直流稳压电源制作与管理方法

1. 引言

所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作，存在着共同的电路—电源电路。基于大多数电子元件的特性，电子设备大多对电源电路要求能够提供持续稳定的、满足负载要求的直流电能。因此直流稳压电源的设计在电子产品开发的过程中占有十分重要的地位。本论文主要介绍直流稳压电源的制作方法和电子设备复杂电源系统中多种制式直流电压高效率、低成本的检测与管理方法。

2. 直流稳压电源制作

直流稳压电源的设计一般包括变压、整流、滤波、稳压四个基本环节。为了提高电源的质量及其可靠性，需对电源输出电压进行采样、比较、放大，并用此误差放大信号来调节其输入电压，使得负载变化时输出电压保持稳定。此外，为了提高电源的使用安全性能，需设计简单可靠的过压过流保护电路，防止电压电流过大时损坏负载元件。以下将从电源主电路、控制电路、保护电路设计等3个方面简要介绍直流稳压电源的制作方法。

A.主电路设计

主电路部分设计主要包括电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路设计(图1)。变压器把高压交流电变为所需要的低压交流电;整流器把交流电变为脉动直流电;滤波器滤除直流中的交流成分;稳压器把波动较大的直流电压变为稳定的直流电压输出(图2)。

图1 主电路组成示意图

图2 电路输出波形图

变压器的工作原理是基于电磁感应定律进行电压、电流、阻抗变换。在直流稳压电源设计中，电源变压器一般是将单相工频交流220V电压转换成电压较低的交流电以满足后续电路的需要。根据电路所要求输出的直流电压和电流值来确定电源变压器次边的抽头个数和各个抽头应输出的电压和功率。此外，为了减小电源变压器的体积和重量，宜选用高频电源变压器。

利用二极管的单向导电性将交流电压变换为单向的直流电压称之为整流。实际设计中应根据所制作电源要求的输出精度和质量特性选择合理的整流方式。

直流稳压电源设计中一般利用电感、电容等储能元件两端电压不能突变的特性对交流电压进行滤波，从而输出波动较小的直流电。通过滤波输出的直流电仍含有较多的交流成分，因此不能直接加在负载两端，需对其进行稳压。稳压管反向击穿时，在一定的电流范围内表现出稳压特性，因此可用来稳定直流输出电压。然而其电源稳定性较差，输出精度较低，因此一般选用输出稳定可靠的三端集成稳压器，在满足电源设计要求的前提下还可缩短设计周期、降低设计成本。

B.控制电路设计

仅有以上四个基本环节组成的稳压电源带载能力较差，当负载电流增大时输出电压会降低，不能满足大多数电子元件工作的电源要求。一般通过闭环反馈控制和扩大输出电流来提高电源性能。

为了保证电源的输出电压不会随着负载的变化而变化，应使电源自身具有反馈调节能力，其原理如图3所示。

图3 闭环稳压电源框图

当负载两端电压发生变化时，电阻网络的采样电压随之改变，将此采样的电压值与给定的基准电压进行比较，并将此微弱的误差信号进行放大进而调节控制元件的工作状态，从而调节负载两端的电压，使其保持稳定。控制元件应选用工作状态可调节的元件，如三极管，其发射极电流会随着基极电流的变化而改变，因此通过控制三极管基极的电压即可调节三级管的导通程度，从而可调节电路的输出电压使其满足要求。

此外，为了提高电源的带载能力，可采用三极管将电源的输出电流进行扩大，其原理如下图所示。

图4 电流扩大电路

图4中，当负载电流较小时，负载所需的电流完全由稳压模块提供，当负载电流增大时，电阻R上的压降增大，将使串联调整三极管Q导通，三极管与稳压模块一起提供负载电流。

C.保护电路设计

为了提高电源的使用可靠性和安全性能，通常需设计一些简单的保护电路，如过压、过流保护等，如下图所示。

图5 系统保护电路

图5中，F1、Q1、R5、R6组成过电压保护电路，当负载两端的电压升高时，R6上的压降增大，晶闸管门极得触发电流，晶闸管导通，瞬时大电流使F1熔断，从而起到保护电路的作用。R1、Q2、D1组成预稳压电路，将稳压模块的输入电压固定在某一电压值，使得，输入电压不随负载变化。R2、Q3、R4组成过流保护电路，到电路中的电流过大时，电阻R2上的压降增大，使得三极管Q3导通，从而为大电流提供通路，防止电路中电流过大损坏电路元件和伏在元件。R3、Q4组成电流扩大电路，提供电路的带载能力。

3. 电源电压检测与管理

在有多种制式直流电压输出的复杂控制系统中，当系统发生故障时，首先要检测各个芯片或电路的电源输出是否正常，为了避免人工检测所带来的耗时费力和不便等缺点，本论文提出一种简单可靠、方便快捷的直流电压输出有无的检测方法，如图6所示。

图6 电压有无检测电路

R1、R2组成对直流输出电压的采样电阻网络，当电源有输出电压时R2上的压降使光耦导通，R5上的压降增大，将R5上取得的高电平信号送给单片机处理后显示。当电源无输出电压时，R2上无压降，光耦不工作，R5上的电压为0V，将此低电平信号送入单片机处理后显示、报警。其中R3、R4为限流电阻。

此电路在满足电压有无检测的条件下，一方面用到的元件数量少、价格便宜;另一方面通过光耦实现了主电路和控制系统的电气隔离，降低了对控制系统的干扰。此外，对每路电压的输出进行实时监测和显示，可以方便的检查电源输出的正常与否。此方法适用于有多路电压输出的复杂电源系统的检测与管理。

4. 电源设计中应注意的问题

下面总结一些在该电源设计与调试过程中遇到的问题及其解决方法。

电源变压器的选用。为了减小变压器体积与重量使其方便固定于电路板上，应选用体积小、重量轻的高频电源变压器。

滤波电容的选用。在满足体积要求的前提下尽量选用容值较大的电解电容进行滤波，除此之外，电容的耐压值一定不能小于其两端的最大电压。

预稳压电路中(图5)，为降低对限流电阻R1的功率要求，用三极管Q2为电流提供通路，在实际应用中Q2应选用功率较大的三极管。

在用三极管进行电流放大的电路中(图4)，关键在于三极管直流工作点的调试，其决定着三极管的工作状态，决定着电源的带载能力。

在整个电路的设计与调试中，元件参数的正确计算与元件型号的合理选择至关重要。

设计过程中若能充分结合仿真软件对电路的工作原理进行验证，及时找出电路中存在的问题，可大大缩短设计周期，降低设计成本。对发热较大的元件应加散热片，防止元件过热损坏。该文原载于中国社会科学院文献信息中心主办的《环球市场信息导报》杂志总第445期2012年第08期(2月28 日出版)-----转载须注名来源

参考文献

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