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集成直流稳压电源设计
第一章 模拟电子线路的设计 第1节 集成直流稳压电源设计 [学习要求] 学会选择变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压电源；掌握稳压电源的主要性能参数及其测试方法。 [重点与难点] 重点：集成直流稳压源的设计；直流稳压源的性能指标。 难点：稳压系数的计算。 [理论内容] 一、直流稳压电源的基本组成 直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本电路如图1所示。各部分电路的作用如下。 图1 直流稳压电源基本电路 1、电源变压器 电源变压器的作用是将电网220V的交流电压V1变换成整流滤波电路所需要的交流电压V2，变压器副边与原边的功率比 η=12/PP （1） 式中，η为变压器的效率。一般小型变压器的效率如表所示。 表1 小型变压器的效率 副边功率(W) 2P <10 10~30 30~80 80~200 效率η 0.6 0.7 0.8 0.85 2、整流滤波电路 整流二极管D1～D4组成单相桥式整流电路，将交流电压V2变成脉动的直流电压，再经滤波电容C滤除纹波，输出直流电压Vi。Vi与交流电压V2的有效值V2的关系为 2)2.1~1.1(VVi= （2） 每只整流二极管承受的最大反向电压 22VVRM= （3） 通过每只二极管的平均电流 RVIIRD245.021== （4） 式中，R为整流滤波电路的负载电阻。它为电容C提供放电回路，RC放电时间常数应 满足 RC>(3～5)T/2 （5） 式中，T为50Hz交流电压的周期，即20ms。 3、稳压电路 调整管T1与负载电阻RL相串联，组成串联式稳压电路。T2与稳压管Dz组成采样比较 放大电路，当稳压器的输出负载变化时，输出电压VO应保持不变，稳压过程如下： 设输出负载电阻RL变化，使VO↑，则 VB2↓— VC2↓ —IB1↓ —VCE1↑ —VO↓ 二、稳压电源的性能指标及测试方法 1、最大输出电流 指稳压电源正常工作时能输出的最大电流，用IOmax表示。一般情况下的工作电流IO 图2 稳压电源性能指标测试电路 2、输出电压 指稳压电源的输出电压，用VO表示。采用如图2所示的测试电路，可以同时测量VO与IOmax。测试过程是：输出端接负载电阻RL，输入端接220V的交流电压，数字电压表的测量值即为VO。再使RL逐渐减小，直到VO的值下降5％，此时流经负载RL的电流即为IOmax(记下IOmax后迅速增大RL，以减小稳压电源的功耗)。 3、纹波电压 指叠加在输出电压VO上的交流分量，一般为mV级。可将其放大后，用示波器观测其峰．峰值△VOp-p。也可以用交流电压表测量其有效值△VO，由于纹波电压不是正弦波，所以用有效值衡量存在一定误差。 4、稳压系数 指在负载电流IO、环境温度T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，即稳压系数 常数常数，tiiioovoVVVVS==ΔΔ=|// （6） vS的测量电路如图1-2所示。测试过程是：先调节自耦变压器使输入电压增加10％，即=242V，测量此时对应的输出电压；再调节自耦变压器使输入电压减少10％，即=198V，测量这时的输出电压，然后再测出==220V时对应的输出电压，则稳压系数 iV1oViV2oViVoVoooiioovVVVVVVVS21198242220//???=ΔΔ= 三、集成稳压电源设计 集成稳压电源设计的主要内容是根据性能指标，选择合适的电源变压器、集成稳压器、 整流二极管及滤波电容。 1、集成稳压器 常见集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器，下面分别介绍其典型应用 及选择原则。 图3 固定式三端稳压器的典型应用 固定式三端稳压器的常见产品如图3所示。其中，CW78××系列稳压器输出固定的正电压，如7805输出为+5V：CW79××系列稳压器输出固定的负电压，如7905输出为-5V。输入端接电容Ci可以进一步滤除纹波，输出端接电容Co能改善负载的瞬态影响，使电路稳定工作。Ci、Co最好采用漏电流小的钽电容，如果采用电解电容，则电容量要比图中数值增加10倍。 可调式三端稳压器能输出连续可调的直流电压。常见产品如图4所示。其中，CW317系列稳压器输出连续可调的正电压，CW337系列稳压器输出连续可调的负电压。稳压器内部含有过流、过热保护电路。R1与RP1组成电压输出调节电路，输出电压 Vo≈1.25(1+RP1/R1) （7） R1的值为120 ~240Ω，流经R1的泄放电流为5mA～10mA。RP1为精密可调电位器。电容C2与RP1并联组成滤波电路，以减小输出的纹波电压。二极管D的作用是防止输出端与地 短路时，损坏稳压器。 图 4 可调式三端稳压器的典型应用 集成稳压器的输出电 压器的最大允许电流 ICM< Vi≤Vomin+(Vi-Vo)max （8） 式中，Vomax为最大 min为稳压器的最小输入、输出 压器副边输出的功率P2来选购(或自绕)变压器。由式(2)可得变压器副边的输 2 击穿电压VRM应满足VRM> 压Vo与稳压电源的输出电压相同。稳 I0max，输入电压Vi的范围为 Vomax+(Vi-Vo)min≤ 输出电压；Vo min为最小输出电压； (Vi-Vo) 压差；(Vi-Vo)max为稳压器的最大输入、输出压差。 2、电源变压器 通常根据变 出电压V2与稳压器输人电压Vi的关系。V2的值不能取大，V2越大，稳压器的压差越大，功耗也就越大。一般取V2≥Vimin/1.1，I2>Iomax。 3、整流二极管及滤波电容 整流二极管D的反向2 V2，其额定工作电流应满足 IF>I0max。 滤波电容C可由下式估算： tIpipCV C ? Δ = (9) 式中， 为稳压器输入端纹波电压的峰-峰值；t为电容C的放电时间，t=T/2=0.01s； IC为电容C的放电电流，可取IC=Iomax，滤波电容C的耐压值应大于 pipV?Δ2 V2。 流稳压电源。 9V，Iomax=800mA， 四、设计举例 例 设计一集成直 性能指标要求 Vo=+3V~+ popV?Δ ≤5mV， ≤3×10-3 解： 稳压器，确定电路形式 其特性参数Vo=1.2V~37V，Iomax=1.5A，最小输入、输出 。 vS ① 选集成 选可调式三端稳压器CW317， 压差(Vi-Vo)min=3V，最大输入、输出压差(Vi-Vo)max=40V。组成的稳压电源电路如图5所示。由式(7)得Vo≈1.25(1+RP1/R1) ，取R1=240 ，则RPlmin=336 ，RPlmax=1.49K，故取RP1为4.7k 的精密线绕可调电位器 图5 直流稳压电源设计电路 ② 选电源变压器 由式(8)可得输入电压Vi的范围为 Vomax+(Vi-Vo)min≤Vi≤Vomin+(Vi-Vo)max 9V+3V≤Vi≤3V+40V 12V≤Vi≤43V 副边电压V2≥Vimin/1.1=12/1.1V，取V2=11V，副边电流I2>Iomax=0.8A，取I2=1A，则变压器副边输出功率P2≥I2V2=11W。 由表1可得变压器的效率 η=0.7，则原边输入功率P1≥P2/η=15.7W。为留有余地，选功率为20W的电源变压器。 ③ 选整流二极管及滤波电容 整流二极管D选1N4001，其极限参数为VRM≥50V，IF=lA。满足VRM>2V2，IF=Iomax的条件。 滤波电容C可由纹波电压和稳压系数来确定。已知，VpopV?ΔvSo=9V，Vi=12V，=5mA， =3×10-3。则由式(6)得稳压器的输入电压的变化量 popV?ΔvSVSVVVVvoipop2.2=Δ=Δ? 由式(9)得滤波电容 FVtIVtICioiCμ3636max=Δ=Δ= 电容C的耐压应大于2V2=15.4V。故取2只2200 μF/25V的电容相并联，如图5中C1、C2所示。 
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