直流稳压电源的设计

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4.4设计工程

4.4.1集成直流稳压电源的设计

一、实验目的

通过集成直流稳压电源的设计、安装和调试，要求学会：

（1） 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；

（2） 掌握直流稳压电路的调试及主要技术指标的测试方法。 二、设计任务

1.集成稳压电源的主要技术指标

〔1〕同时输出1.5V电压、输出电流为2A。

〔2〕输出纹波电压小于5mV，稳压系数小于5103；输出阻小于0.1Ω。 〔3〕加输出保护电路，最大输出电流不超过2A。 2．设计要求

〔1〕电源变压器只做理论设计。

〔2〕合理选择集成稳压器及扩流二极管。 〔3〕保护电路拟采用限流型。

〔4〕完成全电路理论设计、安装调试、绘制电路图，自制印刷板。 〔5〕撰写设计报告、调试总结报告及使用说明书。 三、根本原理

1.直流稳压电源的根本原理

直流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路组成，根本框图如图4.5所示。各局部电路的作用如下：

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图4.5 直流稳压电源根本组成框图

〔1〕电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压u1。

变压器副边与原边的功率比为

P2P1

式中，η为变压器的效率。 〔2〕整流滤波电路

整流电路将交流电压u1变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除纹波，输出直流电压U1。

常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波、倍压整流滤波电路如图4.6〔a〕、〔b〕及〔c〕所示。

〔a〕全波整流电容滤波电路 〔b〕桥式整流电容滤波电路 〔c〕二倍压整流滤波电路

图4.6 几种常见整流滤波电路

各滤波电容C满足：

T 2式中T为输入交流信号周期；RL1为整流滤波电路的等效负载电阻。

RL1C3~5〔3〕三端集成稳压器

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常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器〔均属电压串联型〕，下面分别介绍其典型应用。

① 固定三端集成稳压器

正压系列：78XX系列，该系列稳压块有过流、过热和调整管平安工作区保护，以防过载而损坏。一般不需要外接元件即可工作，有时为改善性能也加少量元件。78XX 系列又分三个子系列，即78XX、78MXX和78LXX。其差异只在输出电流和外形，78XX输出电流为1.5A，78MXX输出电流为0.5A，78LXX输出电流为0.1A。

负压系列：79XX系列与78XX系列相比，除了输出电压极性、引脚定义不同外，其他特点都一样。

78XX系列、79XX系列的典型电路如图4.7〔a〕、〔b〕、〔c〕所示。

〔a〕正电压输出 〔b〕负电压输出

〔c〕正、负电压输出

图4.7 固定三端稳压器的典型应用

② 可调式三端集成稳压器

正压系列：W317系列稳压块能在输出电压为1.25V~37V的围连续可调,外接

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元件只需一个固定电阻和一只电位器.其芯片也有过流、过热和平安工作区保护。最大输出电流为1.5A。

其典型电路如图4.8所示。其中电阻R1与电位器RP组成电压输出调节电器，输出电压Uo的表达式为：

Rp Uo1.251R1式中，R1一般取值为〔120~240〕，输出端与调整压差为稳压器的基准电

〔1〕可调正压输出 〔2〕可调负压输出

图4.8 可调式三端稳压器的曲型应用

压〔典型值为1.25V〕，所以流经电阻R1的泄放电流为5~10mA。

负压系列：W337系列，与W317系列相比，除了输出电压极性、引脚定义不同外，其他特点都一样。

③ 集成稳压器的电流扩展

假设想连续取出1A以上的电流，可采用图4.9所示的加接三极管增大电流的方法。图中VT1称为扩流功率管，应选大功率三极管。VT2为过流保护三极管，正常工作时该管为截止状态。三极管VT1的直流电流放大倍数β必须满足

I1I0。另外，I1的最大值由VT1的额定值决定，如需更大的电流，可把三极管接成达林顿方式。

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〔1〕正压系列电流扩展电路 〔2〕负压系列电流扩展电路

图4.9 输出电流扩展电路

可以得出输出电流为：

ILIOI1

但这时，三端稳压器部过流保护电路已失去作用，必须在外部增加保护电路，这就是VT2和R2。当电流Ii在R2上产生的电压降到达VT2的UBE2时，VT2导通，于是向VT1基极注入电流，使VT1关断，从而到达电流的目的。保护电路的动作点是：

I1maxIimaxUBE2R2

三极管的UBE2具有负温度系数，设定R2数值时，必须考虑此温度系数。 以上通过采用外接功率管VT1的方法，到达扩流的目的，但这种方法会降低稳压精度，增加稳压器的输入与输出压差，这对大电流的工作的电源是不利的。假设希望稳压精度不变，可采用集成稳压器的并联方法来扩大输出电流，具体电路形式请参考有关电源类资料。

2.稳压电源的性能指标及测试方法

稳压电源的技术指标分两种：一种是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电阻调节围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数〔或电压调整率〕、输出电阻〔或电流调整率〕、温度系数及纹波电压等。测试电路如图4.10所示。这些质量指标的含义，可简述如下：

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图4.10 稳压电源性能指标测试电路

〔1〕纹波电压

纹波电压是指叠加在输出电压Uo上的交流分量。用示波器观测其峰-峰值，

Uopp一般为毫伏量级。也可以用交流电压表测量其有效值，但因Uo不是正弦

波，所以用有效值衡量其纹波电压，存在一定误差。

〔2〕稳压系数及电压调整率

稳压系数：在负载电流、环境温度不变的情况下，输入电压的相对变化，即

SuUoUo

UIUI电压调整率：输入电压相对变化为10%时的输出电压相对变化量，即

KuUo Uo稳压系数Su和电压调整率Ku均说明输入电压变化对输出电压的影响，因此只需测试其中之一即可。

〔3〕输出电阻及电流调整率

输出电阻：放大器的输出电阻一样，其值为当输入电压不变时，输出变化量与输出电流变化量之比的绝对值，即

Uo roIo电流调整率：输出电流从0变到最大值ILmax时所产生的输出电压相对变化

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值，即

KtUo Uo输出电阻ro和电流调整率Kt均说明负载电流变化对输出电压的影响，因此也只需测试其中之一即可。

四、设计指导

直流稳压电源的一般设计思路为：由输出电压Uo、电流Io确定稳压电路形式，通过计算极限参数〔电压、电流和功耗〕选择器件；由稳压电路所要求的直流电压〔U1〕、直流电流〔I1〕输入确定整流滤波电路形式，选择整流二极管及滤波电容并确定变压器的副边电压U1的有效值、电流I1〔有效值〕及变压器功率。最后由电路的最大功耗工作条件确定稳压器、扩流功率管的散热措施。

图4.11为集成稳压电源的典型电路。其主要器件有变压器Tt、整流二极管

VD1~VD4、滤波电容C、集成稳压器及测试用的负载电阻RL。

图4.11 集成稳压电源的典型电路

下面介绍这些器件选择的一般原那么。 1． 集成稳压器

稳压电路输入电压Ut确实定：

为保证稳压器在电网量低时仍处于稳压状态，要求

UiUomaxUiUomm

式中UiUomm是稳压器的最小输入输出压差，典型值为3V。按一般电源指标的要求，当输入交流电压220V变化10%时，电源应稳压。所以稳压电路

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的最低输入电压UimmUomaxUiUomm0.9。

另一方面，为保证稳压器平安工作，要求

UtUommUiUomax

式中UiUomax是稳压器允许的最大输入输出电压差，典型值为35V。 2． 电源变压器

确定整流滤波电路形式后，由稳压器要求的最低输入直流电压UImm计算出变压器的副边电压UI、副边电流II。

五、设计例如

设计一集成直流稳压电源。

性能指标要求：Vo5~12V连续可调，输出电流Iomax1A。 纹波电压：5mV 电压调整率：Ku3% 电流调整率：KI1%

选可调式三端稳压器W317，其典型指标满足设计要求。电路形式如图4.12所示。

图4.12 设计实例

1．器件选择 电路参数计算如下。

〔1〕确定稳压电路的最低输入直流电压UImm。

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UImmUomaxUIUOmm0.9

代入各指标，计算得：

UImm1230.916.67V

我们取值17V。

〔2〕确定电源变压器副边电压、电流及功率

UIUImax1.1，IIIImax

所以我们取II为1.1A。

UI171.115.5V 变压器副边功率P217W

变压器的效率η=0.7，那么原边功率PI24.3W。由上分析，可选购副边电压为16V，输出1.1A，功率30W的变压器。

〔3〕选整流二极管及滤波电容

因电路形式为桥式整流电容滤波，通过每个整流二极管的反峰电压和工作电流求出滤波电容值。整流二极管IN01，其极限参数为URM50V，ID5A。

滤波电容：C13~5TIImax2Umm1941~3235F 故取2只2200μF/25V的电解电容作滤波电容。 2.稳压器功耗估算

当输入交流电压增加10%时，稳压器输入直流电压最大，即

UImax1.11.11619.36V

所以稳压器承受的最大压差为：19.36515V 最大功耗为：UImaxIImax151.116.5W 故应选用散热功率16.5W的散热器。 3.其他措施

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如果集成稳压器离滤波电容C1较远时，应在W317靠近输入端处接上一只0.33μF的旁路电容C2，接在调整端和地之间的电容C3，是用来旁路电位器RP两端的纹波电压。当C3的容量为10μF时，纹波抑制比可提高20dB，减到原来的1/10。另一方面，由于在电路中接了电容C3，此时一旦输入端或输出端发生短路，C3中储存的电荷会通过稳压器部的调整管和基准放大管而损坏稳压器。为了防止在这种情况下C3的放电电流通过稳压器，在R1两端并接一只二极管VD2。

W317集成稳压器在没有容性负载的情况下可以稳定工作。但当输出端有

500~5000pF的容性负载时，就容易发生自激。为了抑制自激，在输出端接一只

不过1μF的钽电容或25μF的铝电解电容C4。该电容还可以改善电源的瞬态响应。但是接上该电容以后，集成稳压器的输入端一旦发生短路，C4将对稳压器的输出端放电，其放电电流可能损坏稳压器，故在稳压器的输入与输出端之间，接一只保护二极管VD2。

六、电路安装与指标测试 1.安装整流滤波电路

首先应在变压器的副边接入保险丝FU，以防电源输出端路路损坏变压器或其他器件，整流滤波电路主要检查整流二极管是否接反，否那么会损坏变压器。检查无误后，通电测试〔可用调压器逐渐将输入交流电压升到220V〕，用滑线变阻器做等效负载，用示波器观察输出是否正常。

2.安装稳压电路局部

集成稳压器要安装适当散热器，根据散热器安装的位置决定是否集成稳压器与散热器之间绝缘，输入端加直流电压UI〔可用直流电源作输入，也可用调试好的整流滤波电路作输入〕，滑线变阻器作等效负载，调节电位器RP，输出电压

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应随之变化，说明稳压电路正常工作。

注意检查在额定负载电流下稳压器的发热情况。 3.总装及指标测试

将整流滤波电路与稳压电路相连接并接上等效负载，测量以下各值是否满足设计要求：

①UI为最高值〔电网电压为242V〕，Uo为最小值〔此例为+5V〕。测稳压器输入、输出端压差是否小于额定值，并检查散热器的温升是否满足要求〔此时应使输出电流为最大负载电流〕。

②UI为最低值〔电网电压为198V〕，Uo为最大值〔此例为+12V〕，测稳压器输入、输出端压差是否大于3V，并检查输出稳压情况。

如果上述结果符合设计要求，便可按照前面介绍的测试方法，进展质量指标测试。

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