AT，良好的稳压电源，应在T0环境温度变化时，有效地抑制输出电压的漂移，保持输出电压稳定。5、负载稳定度S:又称负载调整率，指在输入电压不变的情况下,I负载电流的变化而引起的输出电压的变化率，通常用输出电压的相对变化量与负载电

4、流变化量之比来表示，即S=AUoUox100%，显然，SIAII0越小稳压电源的性能越好。6.1.2线性稳压电源线性稳压电源指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源，是比较早使用的一类直流稳压电源。其特点是：输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；效率较低；发热量大(尤其是大功率电源)，间接地给系统增加热噪声。如图61所示，线性稳压电源由变压、整流、滤波和稳压三个部分组成。变压是将输入的220V的交流电变成所需大小的交流电；整流指把大小、方向都变化的交流电变成单向脉动的直流电；滤波指滤除脉动直流电中的交流成分，使得输出波形平滑；稳压指输入电压波动或负载变化引起输出电压变

5、化时，能自动调整使输出电压维持在原值。图61直流稳压电源的组成一、整流电路利用具有单向导电性能的整流元件如二极管等，将交流电转换成单向脉动直流电的电路称为整流电路。整流电路按输入电源相数可分为单相整流电路和三相整流电路，按输出波形又可分为半波整流电路和全波整流电路。目前广泛使用的是桥式整流电路。1、单相半波整流电路图6-2为单相半波整流电路的原理图及工作波形。图6-2(a)中，变压器T1将220V的交流电压u降为整流电路所需要的交流电压u,12电路的工作过程简述如下：在u的正半周时，整流二极管D加正2向电压而导通，若忽略二极管本身的压降，则负载两端的输出电压等于变压器二次侧电压，即u=u。在u

6、的负半周时，整流二极管D022加反向电压而截止，此时负载上无电流流过，输出电压u=0，电路0工作波形如图62(b)所示。单相半波整流输出电压的平均值为：12U=J2Usintd(t)=U=0.45Uo2n2n220二极管截止时承受的最高反向电压为u2的最大值U=2U，在2RM2选则整流二级管时，应选择耐压大于该值的管子，以免反向击穿。由图6-2可见，电路只在u的正半周有输出，所以称为半波整流2电路。半波整流电路结构简单，使用元件少，但整流效率低，输出电压脉动大，因此，它只使用于要求不高的场合。为了克服半波整流电路的缺点，常采用全波整流电路或桥式整流电路。2、单相全波整流电路单相全波整流电路如图

7、6-3(a)所示，波形图如图6-3(b)所示。OLa71单相全波整流电路如图6-3(a)所示，波形图如图6-3(b)所示。OLa71D1rU23(In:3k4n(b)工作波形(3)原理圈6-3单相全波整流电路电路的工作过程与半波整流的分析相类似，在此不再熬述，根据图6-3(b)可知,全波整流电路输出的直流电压为半波整流电路的两倍,即U=0.9U，在u的一个周期内，变压器的每组只有一半的时间通o22过电流，整流二极管所承受的最大反向电压为U=22U。RM23、单相桥式整流电路如图6-3(a)所示，DI、D2、D3、D4四只整流二极管接成一个电桥，故称为桥式整流，通常将其简化为图6-3(b)的形式

8、。图6-3单相桥式整流电路及工作波形图6-3单相桥式整流电路及工作波形u2dD3b1!i11I11)1A/A/cut/l/i/iZi/iji电路的工作过程简述如下：在u的正半周期，即a点为正点为2负时，DI、D3承受正向电压而导通，D2、D4承受反向电压而截止,此时有电流流过负载R，电流i的路径为aDlfrfD3fba,若L0L忽略二极管的正向压降，则输出电压u=U；在u的负半周期，即a022点为负b点为正时，D2、D4承受正向电压而导通，DI、D3承受反向电压而截止，此时也有电流流过负载R，电流i的路径为bD2L0RD4ab,右忽略一极官的正向压降，则输出电压U=U。由L02此可见，在交流电

9、压u的整个周期始终有同方向的电流流过负载电阻2R，电路的工作波形如图6-3(c)所示。L由电路的工作波形可知，桥式整流电路输出的直流电压为半波整流电路输出电压的两倍，即U=0.9U，另外由于每两只二极管只导通o2半个周期，故流过每只二极管的平均电流仅为负载电流的一半，即I=I=I=I=I/2，而每只二极管上承受的反向电压与半波整流D1D2D3D40相同，即U=2U。RM2桥式整流电路与半波整流电路相比较，其输出电压高，脉动成分小；而与全波整流电路相比，每只二极管承受的反向峰值电压低，变压器利用率高，所以它的应用较为广泛。二、滤波电路整流电路可以将交流电转换为直流电，但脉动较大，许多电子设备需要

10、平稳的直流电源。这种电源中的整流电路后面还需加滤波电路将交流成分滤除，以得到比较平滑的输出电压。滤波通常是利用电容或电感的能量存储功能来实现的。1、电容滤波电路单相半波整流电容滤波电路如图6-4(a)所示，电路的工作过程为:在u的正半周期，设u从0V上升，此时整流二极管D导通u=U，2202电源对电容C充电，由于电容充电速度很快，所以电容电压U紧随C输入电压u按正弦规律上升至u的最大值。然后u继续按正弦规律222下降，此时u0u2，使二极管D截止，电容C通过负载电阻r按指02L数规律放电，放电时间常数为RC，其值较大，所以电容两端电压下L降的速度比u下降的速度慢的多，负载电压等于电容器两端的电

11、压,2即u0U时，二极管又导通，电容C再次充电。0CC2C这样循环下去，u周期性变化，电容C周而复始地进行充电和放电,2使输出电压脉动减小，输出电压的波形如图6-4（b）所示。图64单相半波订电容C放电的快慢取决于时间常数（T=RC）的大小，寸间常数L越大，电容C放电越慢，输出电压U就越平坦，平均值也越高。-0般常用如下经验公式估算电容滤波时的输出电压平均值。半波：Uo=U2，全波：Uo=1.2U2为了获得较平滑的输出电压，一般要求R（1015）丄，即：LCT=RC（35）T式中T为交流电压的周期。滤波电容C一般选择体积小，容量大的电解电容器。应注意，普通电解电容器有正、负极性，使用时正极必须

12、接高电位端，如果接反会造成电解电容器的损坏。加入滤波电容以后，二极管导通时间缩短，且在短时间内承受较大的冲击电流（iC+io），为了保证二极管的安全，选管时应放宽裕量。单相半波整流、电容滤波电路中，二极管承受的反向电压为u=u+u，当负载开路时，承受的反向电压为最咼为：URM=22U2。DRC22、电感滤波电路电容滤波电路的输出内阻较大，当R变化时，端的电压也随之变化，L另为整流二极管导电时冲击电流较大，对其寿命有影响，为此可利用电感直流的电阻很小，而对交流的阻抗很大的特点来实现滤波。单相桥式整流电感滤波电路如图65所示。图65单相桥式整流电感滤波电路波电路图66复电感滤波的缺点是制做复杂、体

13、积大、笨重且存在电磁干扰。适用于负载电流较大的场合。为了提咼滤波电路的特性，常用的复合滤波电路有图6波电路图66复OLC、CLCn型滤波电路适用于瞬流较大b要求输出愉聽路较小的场合。在负载较轻时，经常采用电阻替代笨重的电感，构成CRCn型滤波电路，同样可以获得脉动很小的输出电压。但电阻对交、直流均有压降和功率损耗，故只适用于负载电流较小的场合。三、线性直流稳压电路将不稳定的直流电压变换成稳定且可调的直流电压的电路称为直流稳压电路。1、并联型稳压电路图67为由稳压二极管构成的并联型稳压电路，图中的Dz为稳+UR-稳压二极管构成的并联型稳压电路Rl+UR-稳压二极管构成的并联型稳压电路Rl+图67

14、UQ稳压原理：输入电压U波动时会引起输出电压U波动。如4升_高将引起U升高，导致稳压管的电流I急剧增加，使得电阻R上的ZZ电流I和电压u迅速增大，从而使u基本上保持不变。反之，当u减R0i小时，U相应减小，仍可保持U基本不变。即：R0当负载电流I发生变化引起输出电压U发生变化时，同样会引起00I的相应变化，使得u保持基本稳定。如当I增大时，I和u均会随Z00R之增大使得U下降，这将导致I急剧减小，使I仍维持原有数值保持0ZU不变，使得U得到稳定。即：R02、串联型稳压电路2、串联型稳压电路图68为由晶体管构成的串联型稳压电路，图中调整管V与负1载R相串联，且晶体管工作于线性放大区，所以此类电路

15、称为串联型L线性稳压电路。+U+Uo图68由晶体管构成的串联型稳压电路稳压原理：当输入电压U或输出电流I变化引起输出电压U增加i00时，取样电压U相应增大，使V管的基极电流I和集电极电流I随TOC o 1-5 h zF2B2C2之增加，V管的集电极电位U下降，因此V管的基极电流I下降，2C21B1使得I下降，U增加，U下降，使U保持基本稳定。即：C1CE100U。一UJTb2一口一UJTbiUCE1rU/o同理，当U或I变化使U降低时，调整过程相反，U将减小使i00CE1U保持基本不变。03、线性集成稳压器集成稳压电路是将稳压电路的主要元件甚至全部元件制作在一块硅片上的集成电路，由于其稳压性能

16、良好，外围元件简单，安装调试方便，价格低廉，工作可靠等特点，所以得到了广泛应用。集成稳压器的种类很多，作为小功率的线性直流稳压电源，应用最为普遍的是三端集成稳压器。常用的三端集成稳压器有：78XX系列（正电压型)，79XX系列(负电压型)(实际产品中，XX用数字表示，XX是多少，输出电压就是多少。例如7805,输出电压为+5V)；LM317系列(可调正电压型)，LM337系列(可调负电压型)。表6-1给出了78XX/79XX系列(摩托罗拉公司)部分产品的输出电压和输出电流。表6-178XX/79XX系列部分产品的参数型号输出电流(A)输出电压(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、-24三端集成稳压器有三端固定集成稳压器和三端可调集成稳压器，管脚排列如图6-9和610所示。图69三端固定式集成稳压器封装及管脚排列图a)T092封装b)T0202封装c)T0220封装d)TO3封装调严愉入X6Y调严愉入X6YLM51-LNI337输入vOLNI337输入123图6匸10三端可调式集成稳压器引

18、脚排列图a)T0-220封装b)T0-3封装(a)另外在使用78XX与79XX时要注意，采用TO-3金属外壳封装的78XX系列集成电路，其金属外壳为地端；而同样封装的79XX系列的稳压器，金属外壳是负电压输入端。因此，在由二者构成多路稳压电源时若将78XX的外壳接印刷电路板的公共地，79XX的外壳及散热器就必须与印刷电路板的公共地绝缘，否则会造成电源短路。三端固定集成稳压器的基本应用电路如图6-11所示,其中图a输出正电压，图b输出负电压。图中：c用以抑制过电压，抵消因输入1线过长产生的电感效应并消除自激振荡；C用以改善负载的瞬态响2应，即瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动。C，C

19、12一般选涤纶电容，容量为0.1UF至几个uFo安装时，两电容应直接与三端集成稳压器的引脚根部相连。图6-11三端固定集成稳压器的基本应用电路在实际应用中，如果需要高于三端集成稳压器的输出电压，可采用如图6-12所示的升压电路，此时输出电压为U=U+Uo0 xxZ图6-12升压电路另外若需要提高稳压电路的输出电流，可采用电路如图6-13所示的电路。图中V为外接功率管，起扩大输出电流的作用。V与R组12S成功率管短路保护电路。设集成稳压器的输出电流为I,在负载正Oxx常情况下，V截止，则本电路的输出电流I=I+I。20C1Oxx图6-13扩大输出电流电路利用7815和7915集成稳压器,可以非常方便地组成15V输出、电流1.5A的稳压电源，其电路如图6-14所示。该电源仅用了一组整流电路，节约了成本。T图6-14C正称固定输出