1.2 穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)

通常在電子系統(tǒng)中，都需要有直流穩(wěn)壓電源供電。電源電路的性能與質(zhì)量關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，電源電路的設(shè)計(jì)是電路設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。圖1.1是常見(jiàn)直流穩(wěn)壓電源電路的整體框圖。

直流穩(wěn)壓電源一般要求從220 V/50 Hz的市電中獲取電能，通過(guò)變壓器降壓、整流、濾波以及穩(wěn)壓等幾個(gè)環(huán)節(jié)，最后得到一個(gè)穩(wěn)定在指定電壓的純凈的直流電源。如果電能不是從電網(wǎng)中獲得，而是來(lái)源于電池或其他直流電源，則不需要變壓、整流和濾波環(huán)節(jié)，而是直接通過(guò)穩(wěn)壓電路將輸出電壓穩(wěn)定在某個(gè)特定值。

1.2.1 直流穩(wěn)壓電源的基本結(jié)構(gòu)

（1）變壓器

如果要設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源需要從市電中獲取電能，則首先要使用工頻變壓器將220 V的市電降至所需的電壓。在選擇變壓器時(shí)應(yīng)注意兩點(diǎn)：一是變壓器的容量，必須能夠滿足負(fù)載的功率需求；二是變壓器的副邊額定電壓，必須對(duì)穩(wěn)壓器件有足夠的壓差。如果對(duì)系統(tǒng)噪聲、電磁干擾比較敏感，可以考慮使用環(huán)形變壓器。

（2）單相整流電路我

整流電路的作用是將變壓器輸出的交流電變換為脈動(dòng)的直流電，通常由一至多個(gè)二極管組成。而濾波電路的作用就是抑制脈動(dòng)的直流電的波動(dòng)，使其盡量平穩(wěn)，通常由電容和電感元件組成。

圖1.2中的電路稱為橋式整流電路。它由4個(gè)二極管按電橋形式連接構(gòu)成。變壓器二次側(cè)交變電壓在正半周期經(jīng)二極管VD1、VD3導(dǎo)通，負(fù)半周期經(jīng)VD2、VD4導(dǎo)通，從而在負(fù)載上形成單向的脈動(dòng)的電壓波形。整流后的直流電壓波形如圖1.3所示。

整流后負(fù)載上的平均電壓

UL =0.9U2

負(fù)載平均電流

在選用整流橋或整流二極管時(shí)，同樣要考慮最大電流和最高反向耐壓。由于二極管VD1、VD3和VD2、VD4輪流導(dǎo)通，因此，流經(jīng)每個(gè)二極管的平均電流為

u2正半周時(shí)，VD1、VD3導(dǎo)通，VD2、VD4截止，VD2、VD4所承受的最高反向電壓為變壓器二次側(cè)電壓的最大值，因此，每只二極管承受的最高反向電壓為

負(fù)半周時(shí)情況是類似的，VD1、VD3承受相同的反向耐壓。

（3）濾波電路

濾波電路的作用主要是抑制脈動(dòng)的直流電的波動(dòng)，使其盡量平穩(wěn)，通常由電容和電感元件組成。最簡(jiǎn)單的濾波電路通常可以由單個(gè)電容構(gòu)成。

如圖1.4中所示，直接將電容并接在整流橋的直流輸出端，即可起到濾波作用。當(dāng)直流電壓升高時(shí)，電容C充電儲(chǔ)能；直流電壓降低時(shí)，電容充當(dāng)電源放電，從而起到平滑負(fù)載電壓的作用，經(jīng)過(guò)電容濾波的負(fù)載電壓波形如圖1.5所示。

有時(shí)為了獲得較平滑的負(fù)載電流，也可在濾波電路中串入電感，以抑制電源電壓波動(dòng)帶來(lái)的電流急劇變化。

1.2.2 線性直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)整流濾波的直流電源，通常含有較大的紋波，這對(duì)于要求穩(wěn)定供電的電子系統(tǒng)是不能接受的，特別是精密模擬器件。因此，一個(gè)合格的直流穩(wěn)壓電源需要在末端加入一個(gè)穩(wěn)壓器件來(lái)保證電源直流輸出的穩(wěn)定程度和純凈度。

線性直流穩(wěn)壓器是一種利用半導(dǎo)體器件的線性工作狀態(tài)來(lái)調(diào)整輸出電壓的一類穩(wěn)壓器件。線性直流穩(wěn)壓電源具有輸出紋波小、調(diào)節(jié)響應(yīng)快、工作產(chǎn)生的噪聲低、外圍電路簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

（1）三端固定式穩(wěn)壓器LM78XX與LM79XX

該系列三端集成穩(wěn)壓器是最常見(jiàn)的固定電壓線性直流穩(wěn)壓器。該系列穩(wěn)壓器有過(guò)流、過(guò)熱和調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)，防止過(guò)載而造成損壞。78系列或79系列后綴的數(shù)字表示該型號(hào)穩(wěn)壓器輸出的電壓值，常見(jiàn)的型號(hào)有LM7805、LM7806、LM7808、LM7809、LM7810、LM7812、LM7815、LM7818、LM7824，79系列類似型號(hào)輸出對(duì)應(yīng)負(fù)電壓值的三端集成穩(wěn)壓器。

圖1.6中的電路是使用線性直流穩(wěn)壓器LM7812、LM7912構(gòu)成的±12 V直流穩(wěn)壓電源。該電源從電網(wǎng)中獲取電能，經(jīng)變壓器從220 V交流降至雙16 V交流。通過(guò)整流橋整流、電容濾波后，由LM7812、LM7912穩(wěn)壓，得到穩(wěn)定的±12 V直流電源輸出，變壓器中間抽頭作為公共地。LM7812、LM7912外圍電路非常簡(jiǎn)單，輸入端由大小電容并聯(lián)構(gòu)成濾波電路。大電容用于對(duì)整流輸出的直流電壓平波，小電容一方面用于抵消大電容的寄生電感，另外，不同容量的小電容對(duì)不同頻率的高次諧波也有較明顯的抑制作用。穩(wěn)壓器輸出端也可視情況并聯(lián)一些大、小電容，大電容用于克服負(fù)載突然變化帶來(lái)的電壓波動(dòng)，小電容起去耦作用。

（2）三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器LM317/LM337

三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器三端固定式集成穩(wěn)壓器原理類似，不同的是這類穩(wěn)壓器可以通過(guò)一個(gè)調(diào)節(jié)端來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓值。LM317、LM337是這類器件最常見(jiàn)的型號(hào)。其中LM337是三端可調(diào)式集成負(fù)穩(wěn)壓電源芯片，圖1.7是三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓芯片LM317的一種典型應(yīng)用電路，與固定式集成穩(wěn)壓芯片相比，該芯片多出一個(gè)調(diào)節(jié)端ADJ，通過(guò)調(diào)節(jié)圖中R2的電阻值來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓范圍。輸出電壓VOUT的值由以下公式確定：

其中，VREF是VOUT與ADJ兩腳間的電壓，IADJ是流出ADJ引腳的電流。R1的取值范圍通常為120～240 Ω，R2的大小需要根據(jù)輸出電壓調(diào)節(jié)范圍來(lái)確定。通常，輸入電壓VIN為25 V時(shí)，輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍在1.2～20 V。

1.2.3 開(kāi)關(guān)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

線性直流穩(wěn)壓電源具有原理和外圍電路簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、輸出穩(wěn)定、紋波小等優(yōu)點(diǎn)。但是，線性直流穩(wěn)壓電源通常在效率方面不是很理想。當(dāng)調(diào)整壓差較大時(shí)，會(huì)有很大一部分功率以發(fā)熱的形式損失在調(diào)整管上。因此，對(duì)效率和發(fā)熱要求嚴(yán)格的系統(tǒng)不適合使用線性直流穩(wěn)壓電源。

開(kāi)關(guān)電源是另一種常見(jiàn)的直流穩(wěn)壓電源。它利用半導(dǎo)體器件的通斷狀態(tài)來(lái)調(diào)整輸出電壓。由于半導(dǎo)體調(diào)整管只工作在飽和截止兩種狀態(tài)，導(dǎo)通時(shí)管壓降VCES和截止電流ICEO都很小，損耗主要發(fā)生在調(diào)整管狀態(tài)變化時(shí)。一般來(lái)講，開(kāi)關(guān)電源的效率可以達(dá)到80%～90%甚至更高。

開(kāi)關(guān)電源的主要缺點(diǎn)在于它的輸出電壓紋波比線性穩(wěn)壓電源要大一些，并且工作時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生一定的高頻干擾，電路結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，元器件要求較高。目前，隨著開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的日趨完善，這些不足已經(jīng)得到了很大的改善，尤其是集成化開(kāi)關(guān)電源芯片的出現(xiàn)，讓我們能更容易地設(shè)計(jì)出高可靠性的開(kāi)關(guān)電源。

LM2576是一種降壓型集成開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源芯片。它能夠提供3 A的電流輸出，內(nèi)部集成了振蕩器、基準(zhǔn)源、保護(hù)電路等結(jié)構(gòu)，只需少量外圍器件就可以完成性能優(yōu)良的開(kāi)關(guān)電源電路。LM2576系列開(kāi)關(guān)電源芯片提供了3.3 V、5 V、12 V及可調(diào)輸出的四種型號(hào)，輸入電壓范圍可寬達(dá)4～40 V，因此，使用起來(lái)非常靈活。

圖1.8（a）是LM2576-5.0固定電壓輸出型穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)。電感L1的值，需要根據(jù)輸出電壓、最大輸入電壓、最大負(fù)載電流等因素來(lái)選擇。在LM2576的數(shù)據(jù)手冊(cè)中，有很詳細(xì)的電感選擇表格供參考。二極管VD1必須使用肖特基二極管，其額定電流要大于負(fù)載最大電流的1.2倍，反向耐壓應(yīng)大于最大輸入電壓的1.25倍，推薦使用1N582x系列肖特基二極管。輸出電容COUT的選擇可參考以下公式：

其中，VIN是最大輸入電壓，VOUT是輸出電壓，L是選擇的電感值。合適的輸出電容可以保證輸出電壓有更小的紋波。電容的耐壓值應(yīng)達(dá)到輸出電壓的1.5倍以上。

可調(diào)輸出電壓型的LM2576-ADJ的參考設(shè)計(jì)如圖1.8（b）所示，其電路結(jié)構(gòu)與參數(shù)選擇與固定輸出電壓型穩(wěn)壓芯片基本類似，不同的是需要調(diào)節(jié)反饋電壓來(lái)調(diào)整輸出值。LM2576-ADJ輸出電壓與電阻R1、R2的關(guān)系由以下公式確定：

式中，R1的取值范圍為1～5 kΩ。如R1取1 kΩ時(shí)，要得到10 V的輸出電壓，R2應(yīng)該為7.13 kΩ，可以選用最接近的7.15 kΩ的電阻。

在實(shí)際應(yīng)用中，可以充分發(fā)揮線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合使用，來(lái)獲得高效率低紋波的直流穩(wěn)壓電源。比如，需要從40 V的直流電源中獲得5 V的直流穩(wěn)壓電源，直接使用LM7805穩(wěn)壓將產(chǎn)生非常大的發(fā)熱，甚至不能連續(xù)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。這時(shí)，可以使用LM2576-ADJ進(jìn)行一次降壓，輸出7.5 V左右的直流電源。再使用LM7805線性穩(wěn)壓電源進(jìn)行進(jìn)一步穩(wěn)壓，即可獲得純凈、穩(wěn)定的5 V直流電源。