第5章 辅助电路设计

5.1信号发生电路前面所研究的电路都可以归于信号处理电路，因为它们都是对已有信号进行处理的；这一章要介绍的信号发生电路、基准源和稳压电源电路，它们本身就是用来产生信号，或用来提供电路工作所需能量的，因此我们把这些电路归类于“系统辅助电路”。第5章辅助电路设计略直流稳压电源是电子系统中不可缺少的部分，除了用电池供电的便携式设备外，绝大多数电子系统都是采用直流稳压电源供电；电力部门所提供的电源是220V或380V的交流市电，一般需要经过降压、整流、滤波、稳压，才能获得稳定度很高的直流稳压电源。5.2直流稳压电源整流滤波稳压降压交流输入直流输出在小功率直流稳压电源中，常用的整流电路有单相半波整流电路、单相全波整流电路和单相桥式整流电路三种；单相半波整流电路：只需要用一只整流二极管，但电路效率低、输出纹波大，通常用在负载电流小，对纹波要求不高的场合；单相全波整流电路：需要用两只整流二极管，且要求电源变压器次级具有中心抽头，而且整流二极管的耐压必须高于变压器输出电压峰值的两倍；单相桥式整流电路使用了四只整流二极管，每只二极管流过的平均电流只有负载电流的一半。桥式整流电路的应用最为广泛，特别是在无电源变压器的开关稳压电源中，都是采用桥式整流电路做交流/直流变换的。一、整流与滤波电路整流电路整流后的电压含有较大的脉动成分，通常还需滤除交流谐波分量，从而得到平滑的直流电压；常见的滤波电路有电容滤波、电感滤波和复式滤波电路；在小功率直流稳压电源中，主要采用桥式整流和电容滤波电路；纹波电压的大小与RLC时间常数有关，当RL（或iO）一定时，C越大，vO波形的脉动就越小；由下式可以估算出特定负载下滤波电容的大小。滤波电路【例】+5V直流稳压电路中，变压器一次侧输入为220V±10％VN，二次侧额定输出v2=9V，负载电流iO=1A，求滤波电容的容值。【解】考虑变压器一次侧最小输入电压时，二次侧输出电压为v2（min）=8.1V，则vO（max）=1.4v2（min）=11.34V；设稳压器最小输入电压为vO（min）=5V+2.5V=7.5V，则纹波电压vrP-P=vO（max）-vO（min）=11.34-7.5=3.84V；代入式（5-38）得：C≈1/(2×50×3.84)=2.60×10-3F，取C=3300μF。集成稳压器分为线性和开关型两类；线性集成稳压器的优点是：外围电路简单、输出电阻小、输出纹波电压小、瞬态响应好；缺点是：功耗大、效率低；一般多用在输出电流5A以下的稳压电路中。二、线性集成稳压器1.主要技术指标集成稳压器的主要技术指标分为性能参数和工作参数两类，性能参数是衡量稳压器质量优劣的重要依据，工作参数是稳压器安全稳定工作的条件；集成稳压器的主要技术指标有：电压调整率SV

：当负载和温度不变时，输出电压的变化量与引起的输出电压变化的输入电压变化量之比；负载凋整率又称为输出电阻RO

：当负载变化（即输出电流变化）而输入电压不变的条件下，稳压器维持预定输出电压的能力；落差电压VDO

：稳压器正常工作时，VI和VO之间的最小差值称为落差电压，即：VDO=VI（min）-VO；最大输入电压VI(max)

：最大允许输入电压；最大输出电流IO(max)：能够向负载提供的最大电流。78/79系列集成稳压器内部集成了稳压电路所需要的元件，因而大大地简化了电源的设计与应用；只有输入、输出和公共三个引出端，故名三端式稳压器；稳压器内部有较完善的过流、过压、过热保护功能，工作安全可靠；具有体积小、外围元件少、调整简单、性能好等特点，已成为世界通用系列，成为用途最广、销量最大的集成稳压器。特点2.固定输出三端集成稳压器78/79系列主要参数管脚排列参数名称单位7805780678087812781578207824输出电压VOV56812152024电压调整率SV％0.180.220.320.580.851.61.7负载凋整率ROmV/A53668093106133160温度系数STmV／℃0.60.71.01.51.82.53.0落差电压VDOV2222222最大输入电压VI（min）V35353535354040最大输出电流IO(max)A1.51.51.51.51.51.51.5能同时输出正、负压的稳压电源。应用电路图中：Ci用于改善纹波特性，Co用于消除芯片自激振荡和改善瞬态响应。如果需要非标称电压或者要输出电压连续可调，则可采用可调三端集成稳压器117/137系列。117系列是正电压输出的三端集成稳压器，137系列是负电压输出的三端集成稳压器；117/137系列内部有一个稳定性很高的基准源，其电压VR=1.25V，当输入电压为40V时，输出电压可在1.25~37V范围内调整；117/137系列集成稳压器的电压调整率和负载调整率都优于78/79系列。特点3.可调输出117/137系列应用电路Iadj=50μA，可忽略不计，+(1.25～22)V-(1.25～22)V传统的串联调整式线性集成稳压器，要求输入—输出压差不得低于2V，这就大大限制了它在低压供电领域的应用；按照落差电压的大小，低压差线性稳压器可分为准低压差线性稳压器、低压差线性稳压器和超低压差线性稳压器三种。4.低压差线性稳压器内部结构图（a）为传统的标准线性稳压器，它的调整管采用NPN型达林顿管，落差电压VDO=2VBE+VCES，其值超过2.0～3V；图（b）为准低压差线性稳压器，由于调整管采用PNP型达林顿管，落差电压VDO=VBE+VCES，其值可减小到0.9V～1.5V；图（c）为低压差线性稳压器，调整管仅为一个普通PNP管，落差电压VDO=VCES，其值仅为0.3～0.6V；图（d）为由P沟道MOS管构成的超低压差线性稳压器，落差电压VDO=RDS(ON)×IO，其值可降至100mV左右；图（e）为由N沟道MOS管构成的超低压差线性稳压器，落差电压VDO=RDS(ON)×IO，其值可低至几十毫伏。基本原理有较高的电源效率；低压差线性稳压器的落差电压VDO远低于标准型线性稳压器，因此能显著降低功耗，大大提高稳压电源的效率；例如，当VI

>5.1V时HT7550即可正常稳压，效率为98％；而7805只有当VI

>7.0V时才能正常稳压，其效率只有71.4％。适用于电池供电的便携式电子产品；例如手机中常常需要将1.5V电池电压降至1.2V，甚至还要将1.2V电压降至1.1V，这是其他类型稳压器所无法实现的，只能采用超低压差线性稳压器。有完善的保护功能；新型低压差线性稳压器内部具有完善的保护功能，如电池极性反接保护、限电流保护、具有滞后特性的过热保护和反向电流保护等功能。有优越的性能指标；低压差线性稳压器稳压性能好、噪声低、响应速度快，具有优越的性能指标。主要特点低压差线性稳压器与标准型线性稳压器、开关稳压器的指标比较如表5‑8所示；性能指标稳压器类型标准线性稳压器低压差及超低压差稳压器开关稳压器电压调整率（％）0.02～0.050.01～0.050.05～0.1负载调整率（％）0.02～0.10.02～0.10.1～1.0输出纹波电压（mV）0.5～20.1～110～100静态工作电流（mA）5～200.01～1≤10落差电压（V）2～30.1～0.63电源效率（％）40～5580～9570～90功率密度（W/cm3）0.030.10.12～0.61瞬态恢复时间（μs）5020300延迟时间（ms）2234准低压差线性稳压器SPX1117；属于三端固定输出或可调输出准低压差线性稳压器，最大输入电压是20V，输出电压范围是1.25～18.5V，额定输出电流为0.8A；分固定输出和可调输出两种类型。固定输出有6种规格：1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V和3.3V；输出电压精度为1％，满载时的落差电压典型值为1.1V；有4种封装形式：SOT-223，TO-252，TO-220和TO-263；典型应用电路如图。典型产品SPX1117Vi VoADJ++C210μC14.7μR2R1VREFIADJ50μAViVo超低压差线性稳压器HT75xx-1系列；HT75xx-1系列包括HT7530-1、HT7533-1、HT7536-1、HT7544-1和HT7550-1，共5种型号，标称输出电压分别为3.0V、3.3V、3.6V、4.4V和5.0V，输出电压精度均为3％；最高输入电压为24V，最大输出电流分别为100mA或150mA（HT7550-1），落差电压典型值为100mV；采用TO-92、SOT-89或SOT-25封装；典型应用电路如图。开关电源又称为低损耗电源，最突出的优点是电源具有很高的效率。目前中功率以上的稳压电源都是开关型稳压，而且迅速地延伸到小功率稳压电源领域；开关电源具有以下一些特点：功耗小、效率高，效率一般在70％～85％之间，最高可达90％以上，而大多数线性稳压电源（不含低压差线性稳压电源）的效率只能达到30％～40％；省掉体积笨重的工频变压器，使电源的体积大大缩小，外形尺寸仅为线性稳压电源的1/4；不仅有降压型，还有升压型和反极性电压输出型等多种形式；线路设计复杂，输出电压的稳定性较差，输出纹波较大，对负载变化的瞬态响应能力较差，不能用作精密稳压电源。三、开关电源及开关型集成稳压器1.开关电源的特点串联型脉冲宽度调制式开关稳压电路工作原理：当功率开关管饱和导通时，VI向负载提供电流，同时电感储存能量；当功率开关管截止时，电感的电流不能突变，向负载释放能量，维持负载电流基本不变；电路输出电压的高低与控制脉冲的占空比有关，功率开关管导通时间长时，输出电压就高，调整脉冲的占空比，就可以控制电源电压的高低；输出电压VO经采样电路取样后，送至误差放大器，与基准电压VREF进行比较，得到误差电压，再用误差电压的幅度去控制脉宽调制器的输出信号占空比。最后，经过功率开关管和电感，使输出VO保持不变。2.开关电源的基本原理功率开关管脉宽调制振荡器误差放大器采样电路基准电压ViVo＋＋－－开关型稳压电路分为脉冲宽度调制式（PWM）、脉冲频率调制（PFM）式和混合调制式三类；LM2576LM2576是高效率、3A大电流输出、降压式稳压器；LM2576性能特点：最大输出电流为3A；最高输入电压为40V，输出电压分5种：3.3V、5V、12V、15V和ADJ（1.23～37V可调）；转换效率可达75％～88％，在许多情况下甚至可不加散热片；外围电路非常简单，作固定输出时仅需4个外部元件；不仅能构成降压式稳压器，还可构成反极性电压输出式稳压器；具有完善的保护电路，包括过电流保护及过热保护。3.开关型集成稳压器开关型集成稳压器将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中，用户只需要提供少量的外围器件，就能实现性能优越的开关稳压电路；引脚功能：LM2576系列产品有3种封装形式：TO-220（直脚排列），TO-220（双排互相错位的直脚排列），TO-263（表贴封装）；第1脚为直流电压输入端Vin，第2脚为稳压输出端Output，第3脚为接地端Gnd，第4脚为反馈端Feedback，第5脚为通/断控制端ON/OFF。典型应用：固定电压输出可调输出将R1=2.0kΩ、R2=6.12kΩ代入式中，得到Vout=5.00V反极性输出电路的特点是Gnd端不接地，而是将反馈端接地，利用自举电路把稳压器原来的地变成负电压输出端，输出电压就被稳定在-12V上，此时最大输出电流约为700mA。MC34063MC34063简介：MC34063是一种微功耗的集成稳压器，只需要外接少量元件，就可以组成DC/DC变换电路，不仅效率高，而且具有降压、升压和反转极性电压输出等多种功能；MC34063输入直流电压范围为3～40V，输出电压可调，输出峰值电流为1.5A；MC34063采用8脚DIP或SOP封装。典型应用降压电路MC34063的输出电压经R1、R2组成的分压器衰减后输入电压比较器的反相端，可以调整输出电压的大小，并保证输出电压的稳定；输出电压由下式确定：升压电路输入电压Vin为12V，经直流变换升压后，直接升至28V输出Vout。反极性电路芯片接地端（4脚）和定时电容CT的接地端均未接到地电位上，而是悬浮在输出端电位上；电感L上端的负电压可通过二极管VD送至输出端，从而获得负极性输出电压。电压基准和稳压电源的功能都是从一个稍欠稳定的输入电源VI中获得一个稳定的直流输出电压VO；作为电压基准，VI通常是已经稳定到某种程度的电压，因此其基准的作用就是要产生一个更加稳定的电压VO，以用作其他电路的参考标准；电压基准主要的技术指标是它的精确度和稳定性；电压基准通常具有较小的电流输出能力，一般为几毫安至几十毫安量级。5.3电压基准根据电压基准内部产生稳压的原理和结构不同，电压基准分为温度补偿齐纳二极管基准和能隙电压基准两类；根据外部应用电路的结构不同，电压基准还可分为串联型和并联型两类。串联型电压基准与三端稳压器类似，基准电压与负载串联连接；串联型电压基准的优点在于，只要求输入电源提供芯片的静态电流，并在负载存在时提供负载电流；并联型电压基准与稳压管类似，基准电压与负载并联连接；并联型电压基准的优点在于，能够满足很宽的输入电压范围，而且适合做悬浮式的电压基准。一、电压基准分类在对基准电压指标要求不高的场合，通常可以选用稳压二极管作为基准电压源；稳压管的击穿特性并不相同，以8V左右的特性最硬（动态电阻约4～15Ω）；环境温度变化时稳压管的击穿特性还会产生漂移，6V左右稳压管的温度系数最小；应尽可能选用击穿特性较硬、温度系数最小的6V稳压管。二、稳压二极管并联型电压基准对外可等效成一个稳压二极管，但其击穿电压精确度、温度漂移和动态内阻都远优于普通的稳压二极管；并联型电压基准需要串联电阻后接电源，以限制流过电压基准和负载的总和电流；器件本身的工作电流与负载电流密切相关，负载电流越大，器件自身消耗的电流就越小，负载电流为零时，器件自身电流达到最大；并联型电压基准允许流过的电流比较大，通常都在十几个mA数量级；常用的并联型电压基准有：LM385、LM336、LM199/399等。三、并联型电压基准LM336的典型应用电路基本电路增加了一个10kΩ电位器对输出电压进行微调增加了两个二极管，对电压基准进行温度补偿，使其输出具有更高的温度稳定性串联型电压基准具有三个端子：VIN、VOUT和GND，相当于一个高精度、高稳定度、小电流输出的串联型线性稳压器件；串联型电压基准有固定电压输出、可调电压输出和多电压输出三种输出形式，但输出电压一定低于输入电压；这类电压基准自身工作电流极小，负载电流与自身的工作电流没有直接的对应关系；相对于并联型电压基准，串联型电压基准通常具有更好的初始精度和温度系数。四、串联型电压基准AD581及典型应用电路AD581是一款三引脚、温度补偿式单芯片能隙基准电压源，可以利用12V至30V的未调节输入电平提供精密的10.00V输出；器件的静态电流典型值为0.75mA，可提供10mA输出电流，短路电流最大可达30mA；AD581L初始误差5mV，保证温度系数为5ppm/℃；典型应用电路如图：+10V输出-10V输出按照“水温控制系统”的总体方案论证，系统的供电电源至少需要有3路稳压电源输出：+5V和±15V；根据前向通道的设计要求，系统还需要提供一个+10V和一个+5V的电压基准。5.4系统辅助电路设计实例一、供电电源设计稳压电源实现的方案有三种：采用开关稳压电源、采用线性稳压电源，或采用开关稳压电源加线性稳压电源的方案；从性能和成本考虑，可以选用线性稳压电源的方式。220V交流市电通过变压器降压、