一种多输出线性直流稳压电源的设计

一种多输出线性直流稳压电源的设计

一、直流稳压电源的选择在现代工业和自动生产过程中，它涉及大量的动态检测和控制问题，尤其是振动和振动的精确测量。对于振动和冲击信号的获取,最常见的是用压电加速度传感器,它将力学的输入信号转变为电信号。但是,这个输出信号必须要做适当的处理才能应用。因此,压电加速度传感器的后续适调电路,即电荷放大器的研究就显得非常重要。我们用TL081芯片来取代传统电荷放大器所用的大量分离元件,优化了电路设计。但是,由于TL081芯片需±15V的直流供电,而其它芯片需+5V电源驱动,因此,需要设计合适的多输出直流稳定电源。直流稳压电源一般分为线性和开关电源两类。对于单片机数字控制的电路系统,通常采用基于PWM控制的开关电源;而对于放大器的模拟控制系统,采用线性直流稳压电源则更具有优势。线性直流稳压电源具有稳压和滤波的双重作用,产生的干扰很小,随着集成电路技术的发展,较高输出电流和数值可调的集成稳压器相继出现,由此而构成的线性直流稳压电源结构简单,维修方便,功率200W以下时,整机的体积也不大。一般来讲,线性直流稳压电源的纹波抑制比,电压调整率和噪声抑制等性能比开关直流稳压电源要好。更重要的是工作可靠,故障率低,更适合于放大器的模拟控制系统。因此,针对电荷放大器的需要,本文提出了一种基于集成稳压器的多输出线性直流稳压电源的设计。二、多输出直流稳压电源设计1、电容c构造及其集成稳压器设计设计的线性直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路及稳压电路等四个部分组成,如图1的框图所示。这样,输入的市电波形经过降压、整流、滤波和稳压,获得所需的直流电压输出,其过程如图2所示。电源变压器选用单相220VAC输入,6.3V、15V、36V多档位输出,功率为100W变压器。整流电路用硅整流桥将交流电整流,输出脉动直流电。滤波电路选用一个2200μF的大容量电解电容C1和一个10nF的小容量涤纶CL11型电容C2并联滤波,如图3所示。理论上,在同一频率下容量大的电容其容抗小,这样一大一小电容相并联后其容量小的电容C2不起作用。但是,由于大容量的电容器存在感抗特性,等效为一个电容与一个电感串联。在高频情况下的阻抗反而大于低频时的阻抗,小电容的容量小,在制造时可以克服电感特性,几乎不存在电感。在大电容C1上并联一个小电容C2可以补偿其在高频下的不足。当电路的工作频率比较低时,小电容不工作(容抗大相当于开路)。大电容的容量越大滤波效果越好。当电路的工作频率比较高时(输入信号的高频干扰成分),大电容由于感抗大而处于开路状态。这时高频干扰成分通过小电容流到地线,滤除各种高频干扰成分。稳压电路选用三端集成直流稳压器,其电路连接方式一般如图4所示。性能上,常用的集成稳压器有三端固定式、三端可调式和开关式。以三端固定式为例,其正输出为7800(后两位代表输出的额定稳压值,00是统称)系列,负输出为7900系列,常见的有05、06、08、09、12、15、18、24八种。一般要求最小的输入、输出电压差(UI-U0)为2V～3V;输出稳压的容差约为5%;最大输出电流IOmax有0.1A(如78L12),0.5A(如78M12)和1.5A(如7812)等多种,部分器件的最大输出电流可达2.2A;其最大输入电压UImax一般是7818档以下为35V,7824档为40V;电压调整率SU一般为0.01%/V;输出电阻R0小于0.1Ω;纹波抑制比SVP一般为50dB;温度系数ST一般为每度1mV～2.4mV。图4中,引脚1为电压变换的输入端,引脚2为电压变换后的输出端,引脚3为接地端。电容Ci作用是改善纹波和抑制输入的过电压,一般取值为0.33μF。C0作用是改善负载的顺态响应,一般可选取0.1F的电容,当采用大容量的电解电容时效果更好。稳压电源的输入输出端要跨接一个二极管,以防止集成稳压器输出调整管损坏。2、稳压器+/-15v组合电路本设计是把几个供电模块集成到一个供电电源上,能够同时提供固定输出+5V(最大输出电流3A)和固定输出±15V(最大输出电流1.5A)的直流电输出,此外,还有一路1.2V到33V(最大输出电流3A)连续可调的电压输出。(1)输出+5V:核心器件选用LM323K三端集成稳压器,其输出电压为+5V,额定电流3A。当变压器变压后输出6.3V交流电,经KBPC810硅整流桥,整流后输出约6V电压,滤波后由LM323K三端集成稳压电源处理,输出+5V电压,电流最大输出为3A。(2)输出+/-15V:核心器件选用稳压器7815和7915,组合应用这两个稳压器件与一个硅整流桥相接,按图5接好电路就能输出+/-15V的电压。该组合器件的公共输出接地端,这与LM323K不同。LM323K用的是硅整流桥的负输出端作接地端,正输出端做LM323K的电压输入端。而组合用7815和7915时,公共输出接地端用的是变压器输出端口的+15V并分别接入7815的接地引脚(GND)和7915的电压输入引脚(Vin);硅整流桥的正、负输出端口则分别接入7815的电压输入端(Vin)和7915的接地端;滤波电容用了两个1000uF首尾相接,连接处接公共输出接地端。(3)输出1.4V～33V,0.5A:该部分的核心器件为可调式三端集成直流稳压器LM317和满量程5.1kΩ的电位器RW。通过添加一些元件可以构成电压从1.4V～33V连续可调直流稳压电源。并且解决了利用固定式稳压器和电位器进行调压而引起的精度下降问题。但是要保证其输入电压Ui与输出电压Uo之差小于等于40V。主要电路如图6所示:输出电压,R1取200Ω,当RW为零时,理论上Uo为1.25V,但实测此时Uo为1.4V;当RW满量程时,输出Uo为33V。其中C1(2200μF),C2(0.33μF)用来抑制高频干扰;C3用来提高稳压器纹波抑制比,减少输出电压中的纹波电压;C4用来克服LM317在深度负反馈工作下可能产生的自激振荡,还可进一步减小输出电压中的纹波分量。D1的作用是防止输入端短路时,电容C4放电而损坏稳压器;D2的作用是防止输出端短路时C3放电而损坏稳压器。三、过压保护的测试为了保证稳压电源的安全性和抗干扰性,设计采用了双重过载保护。保护主要体现在过压、过流、过载的保护。设计从市电网引入输入电源,采用了输入容差为±10%的工业变压器,所以变压器前的过压保护可以省略。在设计时考虑了变压器输出要小于后面整流滤波电路和集成电源的最大输入电压,即对整流滤波电路和集成电源来讲其输入电压还有一定的余地,所以在变压器后也无需对电路实行过压保护。电路的保护集中在了过载保护上。根据变压器的功率(100W),在变压器前安装0.5A的保险丝实现在输入端的过载保护;在每个模块的输出端处安装参数与最大输出电流相应的过载保护器来实现二次过载保护。过载保护器选用自复式的,过载时断路实现保护,过载消除后自动复位,不用更换保护元件电路又可正常运行。系统采用机壳地和直流地共同连接到一点,作为基准地,并在制板和安装时保证接地电阻尽可能小,有效消除静电干扰,保护人身安全。系统没有将交流地做公共地,避免了一个可能的干扰源。实验中,保持输入电压Vi不变,而负载电流I0在10mA～300mA之间变化,测量输出的电压V1,V2,V3。实测的结果如表1所示。根据公式得输出电阻.,即负载变化时对输出电压的影响很小;电路中采用了多项措施减小纹波,输出的以+5V和±15V的电压均比较稳定。图7给出其中+15V电压输出波形的实验结果。四、电源分散配置设计的多输出线性直流稳压电源,利用集成稳压器(固定式和可调式)构成,结构简单,元器件较少,又不需要投切的开关,干扰源和瞬变噪声相应地大大减少;工业变压