直流稳压电源的设计与制作 电子系统设计.ppt

直流稳压电源的设计与制作132直流稳压电源的组成及工作原理直流稳压电源的组成及工作原理串联反馈式稳压电路串联反馈式稳压电路开关式直流稳压电路开关式直流稳压电路4数控直流稳压电源的设计与制作数控直流稳压电源的设计与制作第一节 直流稳压电源 的基本组成及工作原理一、直流稳压电源的组成二、直流电源各部分原理三、直流稳压电源的性能指标 电源变压器电源变压器vo0tvF0tvR0tv10tv20t 整流电路整流电路滤波电路滤波电路稳压电路稳压电路一、直流稳压电源的组成一、直流稳压电源的组成 直流稳压电源由直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路电路、稳压电路四部分组成。四部分组成。V VO O V VI I功能功能作用作用交流电压变换部分交流电压变换部分将电网电压变为所需将电网电压变为所需的交流电压的交流电压将直流电源与交流电将直流电源与交流电网隔离网隔离二、直流稳压电源各部分原理二、直流稳压电源各部分原理电源变压器1、电源变压器电源变压器电源变压器仿真一：电源变压器的基本特性1 1、要求：电源变压器：、要求：电源变压器：1010：1 1，200V/50Hz200V/50Hz 负载电阻：负载电阻：100100欧，示波器欧，示波器2 2、仿真电路：、仿真电路：电源变压器2、整流部分作用：将变换后的交流电压转换为单 方向的脉动电压。(ACDC)说明：1、单方向的脉动电压存在很大脉动成 份，不能直接提供给负载。2、脉动谐波成份纹波整流电路技术：二极管的单向导电性电路形式：半波整流 全波整流 桥式整流整流电路v2vo00tt234Trv1v2DRLvo整流电路1、电路图：如图所示，利用二极管的单向导电性，在负载电阻RL上得到单向脉动电压V VO O整流电路1半波整流电路：整流：利用二极管的单向导电性，把交流变成脉动的直流v2vo00tt234Trv1v2DRLvo2、电路特点：电路结构简单，输出电压波动较大、效率低输出的直流电压值为:整流电路整流电路1半波整流电路：v2vo00tt234Trv1v2DRLvo3、工作原理：U2为正半周：D管导通，有输出电压；U2为负半周：D管截止，无输出电压输出的直流电压值为:整流电路整流电路1半波整流电路：仿真二：半波整流电路1、要求：二极管（理想）1只2、仿真电路：整流电路4、参数计算（1）输出的直流电压值为:（2）流过负载平均电流:IDO=UO/RL=0.45U2/RL（3）流过整流二极管的平均电流:IF=IDO=0.45U2/RL（4）整流二极管的最大反向电压:UDR=SQR（2）U2整流电路整流电路1半波整流电路：5、二极管的选择：（1）D管的最大整流电流IF必须大于 实际流过二极管的平均电流IDO：IF IDO=ULO/RL=0.45 U2/RL（2）D管的最大反向工作电压UR必须 大于二极管实际所承受的最大反 向峰值电压URM UR URM=SQR（2）U2整流电路整流电路1半波整流电路：1、电路图：如图所示，二极管D D1 1、D D2 2分别在V V2 2的正、负半周导通，在RL上得到如图所示电压波形。v1v2voD1Trv2D2v2vo00tt234整流电路整流电路2全波整流电路：2、电路特点：是输出电压波动小，变压需中心抽头，绕制复杂，成本高，笨重v1v2voD1Trv2D2v2vo00tt234整流电路整流电路2全波整流电路：3、工作原理：在U2正半周：D1导通、D2管截止，负载中有电流流过；在U2负半周：D1截止、D2管导通，负载中有电流流过。v1v2voD1Trv2D2v2vo00tt234整流电路整流电路2全波整流电路：仿真三：单相全波整流电路1、要求：二极管（理想）2只2、仿真电路：整流电路4、参数计算：（1）输出的直流电压值为:（2）流过负载平均电流:IDO=UO/RL=0.9U2/RL（3）流过整流二极管的平均电流:IF=IDO/2=0.45U2/RL（4）整流二极管的最大反向电压:UDR=2SQR(2)U2整流电路整流电路2全波整流电路：5、二极管的选择：（1）D管的最大整流电流IF必须大于 实际流过二极管的平均电流IDO：IF IDO=ULO/RL=0.45 U2/RL（2）D管的最大反向工作电压UR必须 大于二极管实际所承受的最大反 向峰值电压URM UR URM=2SQR(2)U2整流电路整流电路2全波整流电路：1、电路图：如图所示，二极管D D1 1、D D2 2、D D3 3、D D4 4四只二极管接成电桥的形式，名称由此而来。v1D1 D4v2Tr简化画法简化画法RL整流电路整流电路3桥式整流电路：2、工作原理：在V V2 2的正半周，D D1 1、D D3 3导通，D D2 2、D D4 4截止，通过D D1 1、D D3 3给R RL L提供电流，方向由上向下（图中虚线)；在V V2 2的负半周，D D2 2、D D4 4导通，D D1 1、D D3 3截止，通过D D2 2、D D4 4给R RL L提供电流，方向仍然是由上向下（图中虚线）由此得到图示的整流波形v1D1vLv2TrD4D3D2RL(+)(-)+-(+)(-)ab电网电网电压电压 整流电路 3、波形图00tt234VL0tD3D1D2D4D3D1D2D4V2iLiD1iD3iD2iD4iD2iD4iD1iD3导导通通导导通通导导通通导导通通V Vo o的大小与全波整流电路相同，即:整流电路整流电路3桥式整流电路：仿真四：桥式整流电路1、要求：整流桥（理想）1只。2、仿真电路：整流电路 4、参数计算：（1）输出的直流电压值为:（2）流过负载平均电流:IDO=UO/RL=0.9U2/RL（3）流过整流二极管的平均电流:IF=IDO/2=0.45U2/RL（4）整流二极管的最大反向电压:UDR=U2整流电路整流电路3桥式整流电路：5、整流二极管的选择：（1）D管的最大整流电流IF必须大于 实际流过二极管的平均电流IDO：IF IDO=ULO/RL=0.45 U2/RL（2）D管的最大反向工作电压UR必须 大于二极管实际所承受的最大反 向峰值电压URM UR URM=SQR（2）U2整流电路整流电路3桥式整流电路：3、滤波电路作用：对整流电路输出的脉动直流进 行平滑，使之成为含交变成份 很小的直流电压。说明：1、滤波电路实际上是一个低通滤波器。2、截止频率低于整流输出电压的基波 频率滤波电路电路形式：一、电容滤波二、电感滤波 三、L型滤波电路 四、型滤波电路滤波电路（1）电容滤波电路尽管整流后的电压为直流电压，但波动较大，仍然不能直接作为电源使用，还需进一步滤波，将其中的交流成份滤掉。滤波通常是采用电容或电感的能量存储作用来实现的常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波、倒L型滤波、型滤波等几种。在小功率整流滤波电路中，电容滤波是最常用的一种，其特点是结构简单，效果较好。本节中只介绍电容滤波电路。电感滤波电路主要用于大电路中，其他滤波电路自行分析。滤波电路电容滤波电路（1）桥式整流、电容滤波电路如图所示1电路组成：v1D1vLv2TrD4D3D2RL(+)(-)+-(+)(-)+CSab滤波电路（2）电容滤波的原理：电容是一个能储存电荷的元件。有了电荷，两极板之间就有电压UC=Q/C。在电容量不变时，要改变两端电压就必须改变两端电荷，而电荷改变的速度，取决于充放电时间常数。时间常数越大，电荷改变得越慢，则电压变化也越慢，即交流分量越小，也就“滤除”了交流分量。电容滤波电路1电路组成：滤波电路 （1 1）负载未接入（开关负载未接入（开关S S断开）时：设电容断开）时：设电容两端初始电压为零，接入交流电源后，当两端初始电压为零，接入交流电源后，当V V2 2为为正半周时，正半周时，V V2 2通过通过D D1 1、D D3 3向电容向电容C C充电；充电；V V2 2为为负半周时，经负半周时，经D D2 2、D D4 4向电容向电容C C充电。充电时间常充电。充电时间常数为：数为：C C=R=RintintC Ctv20234vc电容滤波电路2工作原理：滤波电路 （1 1）其中其中R Rintint包括变压器副绕组的直流电阻包括变压器副绕组的直流电阻和二极管的正向电阻。由于和二极管的正向电阻。由于R Rintint一般很小，电一般很小，电容器很快就充电到交流电压容器很快就充电到交流电压V V2 2的最大值的最大值V V2 2 ，由，由于电容无放电回路，故输出电压（电容于电容无放电回路，故输出电压（电容C C两端的两端的电压电压)保持在保持在V V2 2不变。不变。tv20234vc电容滤波电路2工作原理：滤波电路tv20234vc电容滤波电路2工作原理：（2 2）.1.1 接入负载接入负载R RL L（开关（开关S S合上）时：设变压合上）时：设变压器副边电压器副边电压V V2 2从从0 0开始上升时接入开始上升时接入R RL L，由于电容，由于电容已到已到V V2 2 ，故刚接入负载时，故刚接入负载时，V V2 2 V VC C，二极管在二极管在反向电压作用下而截止，电容反向电压作用下而截止，电容C C经经R RL L放电，放电放电，放电时间常数为：时间常数为：d d=R=RL LC C。因。因 d d一般较大，故电容两一般较大，故电容两端电压端电压V Vc c(即即V Vo o)按指数规律慢下降（图中按指数规律慢下降（图中a,ba,b段）段）滤波电路tv20234vc电容滤波电路2工作原理：（2 2）.2.2 当当V V2 2升至升至V V2 2V VC C时，二极管时，二极管D D1 1、D D3 3在正在正向电压作用下而导通，此时向电压作用下而导通，此时V V2 2经经D D1 1、D D3 3一方面向一方面向R RL L提供电流，一方面向提供电流，一方面向C C充电（接入充电（接入R RL L后充电时后充电时间常数变为间常数变为 C C=R=RL L/R/RintintCRCRintintC C ）。）。V VC C将如图将如图中中b b、c c段所示段所示滤波电路（2 2）.3.3 当当V V2 2又降至又降至V V2 2V VC C时，二极管又截止，时，二极管又截止，电容电容C C又向又向R RL L放电，如图中放电，如图中c c 、d d段所示段所示.电容如电容如此周而复始充放电，就得到了一个如图所示的此周而复始充放电，就得到了一个如图所示的锯齿波电压锯齿波电压V Vo=o=V VC C ，由此可见输出电压的波动，由此可见输出电压的波动大大减小。大大减小。tv20234vc电容滤波电路2工作原理：滤波电路（2 2）.4.4 为了得到平滑的负载电压，一般取为了得到平滑的负载电压，一般取 d d=R=RL LC(3C(3 5)T/25)T/2(T(T为交流电周期为交流电周期20ms)20ms)此时：此时：V Vo=o=(1.1(1.1 1.2)1.2)V V2 2tv20234vc电容滤波电路2工作原理：滤波电路t02340tC放电放电C充电充电RL接入后RL未接入D1D3导导电电D2D4导导电电D2D4导导电电D1D3导导电电abcdevC=vLiDiDiCvZ,vL,vC 滤波电路仿真五：电容滤波1、要求：电容1000F 1只2、仿真电路：滤波电路电容滤波电路3电容滤波的特点1、RLC越大，电容放电速度越慢，负载电压中的纹波成份越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的输出电压，一般取：RLC（35）T/2 (T交流电源电压周期)滤波电路2、RL越小，输出电压越小。（1）当C一定时，RL时，即空载：ULO=1.4U2（2）当C=0时，即无电容时：ULO=0.9U2（3）一般情况下，ULO=（1.11.2)U23、电容滤波适用于负载电压较高、负载变化不大的场合。滤波电路v1Dvov2TrR RL LL L滤波电路（2）电感滤波电路1、电路图电感滤波电路2、电感滤波的原理：电感滤波是利用电感的储能来减小输出电压纹波的。当电感中电流增大时，自电感电动势的方向与原电流方向相反，自感电动势阻碍电位增加的同时，也将能量储存起来，使电流的变化减小；反之，当电感中电流减少时，自感电动势的作用阻碍电流的减少，同时释放能量，使电流变化减小，因此，电流的变化小，电压的纹波得到抑制。滤波电路3、电感滤波电路的几点说明：、电感滤波电路的几点说明：1、L越大、越大、RL越小，输出电压纹波越小；越小，输出电压纹波越小；2、忽略电感内阻，、忽略电感内阻，U ULOLO=0.9U=0.9U2 2（理论值）（理论值）3、电感滤波适用于低电压，大电流的场合、电感滤波适用于低电压，大电流的场合电感滤波电路滤波电路1、L型滤波电路型滤波电路其它滤波电路滤波电路2、型滤波电路其它滤波电路滤波电路4、稳压部分作用：维持输出直流电压的基本稳定。说明：1、经过滤波电路后的电压的稳定性比 较差。2、电压受温度、负载、电网电压波动 等因素的影响较大稳压电路一、稳压管电路组成（并联稳压电路）：1、电路图：2、说明：R限流电阻 Dz稳压二极管稳压电路仿真一：稳压管稳压电路1 1、要求：稳压二极管（、要求：稳压二极管（1N4740A1N4740A，Uz=10VUz=10V）1 1只只 电阻电阻R=100R=100欧，电阻欧，电阻R RL L=1K=1K2 2、仿真电路：、仿真电路：四、R的取值范围：（U UImaxImax-U-UZ Z)/I)/IZmaxZmax R R(U UIminImin-U-UZ Z)/(I)/(IZminZmin+U UZ Z/R/RLminLmin)注：一般情况下，在稳压管安全工作条件下，R应尽可能小，从而使输出电流范围增大。稳压电路直流稳压电源的性能指标：1、最大输出电流IOmax：2、输出电压UO和电压调节范围：3、保护特性：4、效率：5、过冲幅度：稳压电源性能指标二、质量指标1、输入电压调整因数Su和稳压系 数Sr：2、输出电阻Ro：3、温度系数ST：稳压电源性能指标第一节第一节第三节第三节第二节第二节串联反馈式稳压电路串联反馈式稳压电路直流稳压电源的组成及工作原理直流稳压电源的组成及工作原理开关式直流稳压电路开关式直流稳压电路一、电路组成串联反馈式稳压电路串联线性稳压电路如图所示，它由四部分组成：调整电路、比较放大电路、基准电压和取样电路。根据比较放大电路的不同，它可分两种基本电路。一种是三极管组成比较放大器的稳压电路，另一种是由运放组成比较放大器的稳压电路。尽管电路不同，但工作原理是相同的。下面以运放为例分析其工作原理。一、一、电路组成电路组成串联反馈式稳压电路比较放大比较放大vivo+_调整调整基准电压基准电压取样取样+_集成运放作比较放大电路集成运放作比较放大电路串联反馈式稳压电路vIvo+_R1RLR2ADZvREFvFRvBTbce比较放大比较放大调整调整基基准准电电压压取取样样二、工作原理串联反馈式稳压电路V VO O V VF F V VB B V VO O V VCE CE I IC C集成运放作比较放大电路：V VO O V VF F V VB B V VO O V VCE CE I IC C 三、输出电压的计算串联反馈式稳压电路运放作比较放大电路：单片集成稳压器单片集成稳压器是把稳压电路的调整管、误差放大器、取样电路、启动电路、保护电路等集成在一个芯片上的专用集成电路。单片集成稳压器品种繁多，我们只介绍应用最多、最简单的一种：固定输出的三端集成稳压器。固定输出的三端稳压器有输出正压和输出负压两在系列，分别用CW78CW78和CW79CW79表示单片集成稳压器它又分为CW78CW78、CW78MCW78M和CW78LCW78L三类。CW78CW78表示输出电流为1.5A1.5A；CW78MCW78M表示输出电流为0.5A0.5A；CW78LCW78L表示输出电流仅为0.1A0.1A。其中表示输出的电压值，实际有0.50.5、0.60.6、0.80.8、1212、1515、2020、2424几种规格，分别表示输出电压为5V5V、6V6V、8V8V、12V12V、15V15V、20V20V和24V24V。其外型封装及接线图如图所示。1CW78CW78系列(输出正压)：1、CW78CW78系列(输出正压)：ININ1 2 3OUTOUTGNDGNDW7800ViVi0.330.33 F F0.10.1 F FVoVo1 12 23 3单片集成稳压器单片集成稳压器 CW79CW79系列与CW78CW78系列意义完全相同。所不同的是输出为负电压。其外型封装及接线图如图所示。要求：输入电压V VI I比输出电压V VO O高2 2 3V3V2CW79CW79系列(输出负压)：2、CW79CW79系列(输出负压)：GNDGND1 2 3OUTOUTININW7800-Vi-Vi0.330.33 F F0.10.1 F F-Vo-Vo1 12 23 3单片集成稳压器开关电源的结构结构和基本原理开关电源工作原理 通过高频开关技术将输入的较高的交流电压(AC)转换为PC电脑工作所需要的较低的直流电压(DC)开关电源的中心思想：用提高工作频率等手段来提高电源的功率密度，进而达到减少变压器的体积和重量的目的。采用开关变换的显著优点是大大提高了电能的转换效率，典型的PC电源效率为70%-75%，而相应的线性稳压电源的效率仅有50%左右。输出电压的稳定则是依赖对脉冲宽度的改变来实现，这就叫做脉宽调制PWM。开关电源工作流程 当市电进入电源后，先经过扼流线圈和电容滤波去除高频杂波和干扰信号，然后经过整流和滤波得到高压直流电。接着通过开关电路把直流电转为高频脉动直流电，再送高频开关变压器降压。然后滤除高频交流部分，这样最后输出供电脑使用相对纯净的低压直流电。框图一个典型的半桥式开关电源的结构流程图EMI器件功率输出PWM主变压器整流滤波驱动变压器开关管AC输入SB器件辅助变压器SB输出取样供电控制VCC常用元器件性能及主要参数介绍电阻电阻电容电容电感电感二极管二极管三极管三极管变压器变压器比较器比较器PWMPWM控制器控制器电路图一个典型的电路图开关电源原理示意图1经过了EMI滤波电路以及PFC电路的交流电波形2整流滤波电路后的波形输出3从高压滤波电容出来的电压波形4经过开关管后的波形5经过变压后的波形6低压整流后的波形7终于得到了最终需要的电压抗干扰电路（EMI）由一个线圈和两个电容组成，通常有两级EMI。功能：滤除由电网进来的各种干扰信号，防止电源开关电路形成的高频扰窜电网。抗干扰电路（EMI）整流滤波电路开关电路PFC电路保护电路电路结构PFC电路PFC（Power Factor Correction）即“功率因数校正”，主要用来表征电子产品对电能的利用效率。功率因数越高，说明电能的利用效率越高。通过CCC认证的电脑电源，都必须增加PFC电路。PC电源采用传统的桥式整流、电容滤波电路会使AC输入电流产生严重的波形畸变，向电网注入大量的高次谐波，因此网侧的功率因数不高，仅有0.6左右，并对电网和其它电气设备造成严重谐波污染与干扰。PFC有两种，一种是无源PFC（也称被动式PFC），一种是有源PFC（也称主动式PFC）。无源PFC无源PFC一般采用电感补偿方法，通过使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，但无源PFC的功率因数不是很高，只能达到0.70.8。位置在第二层滤波之后，全桥整流电路之前。有源PFC输入电压可以从90V到270V；高于0.99的线路功率因数，并具有低损耗和高可靠等优点；有源PFC电路可用作辅助电源，而不再需要辅助电源变压器；输出不随输入电压波动变化，因此可获得高度稳定的输出电压；有源PFC输出DC电压纹波很小，且呈100Hz/120Hz（工频2倍）的正弦波，因此采用有源PFC的电源不需要采用很大容量的滤波电容。EMI电路整流滤波电路高压整流滤波电路由一个全桥（由四个二极管组成）和两个高压电解电容组成。把220V交流市电转换成300V直流电。低压整流滤波电路由二极管和电解电容组成(12V使用快恢复管，5V和3.3V使用肖特基管)，如图。关键元件：辅助电源开关管、辅助电源变压器、三端稳压器 300V直流电通过辅助电源开关管成为脉冲电流，通过辅助电源变压器输出二组交流电压，一路经整流、三端稳压器稳压，输出+5VSB，加到主板上作为待机电压；另一路经整流滤波，输出辅助+12V电源，供给PWM等芯片工作。辅助电源电路开关电路核心部分关键元件：PS-ON、精密稳压电路、PWM 控制芯片、推动管（由两个三极管组成）、驱动变压器、主开关变压器原理：由推动管和PWM（Pulse Width Modulation）控制芯片构成振荡电路，产生高频脉冲待机时，主板启闭控制电路的电子开关断开，PWM 控制芯片封锁调制脉宽输出，使T2推动变压器，T1主电源开关变压器停振，停止提供输出电压。受控启动后，主板启闭电子开关接地。PWM 控制芯片输出脉宽调制信号并控制Q3、Q4的c极所接T2推动变压器初级绕组的激励振荡，T2次级它激振荡产生的感应电势作用于T1主电源开关变压器的一次绕组，二次绕组的感应电势经整流形成33V，5V，12V的输出电压。电压比较器PWM 控制芯片PW-OK电路重要元件：电压比较器。待机时PW-OK向主机输出零电平的电源自检信号，主机停止工作处于待命状态。受控启动后，PW-OK在开关电源输出电压稳定后再延迟几百毫秒由0电平起跳到5V，向主机输出高电平的信号。该信号相当于AT电源的PG信号。主机检测到PW-OK电源完好的信号后启动系统。在主机运行过程中若遇市电掉电或关机时，PW-OK输出信号比ATX开 关电源5V输出电压提前几百毫秒消失，通知主机触发系统在电源断电前自动关闭，防止突然掉电时硬盘磁头来不及移至着陆区而划伤硬盘。保护电路七重保护1、输入端过压保护：耐压值为270V的压敏电阻2、输入端过流保护：保险丝3、输出端过流保护：通过导线反馈，驱动变压器就会相应动作，关断电源的输出。4、输出端过压保护：当比较器检测到的输出电压与基准电压偏差较大时，稳压管就会对电压进行调整。5、输出端过载保护：过载保护的机理与过流保护一样，也是由控制电路和驱动变压器进行的。6、输出端短路保护：输出端短路时，比较器会侦测到电流的变化，并通过驱动变压器、PWM关断开关管的输出。7、温度控制：通过温度探头检测电源内部温度，并智能调整风扇转速，对电源内部温度进行控制。2、DC输出的几个概念电压电流纹波、杂讯设计作品一：数控直流稳压电源的设计与制作设计作品一：数控直流稳压电源的设计与制作设计作品一：数控直流稳压电源的设计与制作设计作品一：数控直流稳压电源的设计与制作设设设设 计计计计 构构构构 架架架架