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多功能集成稳压电源的设计 论文及原理图如何实现单片开关电源的设计

2021-10-11 本站作者 【 字体:

1 用TOPswitch—GX设计的250W开关电源
  TOPSwitch—GX设计的250W开关电源电路如图1所示。直流电压经变压器的原边加到TOPSwitch—GX的漏极D;频率选择端F 和极限电流设定端X与源极S相连,则该两端的功能都没用,即不从外部设定极限电流,内部自动设定自保护电流ILIMIT,开关工作频率为132K;控制极和光耦LTV817相连,接受反馈信号以实现对内部集成的高压功率MOS管占空比的控制;线路检测端L通过一2MΩ的电阻和直流高压输入的正端相连以实现过压、欠压线电压前馈的线电压检测。整个电路为单端反激式,TOPSwitch—GX为开关集成稳压器,反馈电路主要有光耦LTV817和与之串连的三个稳压二极管构成。电容C1为高频滤波电容;瞬态电压抑制器P6KE200和超快恢复二极管BYV26C构成钳位电路,并在其中串入RC吸收电路(由 R2,R3和C6组成),这样除了可以吸收部分漏感中的能量以外,还可将电压钳位在200V,可使开关电源在启动或过载的情况下TOPSwitch—GX 内部集成MOS管的漏极电压不超过700V;光耦LTV817和稳压二极管(VR2~VR4)构成反馈电路,R6是光耦中LED的限流电阻,它还决定控制环路的增益,输出电压变化时则流过光耦中LED的电流相应变化,从而光送到芯片控制极C的电流也相应变化,芯片内部据此产么的PWM信号占空比发生变化最终使输出电压稳定;高频变压器T1的副边输出经过MURl640CT整流和C9,C10和C11滤波,再经过磁珠L1和C12滤掉开关噪声后,得到输出电压;VD4和C14构成软启动电路。

  2 高频变压器设计
  对于PI公司的单片开关电源来说,高频变压器采用PI公司相关的开关电源计算机辅助设计软件来设计。本方案采用的是PI Expert 7.0专家系统。图2是用该软件设计的变压器的结构。

  3 测试结果
  该电源输出功率为250W,效率至少为85%,负载调整率为±5%,纹波电压峰一峰值小于100mV,空载功耗不大于1.4W。
  本方案选用TOP249Y设计,输出功率250W时工作于其上限功率,故要保持良好的散热条件(芯片温度要保持在110℃以下),也可用TOP250Y替换该元件。
  4 结束语
  单片开关电源具有单片集成化、最简外围电路、最佳性能指标、能以无工频变压器电器实现完全隔离等显著优点,是我们设计290W以下开关电源的理想选择。

集成稳压电源的设计
摘要:介绍了集成稳压电源电路应用和发展方向、直流稳压电源的组成以及各个部分的作用;采用一片
LM317稳压精度较高、使用极为广泛的串联集成稳压器,设计了一种简单实用的集成稳压电源。
关键词:整流;滤波;稳压;纹波电压
1引言
采用集成工艺,将调整管、基准电压、取样电路、误差放大和保护电路等集成在一块芯片上,构成了集
成化稳压电源。所以集成稳压电源就是稳压电源的集成化,它具有体积小、可靠性高、使用方便等优点,在
科研、生产、实验等场合的使用非常广泛。它可作计算机、单片微机开发、电力自控系统、大专院校科研院
所、工厂及中学实验室稳压电源;也可作为电气设备、电子仪器的一部分;还可作为实验室独立的电源设备
使用。现在随着电脑和手机的普及,稳压电源发挥着不可磨灭的作用。
2电源电路的集成和发展方向
随着电子技术的发展,电子系统的应用领域越来越广泛,电子设备的种类也越来越多;体积越来越小,
通信设备内部集成电路芯片等所需用的直流电源要求体积要小。所以我们需要将原来的电源进行改革,这样
就促进了电源的模块化和集成化,集成化、模块化使电源产品体积小、可靠性高,给应用带来极大方便,但
是随着电流增加,速度要求更快的时候,现有的解决办法将无法达到它的要求,解决的办法就是做系统集成。
但由于对电源体积和工作频率等要求的提高,集成化的直流稳压电源又向着高频化、高效率、无污染、模块
化的方向发展。
3直流稳压电源的组成及各个部分的作用
3.1直流稳压电源的组成部分
在电子电路及设备中,一般都需要用到稳定的直流电源供电。它是将一般的频率为50Hz、有效值为220V
的单相交流电压转换为幅值稳定、输出电源为几百毫安以下的直流电压。它一般由电源变压器、整流电路、
滤波电路和稳压电路组成。单相交流电经过此过程转换成稳定的直流电压。如图1所示,其中电源变压器将
交流电网电压U1变为合适的交流电压U2;整流电路将交流电压U2变为脉动的直流电压U3;滤波电路将脉动
直流电压U3转变为平滑的直流电压U4;稳压电路清除电网波动及负载变化影响,保持输出电压U0的稳定。


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3.2整流滤波电路
变压器副边电压通过整流电路由交流转换为直流电源电压,即将正弦波电压转换成为一种单一方向的脉
动电压。但是这样的电压都含有较大的交流分量,为了减小电压的脉动,需通过低通滤波电路,使输出电压
平滑。理想情况下,应将交流量全部滤掉,使滤波电路的输出电压仅为直流电压,然而由于滤波电路为无源
电路,所以接入负载后势必影响其滤波效果。所以只能变为交流分量较小的直流电压,对于稳定性要求不高
的电子电路,可以直接作为供电电源。


常用的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路,直流稳压电源的整流电路多使用单相全
波整流电路,这种电路在相同的变压器的副边电压下,对二极管的参数要求是一样的,并且还具有输出电压
高、变压器利用率高、脉动小等优点,因此得到了广泛的应用。整流电路如图2所示。


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整流电路将交流电压U1变为脉动的直流电压。在这里我们用的是单相整流电路,它是由四只二极管组成,
其构成的原理是保证在变压器副边电压U2的整个周期内,负载的电压和电流方向始终不变。若要达到这样一
个目的,就要在U2电压的正、负半周期内正确引导流向负载的电流,使其方向不变。通过D1、D3和D2、D4
两对二极管的交替导通,使得负载电阻RL上在U2的整个周期内都有电流通过,而且方向不变,输出电压:
()
2
0 00
1 2 2d
0.92
UU
u t U
π
ωπ
π
=∫==(1)
整流电路的输出电压虽然是单一的,但是脉动比较大,含有较大的谐波成分,因此,整流之后还需要利
用滤波电路将脉动的直流电压变成平滑的直流电压。直流电源中采用的滤波电路都是无源电路,在理想情况
下,滤波后只保留直流成分。电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路。以单向桥式整流电容滤波为例
进行分析,其电路如图3所示。



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当变压器副边电压U2处于正半周并且数值大于电容两端电压UC时,二极管D1、D3导通,电流一路流
经负载电阻RL,另一路电路对电容C充电。因为在理想情况下,变压器副边无损耗,二极管通电电压为零,
所以电容两端电压UC(即U0)与U2相等,当U2上升到峰值后开始下降,电容通过负载电阻RL放电,其电压
UC也开始下降,趋势与U2基本相同,但是由于电容是按指数规律放电,所以当U2下降到一定数值后,UC的
下降速度小于U2的下降速度,使得UC大于U2,从而导致D1、D3反向偏置而变为截止。此后,电容C继续
通过RL放电,UC按指数规律缓慢下降。
当U2的负半周幅值变化到恰好大于UC时,D
2
、D4因加正向电压变为导通状态,U2再次对C充电,UC
上升到U2的峰值后又开始下降;下降到一定数值时,D
2
、D4变为截止,C对RL放电,UC按指数规律下降;
放电到一定数值时D1、D3变为导通,重复上述过程。其波形如图4所示:


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图4电路滤波曲线图
近似估算U0=1.2U。而且流过二极管瞬时电流很大,RLC越大导致U0越高,负载电流的平均值越大,整
流管导电时间越短,因而I
D
的峰值电流越大。一般选管时,取
D0
I =I(2)
滤波电路的输出特性曲线如图5所示,可知输出波形随负载电阻RL或C的变化而改变,U0随之改变。RL愈
小(I0越大),U0下降多。所以电容滤波电路一般适用于输出电压较高,负载电流较小且负载变动不大的场合。


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3.3稳压电路的选择
当负载电流变化时,由于整流滤波电路存在内阻,输出电压将要变化;当电网电压波动时,使整流滤波
电路输出的直流电压不稳定。为了获得相对稳定的直流电压,我们在整流滤波之后通常还要接一个稳压电路。
在小功率设备中常用的稳压电路有线性稳压电路、稳压管电路和开关型稳压电路等。其中稳压管稳压电路较
简单,但是带负载能力差,一般只提供基准电压。开关型稳压电源效率较高,目前使用也比较多,但是电路
比较复杂,而且价格比较贵。而且本次设计的要求不是很高,所以使用了图6所示的最简单的稳压电路。
当电网电压升高时,稳压电路的输入电压UI随之增大,输出电压UO也随之按比例增大;但是因为(UO=UDZ)
因而根据稳压管的伏安特性,UDZ的增大将使IZ急剧增大;使得IR也急剧增大,因此UR会同时随着IR而急剧
增大;而UR的增大必将使输出电压UO减小。因此只要参数选择合适,R上的电压增量就可以与U1的增量近
似相等,从而使UO基本不变。可以描述如下:
电网电压上升时:
电网电压↑→UI↑→UO↑(UO=UDZ)↑→IZ↑→IR↑→UR↑抵偿UI的增加→UO↓保持近似不变
当电网电压下降的时:
电网电压↓→UI↓→UO↓(UO=UDZ)↓→IZ↓→IR↓→UR↓抵偿UI的减少→UO↑保持近似不变
考虑到种种原因,选择稳压管应该使
0
(1.5~3)
ZM M
I =I(3)
0
(2~3)
I
U =U(4)


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44
图6稳压电路
4实用集成稳压电源的设计
4.1实用集成稳压电源的设计方案
集成稳压电源种类繁多,有简单的,有复杂的。因为条件的限制,设计的只是最简单的,仅仅只用到一
片集成芯片LM317的直流稳压电源,如图(7)所示。
该电源的输出电压连续可调,LM317输出电流为1.5A,输出电压可1.25V--37V之间连续可调,输出电压
由两外接电阻R1、RP1所决定,输出端和调整端之间的电压差为1.25V,这个电压将产生几毫安的电流,经R1、
RP1到地,在RP1上产生了一个变化的电压加到调整段,通过改变RP1范围就能改变输出电压。为了得到稳定
的电压输出,流经R1的电流要小于3.5mA,LM317在不加散热片时最大功耗为2W,在加足够大的散热板时其最
大功耗可达15W。VD1为保护二极管,以防稳压器输出段短路而损坏IC,VD2用来防止输入短路而损坏集成电
路。
4.2器件选择与制作
对于整个电路来说,整流桥应选用电流大于3A而耐压大于50V的,二极管VD1、VD2选用1N4002;C1、C3、
C4选用耐压大于50V的电解电容;C2选用陶瓷电容;电阻用1/8W碳膜电阻;RP1选用5.1K电位器。因为电路并
不复杂,只要按照原理图去装配即可,但要注意的是二极管和电解电容的极性,装配时,可以制作一块小的


线路板,也可以直接用元件搭接。LM317因工作电流较小,可以不加散热片。装好后再检查一遍,无误后接
通电源。这时用万用表测量C1两端,应有11V左右的电压,再测C3两端,应有2-7V的电压。再调节RP1,C3两
端的电压应该能够改变,调到你所需要的电压即可。输出端可以接一根十字插头线,以便与随身听等用电器
相连。而且此电路只要元件安装无误,无须调试即可使用。


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4.3稳压电源的性能指标及测试方法
稳压电源的技术指标分为两种: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,用来衡量输出直流电压的稳定程度,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)及温度系数。测试电路如图(8):


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(1)纹波电压:叠加在输出电压上的交流电压分量。用示波器观测其峰峰值一般为毫伏量级。也可用交
流毫伏表测量其有效值,但因纹波不是正弦波,所以有一定的误差。
(2)稳压系数:在负载电流、环境温度不变的情况下,输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化。
(3)电压调整率:输入电压相对变化为±10%时的输出电压相对变化量,稳压系数和电压调整率均说明
输入电压变化对输出电压的影响,因此只需测试其中之一即可。
(4)输出电阻及电流调整率:输出电阻与放大器的输出电阻相同,其值为当输入电压不变时,输出电压
变化量与输出电流变化量之比的绝对值。电流调整率:输出电流从0变到最大值时所产生的输出电压相对变
化值。输出电阻和电流调整率均说明负载电流变化对输出电压的影响,因此也只需测试其中之一即可。
5结束语
集成稳压电源与一般分立元件的稳压电源相比较,具有性能优良、可靠性高、体积小、价格低廉的优点,
因此获得了广泛的应用。并且粗略的讲解了集成稳压电源的现状和发展方向。并且分步讲叙了稳压电源的组
成原理和各个部分的作用。最后采用LM317稳压器设计了一个简单实用的集成稳压电源。
参考文献
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[2]童诗白,华成英等.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2001.
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[4]周仲.国产集成电路应用[M].北京:电子工业出版社,1993.
[5]吕天祥.电路基础[M].成都:西南交大出版社,1994.
[6]金树泽.电子技术基础[M].成都:西南交大出版社,1994.
[7]秦曾煌.电工学[M].北京:高教出版社,1993.
[8]I.M.戈特利布.稳压电源[M].北京:科学出版社,1993.
[9]清华大学电子工程系.晶体管电路[M].北京:科学出版社,1974.

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