低压稳压电源硬件设计.docx

1、低压稳压电源硬件设计低压稳压电源硬件设计1 范围本设计对5V,+12V低压线性稳压电源的基本电路原理，各器件的参数计算选择，相关技术要求和实际使用中的有关问题进行了阐述。本设计规范适用于电子设备用小功率低压线性稳压电源电路的设计。GB/T 17478-2004 低压直流电源设备的性能特性 参考文献：电子技术基础 模拟部分（第四版）主编 康华光 高等教育出版社2 定义n 变压器的匝比 N2 次级绕组的匝数 N1 初级绕组的匝数 U2 次级绕组的输出电压 U1 初级绕组的输出电压I2 次级绕组的输出电流 I1 初级绕组的输入电流 P1 初级输入功率P2 次级输出功率Z1 变压器初级输入阻抗Z2 变

2、压器负载阻抗 放电时间常数 T 电源周期 T=1/f f 电源频率 f=1/T R 从电流流入的方向看进去的等价负载阻抗 UR 等价负载阻抗R的输入电压 IR 等价负载阻抗R的输入电流Ui 稳压器的输入电压： Uo 稳压器的输出电压。 3 总述大部分的电子电路与电子设备都需要有一个稳定的直流电源提供能量，而且对于我们通常所接触的控制器而言，一般都是利用电网提供的交流电源，经过整流、滤波、稳压后，滤去其不稳定的脉动、干扰成分，提供一个稳定的直流电压，来使电子电路与电子设备保持正常的工作。并且，我们目前绝大部分电子电路与电子设备都是使用线性电源，即通过降压、整流、滤波、稳压后提供稳定的直流电压给电

3、子电路及芯片工作的。4 电路原理4.1 方框图低压线性稳压电源电路基本上由四部分组成：变压器降压、二极管或桥堆整流、电容或电感滤波、三端稳压块（或稳压电路）稳压，他们之间的组合则可构成一个最基本的，也是最可靠的线性电源电路。图 14.2 原理图 图 24.3 电路原理4.3.1 降压部分电路（即变压器部分）4.3.1.1 变压器结构及相关原理变压器由线圈绕组、铁芯组成。一般而言，变压器还有一个外壳，用来起屏蔽和固定作用。一般的变压器具有一个初级绕组、一个或多个次级绕组，线圈绕在铁心上。给初级绕组加上交流电，由于电磁感应的原理，在次级绕组上则有电压输出。 给初级绕组加上交流电后，在次级绕组周围则

4、产生交变磁场，初级绕组通电后产生的磁力线绝大部分由铁心构成回路(铁心的磁阻远小于空气的磁阻)。次级绕组绕在铁心上，这样它的线圈切割磁力线而产生感应电动势，结果在次级绕组两端有电压输出。无论在铁心上绕几个次级绕组，次级线圈上都会切割磁力线而产生感应电动势。4.3.1.2 主要特性4.3.1.2.1 电压比(匝变比)它是次级、初级绕组匝数之比，用n表示。nN2N1U2U1 （公式1）将公式1变换一下，得： U2U1 （N2N1） （公式2）从公式1可知：当nl时，U2U1，为升压变压器； 当n=l时，U2=U1，称为1:1变压器(如隔离变压器)；当nl时，U2U1，为降压变压器，这是常用的一种变压

5、器，也是目前我们所用的变压器。4.3.1.2.2 电压与电流的关系为分析方便，假设变压器是无损耗的，那么初级输入功率等于次级输出功率，即P1=P2。由P=UI，得出： U1I1=U2I2 ； U2/U1= I1/I2 ； （公式3）从公式3可知，当U2U1时(即nI1；当U2U1时(即n1) ，有I2I1：换句话说，在降压变压器中，次级输出小电压大电流，次级输出电流大于初级输入电流，所以这种变压器的次级绕组线径比初级绕组线径粗；在升压变压器中，次级输出大电压小电流，次级输出电流小于初级输入电流，所以这种变压器的次级绕组线径比初级绕组线径细。在实际应用中，变压器是存在损耗的，但电压与电流的关系仍

6、符合以上所述的关系4.3.1.2.3 阻抗关系变压器可以进行电压变换，在某些场合则是利用它的阻抗变换特性。利用欧姆定律，可得：P=U2/Z；P1=P2 ；U12/Z1 =U22/Z2 ；根据公式1，可得Z2/Z1= U22/ U12=(U2/ U1) 2=(N2N1) 2=n2 （公式4）由上式分析可知，Z2，Z1之间的关系与n2有关；当N2=N1时，Z2=Z1，这说明变压器初级的输入阻抗等于次级的负载阻抗，此时变压器无阻抗变换作用；当N2N1时，Z1 =Z2/ n2，这说明变压器初级的输入阻抗相当于降低n2倍的次级的负载阻抗； 在放大器的级间耦合电路中，为了能使负载获得最大的激励阻抗，往往采

7、用变压器(阻抗变压器)来进行阻抗的匹配。因为最佳阻抗匹配的条件是激励信号源内阻等于负载阻抗，此时能使负载获得最大功率4.3.1.2.4 互感现象变压器是利用互感现象原理工作的：当初级绕组通以交流电时，初级绕组产生磁场，次级绕组的线圈切割磁力线而产生感生电动势，这样由交变电场生成磁场，磁场通过闭合的铁芯耦合到次级绕组，从而在次级线圈中生成感应电动势E01 。4.3.1.2.5 屏蔽作用在给变压器的初级绕组通以交流电时，绕组周围会产生磁场，尽管有铁心给绝大部分磁力线构成磁路，但仍有一些磁力线散布在变压器附近的一定空间范围内。这些磁力线会对附近的电路形成一定的磁干扰，所以一般要给变压器加上屏蔽壳。屏

8、蔽壳不仅可防止变压器干扰其他的电路，同时亦可防止其他杂散磁场干扰变压器的正常工作。4.3.1.3 主要参数4.3.1.3.1 额定功率在额定的频率与电压下，变压器长期工作而不超过规定的允许温升的最大输出功率，单位为VA。4.3.1.3.2 损耗比负载损耗与空载损耗之比。4.3.1.3.3 温升指在变压器工作下，温度达到稳定值时，变压器比环境温度高出的部分。要求变压器温升愈低愈好。4.3.1.3.4 效率效率=输出功率输入功率效率越高，变压器的损耗越小。4.3.1.3.5 绝缘电阻绝缘电阻不仅关系到变压器的性能，而且关系到变压器使用时的安全问题。绝缘电阻=施加电压产生的漏电流。一般可用仪器测量，

9、应在10M以上。4.3.2 整流部分电路整流电路的作用是，将经变压器降压后的交变电压通过二极管变为单向的脉动电压。考虑到成本与性能，我们一般采用桥式整流的方式。它相对半波、全波整流而言，具有二极管反向耐压值较小，通过二极管的电流较小，同时能量的利用率高等特点。4.3.2.1 二极管的工作原理一般二极管按材料分有硅二极管与锗二极管两种。它具有单向导电性。二极管由P型半导体与N型半导体构成，在P型、N型半导体之间接触面形成一个PN 结，通过PN结对不同方向电压的不同导电性来达到导通与截止的作用。当通以正向电压时，电流流过：通以反向电压时，二极管截止，电流不能通过。4.3.2.2 二极管的工作特性（

10、具体可参考本规范的参考文献）4.3.2.2.1 V-I特性V-I特性就是二极管两端电压与流过的电流之间的关系特性。4.3.2.2.2 管压降二极管在正向导通时，其正极、负极之间的电压称为正向压降，不同材料的二极管，其管压降是不一样的，对于一种规格的二极管，它的管压降是一定的。对于硅二极管，压降为0.6-0.7V，锗二极管，压降为0.2V左右。4.3.2.2.3 正反向电阻正向电阻远远小于反向电阻，这是二极管的单向导电性决定的。4.3.2.3 主要参数4.3.2.3.1 最大整流电流IF表示管子在长期工作时，允许通过的最大正向平均电流。4.3.2.3.2 反向电流IR给二极管加上规定的反向偏置电

11、压，在管子未击穿时，通过二极管的电流。它越小好。4.3.2.3.3 最大反向工作电压VRM它是指二极管在正常工作时所能承受的反向电压的最大值。4.3.2.3.4 最高工作频率由于材料、结构、工艺的影响，当二极管工作在一定的高频率时，二极管将失去它的良好工作特性。二极管保证它的工作特性的最高频率，称之为最高工作频率。另外，对于使用整流桥堆，我们可以把它看作四个二极管集成封装在一个器件里面。其参数、特性与二极管类同。4.3.3 滤波部分电路通过整流后，电源的脉动成分较大。滤波电路的作用就是在降低整流后输出电压中的脉动成分的同时，尽量保持其中的直流成分。一般典型而有效的滤波电路就是使用电容滤波、电感

12、滤波，利用电抗元件在电路中有储能的作用，滤去电源中的脉动成分，从而得到比较平滑的电源波形。若将电容与电感合理的安排在电路中，则可以有效的降低交流成分，保持直流成分。4.3.3.1 电容的参数及特性4.3.3.1.1 标称容量与允许偏差一般电容的允许偏差有5%、10%、20%。4.3.3.1.2 额定电压额定电压是指在规定温度范围内，可以连续加在电容器上的最大直流电压或交流电压的有效值。4.3.3.1.3 电容温度系数有正温度系数的电容，亦有负温度系数的电容。在使用中，希望温度系数越小越好。4.3.3.1.4 漏电流是指在正常工作时，在电容两端的泄漏电流。在使用中，我们希望漏电流越小越好。4.3

13、.3.1.5 频率特性大容量的电解电容的高频特性不好。大电解电容的等效电路为一电容与电感串联。在频率较高时，它的感抗较大，这样大的电解电容的阻抗在高频时，是随着频率的增大而增大的。4.3.3.2 电解电容的选取在我们所使用的小功率线性低压稳压电源电路中，大部分使用的为电容滤波，通过其放电特性来实现。放电的时间常数为=RC，越大，放电过程越慢，则输出电压越稳定，滤波效果越好，所以一般而言，C1、C3、C5电容在实际应用电路中，采用电解电容。C2、C4、C6采用瓷片电容。C1、C3、C5的容值依照所带的负载电流的大小而定：经验公式一般要求： （35）T/2 （公式5）把=RC，R= UR /IR，

14、T=1/f ，代入公式5，并取f=50Hz，得出 C（0.030.05）IR / UR （公式6）例如，我们取IR =500mA，UR=12V，代入公式6，可得 C（12502083）F对于电容的耐压值，一般要求大于2 倍的峰值电压。依照以上两个设计参数，便可选取电容C1、C3、C5的规格。 按电控的实际应用，一般经验为： C1=2200F /35VC3=1000F /25VC5=470F /16V4.3.3.3 瓷片电容的使用电源通过电解电容滤波后，滤去的是脉动部分，交流脉动部分通过C1、C3、C5流入地。由于C1、C3、C5容值较大，在高频时阻抗较大，有感抗特性，即C1、C3、C5对高频干

15、扰信号无法滤去，所以在实际电路中，我们再使用瓷片电容滤去其高频干扰部分，改变负载的瞬态响应特性。在一般电路中，C2，C4，C6取(104224)/50V。4.3.4 稳压部分电路电源通过降压、整流、滤波后，要提供给电子器件或芯片工作的电源，保证其正常的工作和精确的取样，还需经过稳压，滤波。目前我们使用的为三端稳压器7805、7812，它有输入、输出和公共端三个端子。输出电压稳定不变。这种稳压器内部集成有取样电路、保护电路、调整电路、比较放大电路、基准电路、启动电路、恒流源电路。方框图如图3所示。图 34.3.4.1 三端稳压器的参数4.3.4.1.1 最大输出电流IOMAX它是指集成稳压器允许

16、输出的最大电流的极限值。但是请注意，最大输出电流与最大负载电流ILMAX不同，ILMAX是指稳压器正常工作时的最大输出电流，为保证稳压器正常工作，ILMAX应小于IOMAX 。同时请注意最大输出电流IOMAX往往由调整管的最大消耗功率PMAX来决定。IOMAX=PMAX/(UiUo) （公式7）最大消耗功率与稳压器上所加的散热片散热效果有关。4.3.4.1.2 最大输入电压Uimax指稳压器的输入端所允许加的最大电压。应用时超过此极限值会导致稳压器损坏。4.3.4.1.3 耗散功率P P=(UiUo)IO4.3.4.1.4 工作温度Topr不同等级的三端稳压器有不同的工作温度范围。4.3.4.

17、1.5 最小输入、输出电压差(UiUo)min为了保证稳压器正常工作，必须保证具有一定的输入、输出电压差。如果输出确定，则输入必须保证大于一定值。若输入太低，则可能导致稳压器稳压性能不好，而且输出电压的纹波也会过大。电源经稳压器稳压后，会因为器件本身的原因及负载的变化，导致电压有一定的波动、纹波。为保证器件的正常工作，需采用电容滤波。具体参考5.3.3。4.3.4.2 应用注意问题在实际应用电路中，我们应该注意以下几个问题：4.3.4.2.1 最大输出电流对于目前我们所使用的稳压器，要注意它的最大输出电流，即一定要保证它的带载能力。对于MOTOROLA的稳压器而言，MC78XX 的最大输出电流

18、为1.0A；MC78LXX 的最大输出电流为0.1A；MC78MXX的最大输出电流为0.5A；MC78TXX 的最大输出电流为3.0A4.3.4.2.2 输出电压情况在厂家介绍稳压器的资料中，会没有C2、C4、C6，但在我们的具体实际应用中，为了减低输出电压的纹波，保证它在运行的发热高温过程中，纹波不能太大，我们一定要加这三个高频滤波电容，一般选择耐压50V的瓷片或独石电容就能达到要求。4.3.4.2.3 散热情况在稳压器的运行过程中，由于它要消耗一定的功率，所以一般而言，发热比较严重，在负载较大时，需使用散热片帮助其有效散热。需散热的功率可按公式7估算。算出需散热的功率后，依据实际条件，选取

19、散热片，以帮助稳压器有效散热。通过以上所介绍的降压、整流、滤波、稳压环节，我们将交流电网所提供的交流电源，经变压器降压后，整流为脉动的直流电源，再经滤波后，保持其直流部分，滤去交流和干扰部分，提供给稳压器，经稳压器稳压并滤波后，再提供给负载，以保证电源的稳定性，满足电子器件及芯片的正常、稳定的工作。5 电路应用设计就以上对线性低压稳压电源电路的介绍，参照目前我们的设计，提出以下设计的指引，以规范我们的设计与应用。5.1 变压器现在我们所使用的线性低压稳压电源电路中，变压器都为降压变压器，即nl。5.1.1 次级电压的选取一般我们需使用的稳定的直流电压为两种，一个为12V，一个为5V。如果电源整

20、个功率不大，则可考虑只抽出一组抽头，为14.5V的次级电压。5V电压从12V上抽取，这样的设计比较简单，且可靠。选定此次级电压时，需考虑电网电压的波动及为后一级的稳压元件提供足够电源，故次级电压一般选定为14.5V。若电源功率较大，则可考虑出两组抽头，一组供12V，一组供5V。考虑到电网的波动和供电功率，一般选定出5V的次级绕组电压为8.3V。如果不使用三端稳压器7812稳12V电压，变压器次级输出电压的选择要慎重，一般选择10.5V11V，太高，发热厉害，太低，又不能满足低压启动的要求。设计上要保证交流电压在176V-264V都可以使电控及相关的12V负载启动起来。5.1.2 功率的选定 1

21、2V主要用于供给继电器、2003、12V电机及其他的12V辅助电路，5V主要用于供给芯片、取样电路、输出控制电路、显示、开关等电路及电子元件的工作。设计次级输出功率时，请先依照其各自所带的负载情况，算出其所需的电源功率，加上20的设计裕量，再来设计变压器的输出功率。5.1.3 变压器的接线端子型号为统一及生产的方便起见，一般变压器的接线端子型号如下： 初级：VH-3 中间插孔不用次级：XH-3 中间插孔不用（单组输出）；XH-4（双组输出）5.1.4 散热情况另外需充分考虑到变压器的散热，必须为其留出一定的散热空间。5.2 整流电路在我们目前的应用中，由于电源为工频电源，故主要考虑的参数为最大

22、整流电流、最大反向电压。5.2.1 最大整流电流在实际电路设计中，我们用实验或理论计算，可计算出电源的负载电流I，则流过二极管的电流为I2，可依此算出二极管的负载电流，选取二极管或桥堆型号。对于我们目前一般的线性电源，功率一般都比较小，选择1A整流电流的二极管就可以满足要求。5.2.2 最大反向电压在前面所画的图1中，V02=0.9V01 ，（参考文献相关章节）反向峰值电压=1.414 V01依照上面的公式计算出反向峰值电压，对照器件规格、参数来选取二极管或整流桥堆的型号。目前我们所使用的整流二极管为IN4007，它的技术参数可参考相关的器件资料。整流桥堆的型号为T1VBA60。另外，考虑到成

23、本，我们应该在尽可能的情况下，选择使用二极管。5.3 滤波电路在我们的实际线性电源电路中，通过电解电容滤去脉动成分，再通过瓷片电容滤去高频干扰成分。依照上面所介绍的电容的选择办法，我们选择的电容如下：C1 1000uF2200uF35V，C3 4701000uF25V，C5 100470uF16V，C2 10422450V，C4 10422450V，C6 10450V。值得一提的是大家需注意以上所选电容的耐压值。5.4 稳压电路在我们所设计的线性电源电路中，稳压部分电路一般为采用7812、7805稳压，再通过电容滤波来稳定电压。对于部分电器件负载，若它对电源的要求不高，则可直接设计好变压器的次

24、级输出电压，然后通过二极管或整流桥堆滤去脉动成分后，再通过瓷片电容滤去高频干扰成分，直接供给负载，比如我们所使用的换气电机的12V电源，就是通过上面的方式来供电的。设计时主要考虑要兼顾交流电高低压的问题，高压不能发热太厉害，低压又要保证电控及相关器件能可靠运行。我们目前空调所使用稳压器，7812、7805上的发热是比较严重的，所以大家对于散热片的使用一定要慎重。当散热不够时，稳压器就可能提供不了负载所需的功率，或电源出来的纹波太多，导致芯片复位或误动作。6 其他稳压电路为了实现成本的下降，7805也有使用三级管及稳压管配合的电路来代替。此替代电路的负载驱动能力小于100mA，而且5V的波动相当较大。所以，在使用中，要对5V的负载及电源的稳定性有清晰的计算与了解。结合中国的电源情况，此电路不推荐使用，本规范也不作详细的叙述。7 电路的局限性以上阐述的线性低压稳压电源的设计，其输出的电压较稳定，纹波较小，对电网及其他用电设备的干扰亦较少，不过，它只适用于小功率，效率要求不高，电网电压波动较少的情况下使用。对于电网电压波动很大，负载要求功率大，效率高的时候，常采用开关稳压电源，具体可以参考相关的标准与规范。