浅谈线性稳压电源和开关稳压电源

稳压电源（stabilized voltage supply）是能为负载提供稳定的交流电或直流电的电子装置，包括交流稳压电源和直流稳压电源两大类。

 

　　当电网电压或负载出现瞬间波动时，稳压电源会以10-30ms的响应速度对电压幅值进行补偿，使其稳定在±2%以内。

 

　　主要功能

 

　　稳定电压

 

　　当电网电压或负载出现瞬间波动时，稳压电源会以10-30ms的响应速度对电压幅值进行补偿，使其稳定在±2%以

 

　　内。

 

　　多功能综合保护

 

　　稳压器除了最基本的稳定电压功能以外，还应具有过压保护（超过输出电压的+10%）、欠压保护（低于输出电压的-10%）、缺相保护、短路过载保护最基本的保护功能。

 

　　尖脉冲抑制

 

　　电网有时会出现幅值很高，脉宽很窄的尖脉冲，它会击穿耐压较低的电子元件。稳压电源的抗浪涌组件能够对这样的尖脉冲起到很好的抑制作用。

 

　　隔离传导性EMI电磁干扰（可选）：

 

　　数控设备多采用AC/DC整流+PFC高频功率因数校正，自身有一定的干扰性同时对干扰源也有严格要求。稳压电源的滤波组件能够有效隔离电网对设备的干扰同时也能有效隔离设备对电网的干扰。

 

　　防雷

 

　　应具有的防雷击能力。

 

　　工作原理

 

　　工频交流电源经过变压器降压、 整流、滤波后成为一稳定的直流电。图中其余部分是起电压调节，实现稳压作

 

　　用的控制部分。电源接上负载后，通过采样电路获得输出电压，将此输出电压和基准电压进行比较。如果输出电压小于基准电压，则将误差值经过放大电路放大后送入调节器的输入端，通过调节器调节使输出电压增加，直到和基准值相等；如果输出电压大于基准电压，则通过调节器使输出减小。

 

　　稳压器电路由电源电路、电压检测控制电路、过电压保护组成，如图所示。电源电路由调压变压器T的W4、W5绕组和整流二极管VDl-VD4、滤波电容器Cl、C2组成。电压检测控制电路由电阻器R-R7、电位器RPl、Rm、稳压二极管VS、电容器C3、C4和运算放大器集成电路IC（Nl-N3）组成。过电压保护电路由IC内部的N3、晶体管V3、电阻器Rl2和继电器K组成。自动调压电路由电阻器R8-Rll、晶体管Vl、V2、直流电动机M、滑动触头和T的Wl-W3绕组组成。将交流稳压器的输大端与市电相接后，在T的W4、W5绕组上产生了感应电压。该电压经VDl-VD4整流及Cl、C2滤波后，为IC和Vl、V2等提供 士l2V不稳定工作电压。+l2V电压还有其他作用。经Rl-R3分压、VS稳压后，分别为Nl-N3的反相输入端提供基准电压；为过电压保护电路申的K和V3提供工作电源；经R4、RP2、R6分压后，为Nl和N2的正相输入端提供检测电压；经R7、RPl、R5分压后，为N3的正相输入端提供检测电压。

 

　　Nl-N3将正相输大端的检测电压与反相输大端的基准电压进行比较，用产生的误差电压去控制自动调压电路。

 

　　当市电电压正常时，Nl和N2的输出端电压为OV，Vl和V2均处于截止状态，电动机M不工作。

 

　　当市电电压偏低时，Nl和N2输出低电平，使V2导通，Vl截止，M逆时针旋转，通过滑壁臂驱动滑动触头移动，与T相应的电压抽头接触 （T的Wl、W2绕组共设置了21个电压抽头，每一档的电压调节范围为5V），通过T的W2绕组来提升输出电压。当输出交流电压升至220V时，V2截止，M停转。当市电电压偏高时，Nl和N2均输出高电平，使Vl导通，V2截止，M顺时针旋转，通过滑臂驱动滑动触头移动，与T相应的电压抽头接触，通过T的Wl绕组来降低输出电压。当输出交流电压降至220V时，Vl截止，M停转。当市电电压偏高超过260V时，N3因正相输入端电压高于反相输入端电压而输出低电平，使V3截止，，K释放，其常闭触头接通交流电压的输出回路。当市电电压为160-260V时，N3因正相输入端电压低于反相输入端电压而输出高电平，使V3导通，K吸合，其常闭触头断开，从而保证负载（用电器）不会因过电压而损坏。 ［3］

 

　　选购

 

　　元器件选择

 

　　R8和R9均选用lW金属膜电阻器，其余各电阻器选用1/4W或l/2W金属膜电阻器。

 

　　RPl和RP2均选用精密可变电阻器。

 

　　Cl-C4均选用耐压值为16V的铝电解电容器。

 

　　VDl-VD4均选用lN5404型硅整流二极管。

 

　　VS选用1/2W、6V的硅稳压二极管，例如lN5233A或lN5995B等型号。

 

　　Vl选用DSl5或2SC2073型硅NPN晶体管；V2选用CSl5或2SA940型硅PNP晶体管；V3选用S805O或C8050型硅NPN晶体管。

 

　　IC选用LM324型运算放大集成电路。

 

　　M选用l2V直流电动机。

 

　　K选用JRX-l3F型l2V直流继电器，使用时将其两组常闭触头并联，以增大电流负荷。

 

　　采用300-500W的电源变压器改制。先计算出匝/伏比等有关数据后再进行绕制，每5V处取出一抽头并作好标记。先绕Wl-W3绕组，后绕W4和W5绕组。将T各抽头的外接点与滑臂的滑动触头分别装在两块完全一样的印制板上，粘合后对应连接。滑臂为上、下两片型式，印制板夹在其中间，使其在滑动时接触良好。滑臂申心装上齿轮，电动机M通过齿轮变速后驱动滑臂移动。

 

　　电路调试

 

　　调试时，先将RPl和R陀的动触头调至中间位置，在交流稳压器的输入端接上一台手动调压器，在输出端接上电压表，调整调压器使输入交流电压为220V，然后调节R陀的阻值，使M在输出电压为220V时停转。

 

　　断开M的引线 （滑动触头应接在-220V处），调整RPl，使输人电压调至230V时，K立即吸合即可。

　　目前现有电源主要分为两大类：线性稳压电源和开关稳压电源（开关电源）。

　　线性稳压电源

　　线性稳压电源经过变压、整流、滤波、稳压实现电源稳压。

　　优点：稳定性好，瞬态响应速度快，可靠性高，输出电压精度高，输出纹波电压精度小。

　　缺点：变换效率较低，尤其是在输入输出电压差较大的情况下。如果输出电流也较大，会有明显的发热发烫现象，甚至可能烧坏稳压器。

　　线性稳压电源构成：

　　低压差线性稳压器的主要参数

　　输出电压

　　低压差线性稳压器有固定输出电压和可调输出电压两种类型。

　　固定输出电压稳压器：输出电压是经过厂家精密调整的，稳压器精度很高。

　　可调输出电压：根据稳压器ADJ引脚两端的电阻来调节输出电压。

　　最大输出电流

　　输出电流越大的稳压器成本越高。为了降低成本。

　　输入输出电压差

　　在保证输出电压稳定的条件下，该电压压差越低，线性稳压器的性能就越好。比如，5.0V的低压差线性稳压器，只要输入5.5V电压，就能使输出电压稳定在5.0V。

　　接地电流

　　串联调整管输出电流为零时，输入电源提供的稳压器工作电流。该电流有时也称为静态电流，负载调整率

　　线性稳压器负载调整率越小，说明LDO抑制负载干扰的能力越强。

　　电源抑制比

　　线性稳压器输入源往往许多干扰信号存在。PSRR反映了线性稳压器对于这些干扰信号的抑制能力。

　　线性稳压电源设计注意：

　　散热：

　　由于线性稳压器的特性决定，压差部分的功耗是要通过芯片本身的散热释放出去的。如果压差和电流较大，那么器件上消耗的功耗就会比较大，散热问题就必须考虑。如果在PCB设计的时候没有留下足够的散热空间，那么随着系统的运行，线性稳压器芯片就会越来越烫。在持续高温的环境下运行会严重影响系统寿命。

　　解决方法：

　　在电路设计时计算线性稳压器上消耗的功率，消耗功率大时增加散热片，通过在稳压器下面放置过孔，区域覆铜连接地。

　　压差：

　　线性稳压器可以稳定的压差有限制，在选择线性稳压器时应查阅手册，看选择的线性稳压器是否可以满足降压需求。

　　旁路电容的选择：

　　线性稳压器的外围电路就是几颗旁路电容。这几颗电容的选择也要参考器件的数据手册，一般情况在输入输出端接10uf和100nf的电容。旁路掉高频信号以及干扰。在原理图设计的时候，100nf的电容要尽量靠近线性稳压器。用来消除线性稳压器产生的噪声。

　　开关电源

　　开关电源通过控制调整管的通断时间实现稳压。

　　优点：体积小，重量轻，功耗小，稳压范围宽，效率在80%~90%。

　　缺点：输出纹波电压较高，噪声较大，电压调整率等性能也较差，特别是对模拟电路供电时，将产生较大的影响。

　　使用：在开关性稳压器输出端接入低压差线性稳压器，就可以实现有源滤波，而且也可大大提高输出电压的稳压精度，同时电源系统的效率也不会明显降低。

　　开关电源构成：

　　Ui为整流滤波后的直流电压、Uo为转换后的直流输出电压、DC-DC转换器用于功率转换。

　　开关电源的分类：

　　无论哪种开关电源，调整管总是工作在开关状态，驱动调整管的电压可以是方波脉宽调制电压，也可以是正弦波的谐振电压。

　　根据驱动电压可以分为自激式和他激式。

　　自激式：利用调整管，开关变压器辅助绕组构成正反馈，实现自激振荡，实现稳压。

　　他激式：使用专设振荡器产生脉冲控制调整管。

　　根据转换器电路结构方式分为非隔离型和隔离型。

　　非隔离型：输入和输出共地，适合低压直流转换的场合，包括降压式，升压式，升降压式。

　　隔离式：输入输出进行隔离。包括反激式，正激式，推挽式，半桥式，全桥式。

　　根据开关管的脉冲调制方式分为脉宽调制型，频率调制型，混合调制型。

　　脉宽调制型：通过改变开关管的导通时间来控制占空比，从而调节和稳定输出电压。

　　频率调制型：开关管的导通时间不变，通过改变开关管的脉冲频率来调节和稳定输出电压。

　　混合调制型：开关管的导通时间和脉冲频率都改变，没而来调节和稳定输出电压。

　　电源设计PCB布线：

　　1）芯片的电源引脚和地线引脚之间应进行去耦。去耦电容应贴近芯片安装，使去耦电容的回路面积尽可能减小。。

　　2）尽量加宽电源线、地线宽度，最好是地线比电源线宽。电源线应布1mm以上。

　　3）两层板表层走多条电源信号，另一层走多条地信号，让电源和地信号像“井”字形排列，基本上不走环线。

　　4）数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路，即构成一个地网来使用，模拟电路的地不能这样使用。

　　5）用大面积铜层作地线，在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用，或是做成多层板，电源和地线各占用一层。

　　6）一般都是就近接地，但要区分模拟和数字地：模拟器件就接模拟地，数字器件就接数字地；大信号地和小信号地也分开来。

　　7）同时具有模拟和数字功能的电路板，模拟地和数字地通常是分离的，只在电源处连接避免相互干扰。不要把数字电源与模拟电源重叠放置，否则就会产生耦合电容，破坏分离度。

　　8）应避免梳状地线，这种结构使信号回流环路很大，会增加辐射和敏感度，并且芯片之间的公共阻抗也可能造成电路的误操作。

　　9）选用贴片式芯片时，尽量选用电源引脚与地引脚靠得较近的芯片，可以进一步减小去耦电容的供电回路面积，有利于实现电磁兼容。板上装有多个芯片时，地线上会出现较大的电位差，应把地线设计成封闭环路，提高电路的噪声容限。

　　10）相同结构电路部分，尽可能使用“对称式”布局。