开关稳压电源介绍

    直流变换器，它是把直流转换成交流，然后又把交流转换成直流的装置。这种装置被广泛地应用在开关稳压电源中。采用直流变换器可以把一种直流供电电压变换成极性、数值各不同的多种直流供电电压。

      开关稳压电源的优点

    [1].功耗小，效率高。在图1中的开关稳压电源电路中，晶体管V在激励信号的激励下，它交替地工作在导通—截止和截止—导通的开关状态，转换速度很快，频率一般为50kHz左右，在一些技术先进的国家，可以做到几百或者近1000kHz。这使得开关晶体管V的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80%。

    [2].体积小，重量轻。从开关稳压电源的原理框图可以清楚地看到这里没有采用笨重的工频变压器。由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。由于这两方面原因，所以开关稳压电源的体积小，重量轻。

    [3].稳压范围宽。从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿，这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。这样，开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关稳压电源。

    [4].滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500b倍。在相同的纹波输出电压下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1/500—1/1000。

    [5].电路形式灵活多样。例如，有自激式和他激式，有调宽型和调频型，有单端式和双端式等等，设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。

      开关稳压电源的缺点

    开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。开关稳压电源中，功率调整开关晶体管V工作在状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。

    目前，由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料技术与一些技术先进国家还有一定的差距，因而造价不能进一步降低，也影响到可靠性的进一步提高。所以在我国的电子仪器以及机电一体化仪器中，开关稳压电源还不能得到十分广泛的普及及使用。特别是对于无工频变压器开关稳压电源中的高压电解电容器、高反压大功率开关管、开关变压器的磁芯材料等器件，在我国还处于研究、开发阶段。在一些技术先进国家，开关稳压电源虽然有了一定的发展，但在实际应用中也还存在一些问题，不能十分令人满意。这暴露出开关稳压电源的又一个缺点，那就是电路结构复杂，故障率高，维修麻烦。对此，如果设计者和制造者不予以充分重视，则它将直接影响到开关稳压电源的推广应用。当今，开关稳压电源推广应用比较困难的主要原因就是它的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高。

     开关稳压电源的发展

    [1] 国际发展状况

      发展史
    1955年美国的科学家罗那（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。此后，利用这一技术的各种形式的精益求精直流变换器不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转和机械振子示换流设备。由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态，所以由此而制成的稳压电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻，因而当时被广泛地应用于航天及军事电子设备。由于那时的微电子设备及技术十分落后，不能制作出耐压高、开关速度较高、功率较大的晶体管，所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入，并且转换的速度也不能太高。

    60年代，由于微电子技术的快速发展，高反压的晶体管出现了，从此直流变换器就可以直接由市电经整流、滤波后输入，不再需要工频变压器降压了，从而极大地扩大了它的应用范围,并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关电源。省掉了工频变压器，又使开关稳压电源的体积和重量大为减小，开关稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻。

    70年代以后，与这种技术有关的高频，高反压的功率晶体管、高频电容、开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来，使无工频变压器开关稳压电源得到了飞速的发展，并且被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域，从而使无工频变压器开关稳压电源成为各种电源的佼佼者。

      目前正在克服的困难
    随着半导体技术和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强大的大规模集成电路的不断出现，使得电子设备的体积在不断地缩小，重量在不断地减轻，所以从事这方面研究和生产的人们对开关稳压电源中的开关变压器还感到不是十分理想，他们正致力于研制出效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或者通过别的途经取代开关变压器，使之能够满足电子仪器和设备微小型化的需要，这是从事开关稳压电源研制的科技人员目前正在克服的一个困难。

    开关稳压电源的效率是与开关管的变换速度成正比的，并且开关稳压电源中由于采用了开关变压器以后，才能使之由一组输入得到极性、大小各不相同的多组输出。要进一步提高开关稳压电源的效率，就必须提高电源的工作频率。但是，当频率提高以后，对整个电路中的元器件又有了新的要求。例如，高频电容、开关管、开关变压器、储能电感等都会出现新的问题。进一步研制适应高频率工作的有关电路元器件，是从事开关稳压电源研制科技人员要解决的第二个问题。

    工作在线性状态的线性稳压电源，具有稳压和滤波的双重作用，因而串联线性稳压电源不产生开关干扰，且波纹电压输出较小。但是在开关稳压电源中的开关管工作在开关状态，其交变电压和电流会通过电路中的元件产生较强的尖峰干扰和谐振干扰。这些干扰就会污染市电电网，影响邻近的电子仪器及设备的正常工作。随着开关稳压电源电路和抑制干扰措施的不断改进，开关稳压电源的这一缺点得到了一定的克服，可以达到不妨碍一般的电子仪器、家用电器的正常工作的程度。但是在一些精密电子仪器中，由于开关稳压电源的这一缺点，却使它得不到使用。所以，克服开关稳压电源的这一缺点，进一步提高它的使用范围，是从事开关稳压电源研制科技人员要解决的第三个问题。

    [2] 国内发展情况

    我国的晶体管直流变换器及开关稳压电源研制工作开始于60年代初期，到60年代中期进入实用阶段，70年代初期开始研制无工频降压变压器开关稳压电源。1974年研制成功了工作频率为10kHz、输出电压为5V的无工频降压变压器开关稳压电源。近10多年来，我国的许多研究所、工厂及高等院校已研制出多种型号的工作频率在20kHz左右，输出功率在1000W以下的无工频降压变压器开关稳压电源，并应用于电子计算机、通信、电视等方面，取得了较好的效果。工作频率为100kHz—200kHz的高频开关稳压电源于80年代初期就已开始试制， 90年代初期就已试制成功。目前正在走向实用阶段和再进一步提高工作频率。许多年来，虽然我国在无工频降压开关稳压电源方面作了巨大的努力，并取得了可喜的成果，但是，目前我国的开关稳压电源技术与一些先进的国家相比仍有较大的差距。此外，这些年来，我国虽然把无工频变压器开关稳压电源的工作频率从数十kHz提高到了数百kHz，把输出功率由数十瓦提高到了数百瓦甚至数千瓦，但是，由于我国半导体技术与工艺跟不上时代的发展，导致我们自己研制和生产出的无工频变压器开关电源中的开关管大部分采用的仍是进口的晶体管。所以我国的开关稳压电源事业要发展，要赶超世界先进水平，最根本的是要提高我国的半导体技术和工艺。

    开关稳压电源的种类

    现在，电子技术和应用迅速地发展，对电子仪器和设备的要求是：性能上，更加安全可靠，在功能上，不断地增加。在使用上自动化程度越来越高。在体积上，要日趋小型化。这使采用具有众多优点的开关稳压电源就显得更加重要了。所以，开关稳压电源在计算机、通信、航天、彩色电视等方面都得到了越来越广泛的应用，发挥了巨大的作用，这大大促进了开关稳压电源的发展，从事这方面研究和生产的人员也在不断地增加，开关稳压电源的品种和类型也越来越多。下面的组图给出了各种类型开关稳压电源的原理图。

    (1)按激励方式划分
      他激式
    电路中转设激励信号的振荡器，电路形式如图6所示。

      自激式
    开关管兼作振荡器中的振荡管，电路形式如图7所示。

    (2)按调制方式划分
      脉宽调制型
    振荡频率保持不变，通过改变脉冲宽度来改变和调节输出电压的大小，有时通过取样电路、耦合电路等构成反馈闭环回路，来稳定输出电压的幅度。

      频率调制型
    占空比保持不变，通过改变振荡器的振荡频率来调节和稳定输出电压的幅度。

      混合调制型
    通过调节导通时间的振荡频率来完成调节和稳定输出电压幅度的目的。

    (3)按开关管电流的工作方式划分
      开关型
    用开关晶体管把直流变成高频标准方波，电路形式类似于他激式。

      谐振型
    开关晶体管与LC谐振回路将直流变成标准正弦波，电路形式类似于自激式。

    (4)按开关晶体管的类型划分
      晶体管型
    采用晶体管作为开关管，电路形式如图6所示。

      可控硅型
    采用可控硅作为开关管，这种电路的特点是直接输入交流电，不需要一次整流部分，其电路形式如图5。

    (5)按储能电感与负载的连接方式划分
      串联型
    储能电感串联在输入与输出电压之间，电路形式如图3所示。

      并联型
    储能电感并联在输入与输出电压之间，电路形式如图4所示。

    (6)按晶体管的连接的连接方式划分
      单端式
    仅使用一个晶体管作为电路中的开关管，这种电路的特点是价格低，电路结构简单，但输出功率不能提高，其电路形式如图3、图4和图6所示。

      推挽式
    使用两个晶体管，将其连接成推挽功率放大器形式。这种电路的特点是开关变压器必须具有中心抽头，电路形式如图12。

      半桥式
    使用两个晶体管，将其连接成半桥形式。它的特点是适应于输入电压较高的场合。电路形式如图11。

      全桥式
    使用四个开关晶体管，将其连接成全桥形式。它的特点是输出的功率比较大。其电路形式如图13。

(7)按输入与输出的电压大小划分
      升压式
    输出电压比输入电压高，实际就是并联型开关稳压电源。

      降压式
    输出电压比输入电压低，实际就是串联型开关稳压电源。

    (8)按工作方式划分
      可控整流型
    所谓可控整流型开关稳压电源，是指采用可控硅整流元件作为调整开关管，可由交流市电电网直接供电，也可用变压器变压后供电。（这种供电方式在开关稳压电源刚兴起的初期常常采用，目前基本上不太采用。）在可工作的半波内，截去正弦曲线的前一部分，这一部分所占角度称为截止角，导通的正弦曲线的后一部分称为导通角。依靠调节导通角的大小，可达到调整输出电压和稳定电压的目的。其电路如图10所式。

      斩波型
    斩波型开关稳压电源是指直流供电，输入直流电压加到开关电路上，在开关电路的输出端得到单向的脉动直流，经过滤波得到与输入电压不同的稳定的直流电压，电路还从输出电压取样，经过比较、放大、控制脉冲发生电路产生的脉冲信号，用以控制调整开关的导通时间和截止时间的长短或开关的工作频率，最后达到稳定输出电压的目的。电路的过压保护电路也是依据这一部分提供的取样信号来进行工作的，斩波型电路形式如图9所示。

      隔离型
    这种形式的开关电源是在输入回路与逆变电路之间，经过高频变压器（也可称为开关变压器），利用磁场的变化实现能量的传递，没有电流间的直接流通，隔离型开关稳压电源采用直流供电，经过开关电路，将直流电变成频率很高的交流电，再经变压器隔离、变压（升压或降压），然后经整流器整流，最后就可以得到新的、极性和数值各不相同的多组直流输出电压。电路从输出端取样，经放大后反馈至开关控制端，控制驱动电路的工作，最后达到稳定输出电压的目的。这种形式的开关稳压电源在实际稳压电源中应用最为广泛。

    (9)按电路结构划分
      散件式
    整个开关稳压电源电路都是采用分立元器件组成的，它的电路结构较为复杂，可靠性较差。

      集成电路式
    整个开关稳压电源电路或电路的一部分是由集成电路组成的，这种集成电路通常为厚膜电路。有的厚膜集成电路中包括开关晶体管，有的则不包括开关晶体管。这种电源的特点是电路结构简单、调试方便、可靠性高。彩色电视机中常采用这种开关电源。

    以上五花八门的开关稳压电源的品种都是站在不同的角度，以开关稳压电源不同的特点命名的。尽管各种电路的激励方法、输出直流电压的调节手段、储能电感的连接方式、开关管器件种类以及串并联结构等各不相同，但是它们最后总可以归结为串联型开关稳压电源和并联型开关稳压电源这两大类。这两大类也正是作者对开关稳压电源的划分方法。

  大功率开关稳压电源
    一些高档电器，如计算机、通信设备、家用视听设备对电源的要求较高，采用普通分立元件或三端稳压集成电路制作的普通型稳压电源已不能满足这些电器设备的要求。用上述方法制作出的稳压电源不是体积庞大，就是功率太小，保护功能也不完善，因此，这类电器的电源已开始向开关稳压电源过渡。
    本文向大家介绍的这款开关稳压电路，采用美国Lambda公司生产的LA6350单片大功率
开关稳压集成电路设计的开关型稳压电源，不仅电路简单、调试容易、功能完善，而且所需的散
热器面积小、输出功率大、制作成本低，是电子爱好者制作开关稳压电源的理想电路。
LA6350具有以下特点：
1）输出电压在 2.5－30V内连续可调；
2）单片输出电流可达5A；
3）开关工作频率高于22kHz;
4）转换效率大于90％；
5）工作温度为-55度~＋125度
6)具有软启动开机，过流快速关断以及过热保护等功能。
电路如图所示。电路采用该芯片制作的输出电流可达10A，输出电压在5－12V内可调的实用大功率开关型稳压电源。其工作原理为：220V交流电源经变压器T1降压，桥堆VD1整流，C1、C2滤波后得到一直流电压。IC第①、②脚为直流电压输入端，其最高输入电压为+40V。该直流电压经IC内部的振荡器调制为200kHz左右的高频开关电压，振荡器的开关频率由外接振荡电容器C4决定。当C4的值取为3300pF时，电源的开关频率约为200kHz；R3、C6为环路调节放大器的频率补偿网络，由第7脚输入。IC第④脚为抑制输入端，其闭锁电压的阈值为0.7V，输出电压经取样电阻R2反馈至第④脚后与R1比较，当阈值电压大于0.7V时，输出关闭，起到短路过流保护作用。第6脚为输出电压调节控制端，由电位器RP1及电阻R4将输出电压分压后得到调节电压检测值，调节电位器RP1可控制输出电压的大小，输出电压值可由公式：VO=Vref{1＋Rh／(RL＋R4)}进行估算。其中，Vref为基准电压，为2.1V。第8脚为输出端，VT为电流放大管，VD2为反向续流二极管，L为滤波电感器。

IC为专用开关型稳压集成电路LA6350，其外壳接地并接散热器。R5的功率应大于5W。IC外围电路中，除振荡电容C4选择高频电容器外，电阻R1、R2应选择允许偏差＜1％的高精度金属膜电阻外，其余元件无特殊要求，按图中参数选取小型器件即可。由于输出电压为高频开关式，因此IC和功率三极管VT所需的散热器仅为普通稳压电源的三分之一，且性能远远高于普通的稳压电源。

TL431特性及应用

介绍可调分流基准芯片TL431的特性及其在一些功能电路中的应用。

可调分流基准 恒流 恒压 PWM 开关电源

1 TL431的简介

德州仪器公司（TI）生产的TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值（如图2）。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。

左图是该器件的符号。3个引脚分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。TL431的具体功能可以用如图1的功能模块示意。

由图可以看到，VI是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管 图1 的电流将从1到100mA变化。当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。但如果在设计、分析应用TL431的电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助的，本文的一些分析也将基于此模块而展开。

2. 恒压电路应用

前面提到TL431的内部含有一个2.5V的基准电压，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。如图2所示的电路，当R1和R2的阻值确定时，两者对Vo的分压引入反馈，若V o增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致Vo下降。显见，这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定，此时Vo=(1+R1/R2)Vref。选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，特别地，当R1=R2时，Vo=5V。需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1 mA 。

当然，这个电路并不太实用，但它很清晰地展示了该器件的工作原理在应用中的方法。将这个电路稍加改动，就可以得到在很多实用的电源电路，如图3，4。

图3 大电流的分流稳压电路                图4 精密5V稳压器

3.    恒流电路应用

由前面的例子我们可以看到，器件作为分流反馈后，REF端的电压始终稳定在2.5V，那么接在REF端和地间的电阻中流过的电流就应是恒定的。利用这个特点，可以将TL431应用很多恒流电路中。

如左图5是一个实用的精密恒流源电路。原理很简单，不再赘述。但值得注意的是，TL431的温度系数为30ppm/℃，所以输出恒流的温度特性要比普通镜像恒流源或恒流二极管好得多，因而在应用中无需附加温度补偿电路。

图5下面就介绍一个用该器件为传感器电桥提供恒定偏流的电路，如图6。

这是一个已连成桥路的硅压传感器的前级处理电路。Vref/R2的值应设为电桥工作所必要的恒定电流，该电流值通常会由传感器制造商提供。流经TL431阴极的电流由R1和电源电压Vs决定，在应用中通常让它等于桥路电流，但一定要注意大于1mA。

由于TL431非常易于实现恒压或恒流，而且有很好的温度稳定性，因此很适合于仪表电路、传感器电路等设计应用。在此方面的应用例子很多，设计原理并不复杂，本文不再一一介绍。

4.    可控分流特性的应用

由第1节介绍的功能模块图，当REF端的电压有微小变化时，从阴极到阳极的分流将随之在1～100mA内变化。利用这种可控分流的特性，可以用小的电压变化控制继电器、指示灯等，甚至可直接驱动音频电流负载。如图7是此应用的一个简单400mW单声道功率放大电路。

图7

图8

5.    在开关电源上的应用

    在过去的普通开关电源设计中，通常采用将输出电压经过误差放大后直接反馈到输入端的模式。这种电压控制的模式在某些应用中也能较好地发挥作用，但随着技术的发展，当今世界的电源制造业大多已采用一种有类似拓扑结构的方案。此类结构的开关电源有以下特点：输出经过TL431(可控分流基准)反馈并将误差放大，TL431的沉流端驱动一个光耦的发光部分，而处在电源高压主边的光耦感光部分得到的反馈电压，用来调整一个电流模式的PWM控制器的开关时间，从而得到一个稳定的直流电压输出。上图是一个实用的4W开关型5V直流稳压电源的电路。该电路采用了此种拓扑结构并同时使用了TOPSwitch技术。图中C1、L1、C8和C9构成EMI滤波器，BR1和C2对输入交流电压整流滤波，D1和D2用于消除因变压器漏感引起的尖峰电压，U1是一个内置MOSFET的电流模式PWM控制器芯片，它接受反馈并控制整个电路的工作。D3、C3是次极整流滤波电路，L2和C4组成低通滤波以降低输出纹波电压。R2和R3是输出取样电阻，两者对输出的分压通过TL431的REF端来控制该器件从阴极到阳极的分流。这个电流又是直接驱动光耦U2的发光部分的。那么当输出电压有变大趋势时，Vref随之增大导致流过TL431的电流增大，于是光耦发光加强，感光端得到的反馈电压也就越大。U1在接受这个变大反馈电压后将改变MOSFET的开关时间，输出电压随改变而回落。事实上，上面讲述的过程在极短的时间内就会达到平衡，平衡时Vref=2.5V，又有R2=R3，所以输出为稳定的5V。这里要注意的是，不再能通过简单地改变取样电阻R2、R3的值来改变输出电压，因为在开关电源中每个元件的参数对整个电路工作状态的影响都会很大。按图中所示参数时，电路可在90VAC～264VAC（50/60Hz）输入范围内，输出+5V，精度优于±3%，输出功率为4W，最大输出电流可达0.8A，典型变换效率为70%。

4W开关型直流稳压电源

如图所示的电路可将90VAC～264VAC输入范围的50/60Hz交流电压变换为直流+5V输出，精度优于±3%，输出功率4W，最大输出电流可达0.8A，典型变换效率为70%。图中C1、L1、C8和C9构成一个EMI滤波器，BR1和C2对输入交流电压整流滤波，D1和D2用于消除因变压器漏感引起的尖峰电压，U1是一个内置MOSFET的PWM控制器，它控制整个电路的工作，R2和R3是取样电阻，它们和U2、U3一起对输出电压进行回授控制，以确保负载变化时输出电压稳定。D3和C3是次级整流滤波电路，L2和C4对输出电压进一步滤波以便降低输出纹波电压。

B题   直流稳压电源设计

设计组成员:

一.       设计任务与设计的基本要求：

(1).直流稳压电源的任务：

利用所学的知识设计并制作交流变换为直流的稳压电源．

(2)直流稳压电源的基本要求：

A．稳压电源　在输入电压为220Ｖ．50HZ. 电压变化范围为+10%~-10%条件下：

a.        输出电压可调范围为：+9V~+12V;

b.        最大输出电流为:Imax＝1.5A;

c.        电压调整率≤0.2%(输入电压220V变化范围+10%~-10%下，满载)；

d.        负载调整率≤2%(最低输入电压下，空载到满载)；

e.        纹波电压(峰-峰值) ≤5mV(最低输入电压下，满载);

f.          效率≥40%(输出电压为+9V，输入电压为220V下，满载);

g.        具有过流保护及短路保护功能;

B. 稳流电源  在输入电压固定为直流+12V的条件下；

a.        输出电流为：4~20mA可调；

b.          负载调整率≤2%(输入电压+12V，负载电阻由200Ω~300Ω变化时，输出电流为20mA时的相对变化率);

C. DC-DC变换器  在输入电压为+9V~+12V条件下：

a.        输出电压为+100V，输出电流为10mA;

b.          电压调整率≤2%(输入电压变化范围+9V~+12V)；

c.           负载调整率≤2%(输入电压+12V下，空载到满载);

d.          纹波电压(峰-峰值) ≤100mA(输入电压+9V下，满载);

注：以下是本电路的发挥部分：

　(1)扩充功能：

　　a.　排除短路故障后，自动恢复为正常状态；　b.　过热保护；

　　c.　防止开,　关机时产生的＂过冲＂；

　(2)提高稳压电源的技术指标；

a.        提高稳压调整率和负载调整率；

b.        扩大输出电压调节范围和提高最大输出电流值．

　(3)改善DC-DC变换器的性能；

a.        提高效率(在100V, 100mA下测试);

b.        提高输出电压．

　(4)用数字显示输出电压和输出电流．

　　　　　　　　　　　　　摘　　要

本系统稳压电源部分采用电压调整器uA723外加调整管2SC3280实现此功能，再通过单片机MCS-51(89C51)来起控制电路，实现了扩充多种功能．稳流部分采用了三端稳压调整器LM317T实现．DC-DC变换器采用了两片PFM控制芯片MAX770来实现，使输出电压提高到+100V，输出电流最大可以达到100mA．电压调整，负载调整率及纹波电压均优于指标要求．可以说本系统比其它同类产品要好的多．

二．方案论证与比较

１．稳压电源部分

 方案一：简单的并联型稳压电源；

　并联型稳压电源的调整元件与负载并联，因而具有极低的输出电阻，动态特性好，电路简单，并具有自动保护功能；负载短路时调整管截止，可靠性高，但效率低,尤其是在小电流时调整管需承受很大的电流，损耗过大，因而不能采用此方案．

　方案二：输出可调的开关电源；

　开关电源的功能元件工作在开关状态，因而效率高，输出功率大；且容易实现短路保护与过流保护，但是电路比较复杂，设计繁琐，在低输出电压时开关频率低，纹波大，稳定度极差，因而也不能采用此方案．

　方案三：由uA723组成的零伏起调电源；

　uA723内部设有高精度基准电压源和高增益的放大器，外围电路比较简单，电压稳定度也比较高，其典型电压调整率为0.01%，负载调整率为0.03%，且热稳定性好，输出噪声也很小，还内设有过电流控制电路，使用安全可靠，具有较高的性价比，为首选方案，所以此方案为必选题．

２．稳流电源部分

方案一: 采用7805三端稳压器电源;

  固定式三端稳压电源(7805)是由输出脚Vo,输入脚Vi和接地脚GND组成,它的稳压值为+5V,它属于CW78xx系列的稳压器,输入端接电容可以进一步的滤波,输出端也要接电容可以改善负载的瞬间影响,此电路的稳定性也比较好,只是采用的电容必须要漏电流要小的钽电容,如果采用电解电容,则电容量要比其它的数值要增加10倍,但是它不可以调整输出的直流电源;所以此方案不易采用.

方案二:采用LM317可调式三端稳压器电源;

  LM317可调式三端稳压器电源能够连续输出可调的直流电压. 不过它只能连续可调的正电压,稳压器内部含有过流,过热保护电路;由一个电阻(R)和一个可变电位器(RP)组成电压输出调节电路,输出电压为:Vo=1.25(1+RP/R).由此可见此稳压器的性能和稳压稳定都比上一个三端稳压电源要好,所以此此方案可选,此电源就选用了LM317三端稳压电源,也就是方案二.

 3.DC-DC变换部分;

   方案一:用正弦信号(几十赫兹以下)驱动硅钢型互感耦合变压器,经整流滤波后输出.由于硅钢的磁滞特性,这种电源的开关频率不算高,易出现磁饱和,因而不利于制作高效率的开关电源.

   方案二:采用高频磁芯和开关特性好的VMOS管的PFM或PWM型开关电源,负载调整特性好,效率高,性能优良,但制作调试复杂,所以此方案也不于采纳,

   方案三:采用充电泵型变换器,该类电源以电容代替电感作贮能元件,为一个或多个电容供电.该类电源的最大特点是元件易得,体积小,电路比较简单,无电感;但由于对充电泵的要求严格,不适合于工作在大负载条件下,因而在大多数电源中没有被广泛使用.

  综合考虑效率,输出功率,输入输出电压,负载调整率,纹波系数,本设计选用方案二.考虑到PWM对磁性元件,开关元件特性的要求较低,因而较易实现.对于效率和纹波的要求可以通过仔细调整磁性元件的参数(L,Q,M等)使其工作在最佳状态,所以我们在选择方案的时候考虑到电路要简单,元件要容易找,还有在电路设计的时候避免遇到某些不必要的问题,所以我们选择了上述的方案中的第二个方案;第二个方案就能够达到我们的要求,的所以方案二我们采用了,利用开关特性和负载调整特性好及效率高,性能优良,而采用了它.(方案二)

三.直流稳压电源电路的方框图如下:

                   直流稳压电源方框图

四.电路原理及各部的分离电路;

1.稳压电路部分;

   采用精密电压调整器uA723,外加大功率调整管以提供大电流输出.uA723的特点如下:

①无外接调整管时最大输出电流为:I=150mA;

    ②外接调整管时,输出电流最大可达到12A以上;

    ③最大输入电压为:Vmax=40V;

    ④输出电压可调整范围为: +9V~+12V;

    具体的电路图如下图所示:

  电源变压器的效率如下所示:(小型变压器)

   由uA723的特性可知:要使电路实现零伏起调,uA723的7脚至少要获得-2V的附加电压,本方案不采用多抽头的变压器,该-2V电压可通过由电容C1,C2和二极管D1,D2组成的倍压电路获得.其输出电压由电阻R1和齐纳二极管Z1固定-5.6V

,使uA723中的差分放大器在输出电压为0时仍能工作,主要的正电压通过整流桥和滤波电容C3从变压器获得.uA723的供电电压由齐纳二极管Z2固定在33V,以防止超过其极限电压值(40V).由BG2,BG3组成的达林顿管将输出电流提高到超过1A的范围.

     在12脚和3脚间加0.6V的电压可调节极限电流值,该电压是电阻R9和电位器VR3是压降的总和,VR3的压降是VR3的电阻值与晶体管三极管BG1的集电极电流值的乘积,极限电流值可以通过电位器VR3连续调节.

输出电压由电位器VR2进行线性调节,电位器VR1用于调节零输出电压.

本设计还通过单片来实现了短路过流保护,过热保护,具体的电路图如下:

过热保护:温度开关KT一端通过一个上拉电阻接正电源,另一端接地,当温度过高时开关断开,产生一个零电平跳变送给单片来进行处理.

过流检测和短路保护原理:采用单片机MCS-51(89C51)对输出电流进行周期性的检测,可以方便地实现短路保护及短路故障排除后自恢复的所有功能.过流或短路时,检测电路向单片P1口发出报警信号,单片证实后启动它的保护电路,经过短时间延时后继续查询P1口上的内容,如无报警信号,则电路又恢复到正常状态.

过热保护,发声报警等功能也直接由单片机(89C51)来实现控制.

2.稳流电源部分;

    LM317是三端可调式正电压调整器,正常工作时在其调整端与输出端之间有一个高稳定度的1.25V电压,利用该电压即可以获得可调的电流输出.实际中, LM317输出端与电位器之间串接了一个10Ω/1W的电阻,使最大电流限制在125mA左右,以免发生过流现象.

  具体的电路图如下所示:

3.DC-DC变换部分;

   DC-DC变换器的核心部件是两片升压开关调节器MAX770,MAX770结合了PFM低的吸取电流和PWM大功率应用下效率高的特点,能比以往的PWM器件提供更大的电流.

MAX770有以下的特点:

  ①开关频率较高(300KHZ),减小了电感的尺寸;

  ②在较宽输出电流范围内可以达到87%的效率;

③功耗比较低;

    用MAX770制成的升压器如下图所示;由于MAX770对VMOS管的驱动能力有限,使用了一片MAX770很难实现本电路的性能指标,因此本电路采用了两级MAX770.

五. 测试方法与调试过程;

  1.稳压电源部分;

    (1) 输出电压范围测试   调节可调电位器,用数字型万用表测出电阻两端的输出电压,最小值为0.821V,最大值为:24.61V.

(2) 最大输出电流测试   将输出电压调整至9V,输出端接通可调电阻,串入数字万用表,测得最大输出电流为:2.06A.

(3) 电压调整率测试     将调压变压器输出端接稳压电源的输入端,将稳压电源输出电压调整至9V,调节调压变压器,使其输出从176V升至到253V,用数字万用表测量负载两端的电压,测得最大电压变化量为:10mV,计算得电压调整率为:(0.01/9)*100%=0.11%.

(4)负载调整率测试   空载时将输出电压调整至9V,在负载端接入300Ω/120W的变阻器,将变阻器从6Ω调整至100Ω,用数字万用表监视输出电压的变化,测得最大电压变化量为:0.04V,因此负载调整率为:(0.04/9)*100%=0.44%.

(5)纹波电压测试    将电压输出调整至9V,外接一个6Ω的电阻,将示波器置于AC/5mV输入挡,测得负载上的纹波电压为:1mV.

(6)效率测试    将电压输出调整至9V,外接一个6Ω的电阻,其输出功率P0=81/6=13.5W.在负载不变的情况下,测出稳压电源的交流输入电压为:12V,交流电流为:2.05A.因此输入功率Pi=12*2.05=24.7W(设功率因数为1),电源效率为(P0/Pi)*100%=(13.5/24.7)*100%=40%,达到上述所要求的指标.

(7)过流保护及短路保护功能测试   将电压输出调至为9V,外接一个6Ω的电阻,用万用表测得输出电流为:0.说明过流保护功能正常.再将输出短路,现象如同上,说明短路保护功能一切正常.

(8)采用单片机(89C51)来实现保护,检测   短路故障排除自恢复,过热保护,防止关机时产生的”过冲”均测试通过;一切正常.

 2.稳流电源部分;

(1) 输出电流测试   输入电压为+12V,改变外接电阻的大小,记录最小电流值Imin与最大电流Imax.Imax=45.40mA, Imin=1.46mA.

(2) 负载调整率的测量  输入电压+12V,负载电阻由220Ω至300Ω之间变化,设定输出电流20mA,每上升20Ω测输出电流,数据如下所示:

负载调整率≈0.02/20.00=0.1%.

3. DC-DC变换器部分;

    (1) 输出电压电流测试   输入电压由+9V至+12V变化,负载接3.6KΩ/10W电阻,测得输出电压为+100.11V,输出电流为:30.7mA.

(2) 电压调整率的测试   空载,输入电压由+9V至+12V变化,测得最大电压变化为:0.1V.

(3) 负载调整率的测试   输入电压+12V,空载,测得输出电压 +100.1V;10KΩ/5W电阻,测得输出电压为: +100.0V.

(4) 纹波电压测试   输入电压 +9V,接3.6KΩ/10W的电阻,示波置于交流AC/250mV挡,测得纹波电压.Vpp≈80mV.

(5) 效率的测试   输入电流为:5A,输入电压为:11.8V时,测得输出电压为100.08V(3.6KΩ的电阻,电流为:27.8mA),计算可得出: η=64.3%.

六. 电路的结果分析

   1. 稳压电路部分;

(1) 输出电压的可调范围   由于本电路中uA723的7脚接-2V,因此可以实现从零伏起调,这也是本电路的特色之一,本电路实现了0^20V可调,超过指标要求.

(2)最大输出电流  它由uA723的3脚所接电阻R9决定,计算公式为:Imax=0.6/R9,由于本电路中R9为0.33Ω,因此Imax限制为2A左右.

(3)电压和负载调整率及纹波电压   优于指标要求,这是由uA723优良特性与方案设计思路决定的.

(4)效率的测试   输出为9V,而输入为17V左右,因此有一部分功率被调整管吸收,从而导致了效率并不是很高.

   2. 稳流电路部分;

      (1) Rmin=10Ω, Rmax=1010Ω     

          I’min=1.25/1010≈1.24mA > Imin

受输入电压+12V与LM317内部压降约为1.7V的影响,可能的最大电流为:  I’max=(12-1.7)/220≈46.82mA > Imax

   Imin>I’min是由于LM317在小电流负载下稳压性能变差造成的.

Imax<I’max是由于LM317内部的损耗而造成的.

  (2) 负载调整率   LM317的典型负载调整率为:0.1%,本电源在工作时工作在小电流负载情况下,与理论值吻合.

3. DC-DC变换电路;

   由于该变换部分输入电压为12V,输出电压为100V,升压比较大,要保证电流输出能力,多级并联式开关升压器是一种较好的选择. 在保证第二级满载输出时,第一级至少应留有80%的裕量,且第一级电压波动应不大于5%. 在实际电路中前级由于是升至次高压,故要求开关管的Ron足够小,Ids足够大,Cis足够小(否则将对驱动电路产生不利的影响);后级应对反向击穿电压有较高的要求,应不低于500V,取该级开关管耐压值为:900V,以防止高压毛刺击穿.对磁芯的选择决定了电源的功率容量,在实际中,高于200KHZ时采用铁粉芯等带空气隙的磁芯可获得良好的功率容量和磁滞特性,有利于大L值电感的充放电的完成,即提高Q值.在该模块的测试中,可以看到在大DC变换比的指标下,采用了多级串联主从式开关电源是一种较好的解决方案.

七. 此电路的误差分析

综合分析可以知道在测试电路的过程中可能带来的误差因素有:

    ① 测得输出电流时接触点之间的微小电阻造成的误差;

    ② 电流表内阻串入回路造成的误差;

    ③ 测得纹波电压时示波器造成的误差;

④ 示波器, 万用表本身的准确度而造成的系统误差;

  可以通过以下的方法去改进此电路:

    ① 减小接触点的微小电阻;

② 根据电流表的内阻对测量结果可以进行修正;

③ 测得纹波时示波器采用手动同步;

④ 采用更高精确度的仪器去检测;

八.  对此电路的综合总结

    通过本次设计,让我们更进一步的了解到直流稳压电源的工作原理以及它的要求和性能指标.也让我们认识到在此次设计电路中所存在的问题;而通过不断的努力去解决这些问题.在解决设计问题的同时自己也在其中有所收获.我们这次设计的这个直流稳压电源电路;采用了电压调整管(uA723)外加调整管(2SC3280)来实现电压的调整部分;还通过单片机(89C51)来实现电路的控制,也实现了扩充多功能;而稳流部分采用了LM317可调式三端稳压电源管,通过LM317来实现 了电路中的稳流部分,至于电路的最后一部分(DC-DC变换部分)我们是采用两片升压开关调节器(MAX770)来实现了电路中的DC-DC变换部分.本次设计在电压调整器的电路中,采用了适当的联接方法,可以实现电压”零”伏起调;测试方法与过程也比较充分,同时也实现了电压的可调.同时我们四个人在设计此电路的时候也付出了不少,我们几个分工完成了此电路,虽然电路不是很完善,我们已经尽力的去把它给做好了;由于时间的关系此电路只有硬件,软件没有时间来完成.

   (注:由于时间的原因本电路的软件部分没有在报告上体现出来).

九. 参考文献资料:

◆何立民编著 . MCS-51系列单片机应用系统设计--------系统配置与接口技术, 北京航空航天大学出版社, 1991.

    ◆王树勋,潘承武,朱英杰编著.  MCS—51单片微型计算机原理与开发. 机械出版社,1990.

    ◆<<电子线路基础>>,华东师范大学物理系万嘉若,林康运等编著,高等教育出版社,1986年3月.

◆ <<电子技术基础>>,华中工学院电子学教研室编,康华光主编,高等教育出版社,1982年6月.

◆<<电子线路设计>>,(第二版)华中科技大学谢自美主编,华中科技大学出版社,2000年5月.