穩(wěn)壓電源

穩(wěn)壓電源（stabilized voltage supply）是能為負(fù)載提供穩(wěn)定的交流電或直流電的電子裝置，包括交流穩(wěn)壓電源和直流穩(wěn)壓電源兩大類。

當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載出現(xiàn)瞬間波動(dòng)時(shí)，穩(wěn)壓電源會(huì)以10-30ms的響應(yīng)速度對(duì)電壓幅值進(jìn)行補(bǔ)償，使其穩(wěn)定在±2%以內(nèi)。

主要功能

穩(wěn)定電壓

當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載出現(xiàn)瞬間波動(dòng)時(shí)，穩(wěn)壓電源會(huì)以10-30ms的響應(yīng)速度對(duì)電壓幅值進(jìn)行補(bǔ)償，使其穩(wěn)定在±2%以

內(nèi)。

多功能綜合保護(hù)

穩(wěn)壓器除了最基本的穩(wěn)定電壓功能以外，還應(yīng)具有過(guò)壓保護(hù)（超過(guò)輸出電壓的+10%）、欠壓保護(hù)（低于輸出電壓的-10%）、缺相保護(hù)、短路過(guò)載保護(hù)最基本的保護(hù)功能。

尖脈沖抑制

電網(wǎng)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)幅值很高，脈寬很窄的尖脈沖，它會(huì)擊穿耐壓較低的電子元件。穩(wěn)壓電源的抗浪涌組件能夠?qū)@樣的尖脈沖起到很好的抑制作用。

隔離傳導(dǎo)性EMI電磁干擾（可選）：

數(shù)控設(shè)備多采用AC/DC整流+PFC高頻功率因數(shù)校正，自身有一定的干擾性同時(shí)對(duì)干擾源也有嚴(yán)格要求。穩(wěn)壓電源的濾波組件能夠有效隔離電網(wǎng)對(duì)設(shè)備的干擾同時(shí)也能有效隔離設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的干擾。

防雷

應(yīng)具有的防雷擊能力。

工作原理

工頻交流電源經(jīng)過(guò)變壓器降壓、 整流、濾波后成為一穩(wěn)定的直流電。圖中其余部分是起電壓調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓作

用的控制部分。電源接上負(fù)載后，通過(guò)采樣電路獲得輸出電壓，將此輸出電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。如果輸出電壓小于基準(zhǔn)電壓，則將誤差值經(jīng)過(guò)放大電路放大后送入調(diào)節(jié)器的輸入端，通過(guò)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)使輸出電壓增加，直到和基準(zhǔn)值相等；如果輸出電壓大于基準(zhǔn)電壓，則通過(guò)調(diào)節(jié)器使輸出減小。

穩(wěn)壓器電路由電源電路、電壓檢測(cè)控制電路、過(guò)電壓保護(hù)組成，如圖所示。電源電路由調(diào)壓變壓器T的W4、W5繞組和整流二極管VDl-VD4、濾波電容器Cl、C2組成。電壓檢測(cè)控制電路由電阻器R-R7、電位器RPl、Rm、穩(wěn)壓二極管VS、電容器C3、C4和運(yùn)算放大器集成電路IC（Nl-N3）組成。過(guò)電壓保護(hù)電路由IC內(nèi)部的N3、晶體管V3、電阻器Rl2和繼電器K組成。自動(dòng)調(diào)壓電路由電阻器R8-Rll、晶體管Vl、V2、直流電動(dòng)機(jī)M、滑動(dòng)觸頭和T的Wl-W3繞組組成。將交流穩(wěn)壓器的輸大端與市電相接后，在T的W4、W5繞組上產(chǎn)生了感應(yīng)電壓。該電壓經(jīng)VDl-VD4整流及Cl、C2濾波后，為IC和Vl、V2等提供 士l2V不穩(wěn)定工作電壓。+l2V電壓還有其他作用。經(jīng)Rl-R3分壓、VS穩(wěn)壓后，分別為Nl-N3的反相輸入端提供基準(zhǔn)電壓；為過(guò)電壓保護(hù)電路申的K和V3提供工作電源；經(jīng)R4、RP2、R6分壓后，為Nl和N2的正相輸入端提供檢測(cè)電壓；經(jīng)R7、RPl、R5分壓后，為N3的正相輸入端提供檢測(cè)電壓。

Nl-N3將正相輸大端的檢測(cè)電壓與反相輸大端的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，用產(chǎn)生的誤差電壓去控制自動(dòng)調(diào)壓電路。

當(dāng)市電電壓正常時(shí)，Nl和N2的輸出端電壓為OV，Vl和V2均處于截止?fàn)顟B(tài)，電動(dòng)機(jī)M不工作。

當(dāng)市電電壓偏低時(shí)，Nl和N2輸出低電平，使V2導(dǎo)通，Vl截止，M逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，通過(guò)滑壁臂驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)觸頭移動(dòng)，與T相應(yīng)的電壓抽頭接觸 （T的Wl、W2繞組共設(shè)置了21個(gè)電壓抽頭，每一檔的電壓調(diào)節(jié)范圍為5V），通過(guò)T的W2繞組來(lái)提升輸出電壓。當(dāng)輸出交流電壓升至220V時(shí)，V2截止，M停轉(zhuǎn)。當(dāng)市電電壓偏高時(shí)，Nl和N2均輸出高電平，使Vl導(dǎo)通，V2截止，M順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，通過(guò)滑臂驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)觸頭移動(dòng)，與T相應(yīng)的電壓抽頭接觸，通過(guò)T的Wl繞組來(lái)降低輸出電壓。當(dāng)輸出交流電壓降至220V時(shí)，Vl截止，M停轉(zhuǎn)。當(dāng)市電電壓偏高超過(guò)260V時(shí)，N3因正相輸入端電壓高于反相輸入端電壓而輸出低電平，使V3截止，，K釋放，其常閉觸頭接通交流電壓的輸出回路。當(dāng)市電電壓為160-260V時(shí)，N3因正相輸入端電壓低于反相輸入端電壓而輸出高電平，使V3導(dǎo)通，K吸合，其常閉觸頭斷開，從而保證負(fù)載（用電器）不會(huì)因過(guò)電壓而損壞。 ［3］

選購(gòu)

元器件選擇

R8和R9均選用lW金屬膜電阻器，其余各電阻器選用1/4W或l/2W金屬膜電阻器。

RPl和RP2均選用精密可變電阻器。

Cl-C4均選用耐壓值為16V的鋁電解電容器。

VDl-VD4均選用lN5404型硅整流二極管。

VS選用1/2W、6V的硅穩(wěn)壓二極管，例如lN5233A或lN5995B等型號(hào)。

Vl選用DSl5或2SC2073型硅NPN晶體管；V2選用CSl5或2SA940型硅PNP晶體管；V3選用S805O或C8050型硅NPN晶體管。

IC選用LM324型運(yùn)算放大集成電路。

M選用l2V直流電動(dòng)機(jī)。

K選用JRX-l3F型l2V直流繼電器，使用時(shí)將其兩組常閉觸頭并聯(lián)，以增大電流負(fù)荷。

采用300-500W的電源變壓器改制。先計(jì)算出匝/伏比等有關(guān)數(shù)據(jù)后再進(jìn)行繞制，每5V處取出一抽頭并作好標(biāo)記。先繞Wl-W3繞組，后繞W4和W5繞組。將T各抽頭的外接點(diǎn)與滑臂的滑動(dòng)觸頭分別裝在兩塊完全一樣的印制板上，粘合后對(duì)應(yīng)連接。滑臂為上、下兩片型式，印制板夾在其中間，使其在滑動(dòng)時(shí)接觸良好。滑臂申心裝上齒輪，電動(dòng)機(jī)M通過(guò)齒輪變速后驅(qū)動(dòng)滑臂移動(dòng)。

電路調(diào)試

調(diào)試時(shí)，先將RPl和R陀的動(dòng)觸頭調(diào)至中間位置，在交流穩(wěn)壓器的輸入端接上一臺(tái)手動(dòng)調(diào)壓器，在輸出端接上電壓表，調(diào)整調(diào)壓器使輸入交流電壓為220V，然后調(diào)節(jié)R陀的阻值，使M在輸出電壓為220V時(shí)停轉(zhuǎn)。

斷開M的引線 （滑動(dòng)觸頭應(yīng)接在-220V處），調(diào)整RPl，使輸人電壓調(diào)至230V時(shí)，K立即吸合即可。

目前現(xiàn)有電源主要分為兩大類：線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源（開關(guān)電源）。

線性穩(wěn)壓電源

線性穩(wěn)壓電源經(jīng)過(guò)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓實(shí)現(xiàn)電源穩(wěn)壓。

優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性好，瞬態(tài)響應(yīng)速度快，可靠性高，輸出電壓精度高，輸出紋波電壓精度小。

缺點(diǎn)：變換效率較低，尤其是在輸入輸出電壓差較大的情況下。如果輸出電流也較大，會(huì)有明顯的發(fā)熱發(fā)燙現(xiàn)象，甚至可能燒壞穩(wěn)壓器。

線性穩(wěn)壓電源構(gòu)成：

低壓差線性穩(wěn)壓器的主要參數(shù)

輸出電壓

低壓差線性穩(wěn)壓器有固定輸出電壓和可調(diào)輸出電壓兩種類型。

固定輸出電壓穩(wěn)壓器：輸出電壓是經(jīng)過(guò)廠家精密調(diào)整的，穩(wěn)壓器精度很高。

可調(diào)輸出電壓：根據(jù)穩(wěn)壓器ADJ引腳兩端的電阻來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。

最大輸出電流

輸出電流越大的穩(wěn)壓器成本越高。為了降低成本。

輸入輸出電壓差

在保證輸出電壓穩(wěn)定的條件下，該電壓壓差越低，線性穩(wěn)壓器的性能就越好。比如，5.0V的低壓差線性穩(wěn)壓器，只要輸入5.5V電壓，就能使輸出電壓穩(wěn)定在5.0V。

接地電流

串聯(lián)調(diào)整管輸出電流為零時(shí)，輸入電源提供的穩(wěn)壓器工作電流。該電流有時(shí)也稱為靜態(tài)電流，負(fù)載調(diào)整率

線性穩(wěn)壓器負(fù)載調(diào)整率越小，說(shuō)明LDO抑制負(fù)載干擾的能力越強(qiáng)。

電源抑制比

線性穩(wěn)壓器輸入源往往許多干擾信號(hào)存在。PSRR反映了線性穩(wěn)壓器對(duì)于這些干擾信號(hào)的抑制能力。

線性穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)注意：

散熱：

由于線性穩(wěn)壓器的特性決定，壓差部分的功耗是要通過(guò)芯片本身的散熱釋放出去的。如果壓差和電流較大，那么器件上消耗的功耗就會(huì)比較大，散熱問(wèn)題就必須考慮。如果在PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候沒有留下足夠的散熱空間，那么隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，線性穩(wěn)壓器芯片就會(huì)越來(lái)越燙。在持續(xù)高溫的環(huán)境下運(yùn)行會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)壽命。

解決方法：

在電路設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算線性穩(wěn)壓器上消耗的功率，消耗功率大時(shí)增加散熱片，通過(guò)在穩(wěn)壓器下面放置過(guò)孔，區(qū)域覆銅連接地。

壓差：

線性穩(wěn)壓器可以穩(wěn)定的壓差有限制，在選擇線性穩(wěn)壓器時(shí)應(yīng)查閱手冊(cè)，看選擇的線性穩(wěn)壓器是否可以滿足降壓需求。

旁路電容的選擇：

線性穩(wěn)壓器的外圍電路就是幾顆旁路電容。這幾顆電容的選擇也要參考器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)，一般情況在輸入輸出端接10uf和100nf的電容。旁路掉高頻信號(hào)以及干擾。在原理圖設(shè)計(jì)的時(shí)候，100nf的電容要盡量靠近線性穩(wěn)壓器。用來(lái)消除線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生的噪聲。

開關(guān)電源

開關(guān)電源通過(guò)控制調(diào)整管的通斷時(shí)間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。

優(yōu)點(diǎn)：體積小，重量輕，功耗小，穩(wěn)壓范圍寬，效率在80%~90%。

缺點(diǎn)：輸出紋波電壓較高，噪聲較大，電壓調(diào)整率等性能也較差，特別是對(duì)模擬電路供電時(shí)，將產(chǎn)生較大的影響。

使用：在開關(guān)性穩(wěn)壓器輸出端接入低壓差線性穩(wěn)壓器，就可以實(shí)現(xiàn)有源濾波，而且也可大大提高輸出電壓的穩(wěn)壓精度，同時(shí)電源系統(tǒng)的效率也不會(huì)明顯降低。

開關(guān)電源構(gòu)成：

Ui為整流濾波后的直流電壓、Uo為轉(zhuǎn)換后的直流輸出電壓、DC-DC轉(zhuǎn)換器用于功率轉(zhuǎn)換。

開關(guān)電源的分類：

無(wú)論哪種開關(guān)電源，調(diào)整管總是工作在開關(guān)狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)調(diào)整管的電壓可以是方波脈寬調(diào)制電壓，也可以是正弦波的諧振電壓。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)電壓可以分為自激式和他激式。

自激式：利用調(diào)整管，開關(guān)變壓器輔助繞組構(gòu)成正反饋，實(shí)現(xiàn)自激振蕩，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。

他激式：使用專設(shè)振蕩器產(chǎn)生脈沖控制調(diào)整管。

根據(jù)轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)方式分為非隔離型和隔離型。

非隔離型：輸入和輸出共地，適合低壓直流轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合，包括降壓式，升壓式，升降壓式。

隔離式：輸入輸出進(jìn)行隔離。包括反激式，正激式，推挽式，半橋式，全橋式。

根據(jù)開關(guān)管的脈沖調(diào)制方式分為脈寬調(diào)制型，頻率調(diào)制型，混合調(diào)制型。

脈寬調(diào)制型：通過(guò)改變開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)控制占空比，從而調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓。

頻率調(diào)制型：開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間不變，通過(guò)改變開關(guān)管的脈沖頻率來(lái)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓。

混合調(diào)制型：開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間和脈沖頻率都改變，沒而來(lái)調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓。

電源設(shè)計(jì)PCB布線：

1）芯片的電源引腳和地線引腳之間應(yīng)進(jìn)行去耦。去耦電容應(yīng)貼近芯片安裝，使去耦電容的回路面積盡可能減小。。

2）盡量加寬電源線、地線寬度，最好是地線比電源線寬。電源線應(yīng)布1mm以上。

3）兩層板表層走多條電源信號(hào)，另一層走多條地信號(hào)，讓電源和地信號(hào)像“井”字形排列，基本上不走環(huán)線。

4）數(shù)字電路的PCB可用寬的地導(dǎo)線組成一個(gè)回路，即構(gòu)成一個(gè)地網(wǎng)來(lái)使用，模擬電路的地不能這樣使用。

5）用大面積銅層作地線，在印制板上把沒被用上的地方都與地相連接作為地線用，或是做成多層板，電源和地線各占用一層。

6）一般都是就近接地，但要區(qū)分模擬和數(shù)字地：模擬器件就接模擬地，數(shù)字器件就接數(shù)字地；大信號(hào)地和小信號(hào)地也分開來(lái)。

7）同時(shí)具有模擬和數(shù)字功能的電路板，模擬地和數(shù)字地通常是分離的，只在電源處連接避免相互干擾。不要把數(shù)字電源與模擬電源重疊放置，否則就會(huì)產(chǎn)生耦合電容，破壞分離度。

8）應(yīng)避免梳狀地線，這種結(jié)構(gòu)使信號(hào)回流環(huán)路很大，會(huì)增加輻射和敏感度，并且芯片之間的公共阻抗也可能造成電路的誤操作。

9）選用貼片式芯片時(shí)，盡量選用電源引腳與地引腳靠得較近的芯片，可以進(jìn)一步減小去耦電容的供電回路面積，有利于實(shí)現(xiàn)電磁兼容。板上裝有多個(gè)芯片時(shí)，地線上會(huì)出現(xiàn)較大的電位差，應(yīng)把地線設(shè)計(jì)成封閉環(huán)路，提高電路的噪聲容限。

10）相同結(jié)構(gòu)電路部分，盡可能使用“對(duì)稱式”布局。