低功耗可调直流稳压电源解读.docx
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低功耗可调直流稳压电源解读
摘要
采用三端集成LM338正电压输出可调式稳压器和LM324运算放大器,输出电压在0~30V之间连续可调电压供功率放大器使用。
该稳压电源具有性能稳定,结构简单、电压、电流指标精度高,调节方便等优点。
三端可调稳压器具有体积小,稳定性高,输出阻抗小,温度性能好等优点。
但是在实际应用中,可调式稳压器随着输入—输出压差的增大,增大了稳压器的功耗,缩短了稳压器的使用寿命。
稳压器的功耗分为有载功耗和无载功耗,有载功耗大于无载功耗,这是在设计和使用稳压器时需要特别注意的。
稳压器工作时的功耗主要取决于稳压器调整管的压差和流经的电流。
所以在实际应用中,稳压器的压差应在允许值范围内越小越好。
为了实现电压连续可调,并降低稳压器的功耗,可采用外界取样电路,自动进行调控的设计方案。
输入电压分为几个档位,从而降低稳压器的压差,电路简单、调试方便。
价格低廉,并可大大降低稳压器的功耗,提高了稳压器的使用寿命和工作稳定性。
本文介绍了运算放大器对集成稳压器的输入—输出压差进行实时控制的基本原理,并介绍了30V/5A低功耗可调稳压电源的电路设计方法。
关键词:
稳压器;变压器;可调电源
ABSTRACT
Summaryofthree-TerminalintegratedLM338voltageadjustablevoltageregulatorandLM324op-ampoutputvoltageadjustable0~30Vvoltagefortheamplifiertouse.Theregulatedpowersupplywithstableperformance,simplestructure,highprecisionvoltageandcurrentspecifications,convenientadjustmentandsoon.
Three-Terminaladjustableregulatorwithsmallsize,highstability,smalloutputimpedance,temperatureaswellasgoodperformance.Butinpractice,adjustableregulatorwithinput-outputvoltageincreases,increasingthepoweroftheregulator,shorteningthelifespanoftheregulator.Regulator-powerisdividedintoon-loadandno-loadpowerconsumptionpowerconsumption,havepowergreaterthanthenoloadpowerconsumption,whichisdesignedandusedregulatorsneedtopayspecialattention.Regulatorpowermainlydependsonthevoltageregulatortoadjustwhenpipepressuredifferentialandflowthroughthecurrent.Soinpractice,differentialpressureregulatorshouldbewellwithintherangeofallowedvaluesissmaller.
Inordertoachievecontinuousvoltagecanbeadjusted,andreducepowerconsumptionbyregulators,usingoutsidesamplecircuit,automaticcontroldesign.Inputvoltageisdividedintoseveralstalls,therebyreducingthedifferentialpressureregulators,circuitissimple,easytodebug.Pricesarelow,andcangreatlyreducethevoltageofpowerconsumption,improvingthestabilityoftheregulator'slifeandwork.
Describestheintegratedoperationalamplifierinput-outputvoltageregulatorfundamentalsofpressuredifferencecontrolinrealtime,andintroducedthe30V/5Aadjustableregulatedpowersupplycircuitdesignmethodoflowpowerconsumption.
Keyword:
Regulators;Transformer;Adjustablepower
目录
1引言1
1.1论文研究背景与意义1
1.2本课题研究内容与目标1
2线性稳压器2
2.1线性稳压器的主要特点2
2.2标准集成线性稳压器的产品分类3
2.2.1三端固定式集成稳压器的分类及工作原理3
2.2.2三段可调式集成线性稳压器的分类及工作原理7
2.2.3多端集成线性稳压器11
2.2.4跟踪式正、负压对称输出集成线性稳压器11
2.2.5其他集成线性稳压器11
2.3集成稳压器的选择11
2.4集成稳压器的主要技术参数14
2.5线性稳压器外部保护电路工作原理16
2.5.1反向偏压保护16
2.5.2输出端反极性电压保护电路16
2.5.3瞬态过电压保护电路17
3其他元器件的选型19
3.1运算放大器19
3.1.1运算放大器的作用及工作原理19
3.1.2运算放大器构成的电压比较器19
3.1.3运算放大器LM32421
3.2开关三极管22
3.2.1开关三极管的简单介绍22
3.2.2开关三极管的工作原理23
3.2.3开关三极管的特点及应用23
3.3稳压二极管24
3.4电压继电器24
4稳压电路的设计26
4.1直流稳压电源的基本原理26
4.1.1直流稳压电源设计思路26
4.1.2直流稳压电源26
4.2可调试集成稳压电源的设计27
4.2.1.可调试三端集成稳压电源的设计基础27
4.2.2基本单元电路的设计30
4.2.3电路结构图设计31
4.2.4功耗计算33
4.2.5集成稳压器的散热器设计33
5电源的安装与仿真调试37
5.1元器件37
5.1.1.电解电容的引脚37
5.1.2.电阻37
5.1.3整流桥38
5.1.4二极管39
5.1.5三端可调稳压器39
5.2安装与调试39
6结语41
致谢42
参考文献43
附录一电器主接线图44
1引言
1.1论文研究背景与意义
随着电子技术的发展,电子设备在人们的生活和生产中的地位也越来越重要,许多的电子设备对所需的电源也提出了更高的要求。
而这其中相当多的电子设备不能直接使用公用电网提供的交流电源,而是需要稳定的直流电源,因此对直流电源的性能、体积、重量等的要求也不断提高,再加上当今世界能源贫乏,于是对稳压电源的功率损耗也提出了更严格的要求;同时,电子设备种类的不断增加,使得其对直流电源输出电压值、电流值的需求也越来越多。
从上世纪九十年代末起,随着对系统更高效率和更低功耗的需求,电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。
在80年代的第一代分布式供电系统开始转向到20世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构,直流/直流电源行业正面临着新的挑战,即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制。
早在90年代中,半导体生产商们就开发出了数控电源管理技术,而在当时,这种方案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处与劣势,因而无法被广泛采用。
由于板载电源管理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注,电源行业和半导体生产商们便开始共同开发这种名为“数控电源”的新产品。
现今随着直流电源技术的飞跃发展,整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制,从而使直流电源智能化,具有遥测、遥信、遥控的三遥功能,基本实现了直流电源的无人值守。
1.2本课题研究内容与目标
在业余条件下进行电子制作,拥有一个可调节输出电压的稳压电源是非常有用的,市面上所售的成品可调稳压电源价格一般都在百元以上,外表看上去是挺好看的,但对于业余电子爱好者来说,实用是最主要的。
本文介绍的这款可调稳压电源,采用三端集成LM338正电压输出输出的可调式稳压器来实现输出电压在0~30V之间连续可调电压供功率放大器使用。
要求器件具有足够的散热条件。
2线性稳压器
2.1线性稳压器的主要特点
稳压器使输出电压保持稳定的供电装置,根据调整管的工作状态,直流稳压电源可分为两类:
线性稳压电源和开关稳压电源。
此外,还有一种使用稳压管的小功率直流稳压电源。
线性稳压器(LinearVoltageRegulator,简称LinearRegulator),是最早使用的一中直流稳压电源,因其调整管工作在线性工作区而得名。
换言之,调整管的压降是连续可变的,它工作在线性状态,并且调整管的压降就等于输入电压与输出电压的差值。
与之相反,开关稳压器中的调整管(一般称作开关管)则工作在开、关(即通、断)状态下。
显然不属于线性电源。
线性稳压器的特点就是稳压性能好、输出波纹电压小、工作时产生的噪声低、响应速度快、电路简单,成本低廉。
标准线性稳压器主要缺点是调整管压降大,功耗高,容易发热,稳压电源的效率低,一般仅为35%-45%。
因此,线性稳压器特别适用于系统对电源效率要求不高,但要求低波纹、低噪声,例如射频电路。
高品质的音频及视频放大电路、模/数(A/D)转换器及数/模(D/A)转换器等领域。
集成化的标准线性稳压器与开关稳压器的比较,详见表2-1。
表2-1集成化的标准线性稳压器与开关稳压器的比较
稳压器类型
标准线性稳压器
开关稳压器
内部功能管的结构
双极型NPN达林顿调整管
双极型MOSFET功率开关管
控制特性
采用电流控制型
一般采用脉宽调制(PWM)型
电源噪声及输出波纹
电源噪声及输出波纹很低,特别适用于对噪声敏感的电子设备
输出噪声及波纹电压高,不适合用作射频装置(如手机)的电源
电磁干扰(EMI)
基本不产生电磁干扰
容易产生电磁干扰
稳压性能
稳压性能好
稳压性能较好
电压调整率
电压调整率SV可达0.02%
电压调整率一般为0.5%-2%
负载调整率
负载调整率SI可达0.1%
负载调整率一般为1%-5%
稳压器类型
标准线性稳压器
开关稳压器
瞬态响应速度
对负载变化的瞬态响应速度快
对负载变化的瞬态响应速度较慢
续表
稳压器类型
标准线性稳压器
开关稳压器
电源效率
由于调整管可能等效于一直可调电阻,电流流过时会发热,因此工作在线性状态下的调整管所产生的热量,导致电源效率不高。
标准线性稳压器的输入-输出压差大于2V,电源效率一般尽为40%左右
由于内部器件工作在高频开关状态,因此它本身消耗的能量很低,电源效率可比普通线性稳压电源提高将近一倍,一般为70%-90%
对电网的适应能力
对电网的适应能力较差,一般允许电网波动的范围是220V
10%
对电网的适应能力强,许多AC/DC变换器允许电网波动范围是85~265V
保护电路
一般具有过流保护、调整管安全工作区保护和过热保护电路
一般具有过电流、保护过热保护电路,有的还增加了过电压保护,欠电压保护、等电路
体积
需要安装尺寸较大的散热器,体积较大
安装密度高,体积小
2.2标准集成线性稳压器的产品分类
目前国内外生产的集成线性稳压器多达数千种,产品主要包括两种:
固定输出式(含三段固定式、多段固定式、低压差固定式),可调输出式(含三段可调式、多频段可调式、低压差可调式)。
按照输出电压的特点来划分,又有正压输出,负压输出,跟踪式正、负压输出共三种形式。
2.2.1三端固定式集成稳压器的分类及工作原理
美国仙童(Fairchild)半导体公司于20世纪70年代初首先推出μA7800系列和μA7900系列三段固定式集成线性稳压器。
它的问世是电源集成电路的一大革命。
它极大的简化了电源的设计与应用,能以最简方式(类似于三极管)接入电路,并具有较完整的过电流、过电压、过热保护功能。
目前,7800系列和7900系列已成为世界通用系列,也是用途最广、销量最大的集成线性稳压器。
其优点是使用方便,不需作任何调整,外围电路简单,工作安全可靠,适合制作通用型、标称输出的稳压电源。
其缺点是输出电压不能调整,不能直接输出非标称值电压,电压稳定度还不够高。
(1)三段固定式集成线性稳压器的产品分类
三段固定式集成线性稳压器的产品分类见表2-2。
表中。
冠以CW的为国标产品。
国外型号及主要生产厂家如下:
KA(美国飞兆公司)、LM(美国国家半导体公司NSC、飞兆公司)、μA(美国仙童公司、TI公司)、MC(美国摩托罗拉公司、安森美公司)、TA(日本东芝公司)、μPC(日电NEC)、KIA(韩国KEC公司)、HA(日立)、L(意-法半导体有限公司ST)。
目前,国产7800系列中没有7、8、10V这三种规格。
表2-2三段固定式集成稳压器产品分类
特点
国产系列或型号
最大输出电流IOM(A)
输出电压UO(V)
国外对应系列或型号
正压输出
CW78L00系列
0.1
5、6、7、8、9、10、12、15、18、20、24
LM78L00,μA78L00,MC78L00
78N00系列
0.3
μPC78N00,HA78N0
CW78M00系列
0.5
LM78M00,MC78M00L78M00,TA78M00
CW7800系列
1.5
5、6、7、8、9、10、12、15、18、20、24
LM7800,MC7800,
L7800,TA7800,
HA7800,KA7800
KIA7800
78DL00系列
0.25
5、6、8、9、10、12、15
TA78DL00
特点
国产系列或型号
最大输出电流IOM(A)
输出电压UO(V)
国外对应系列或型号
正压输出
CW78T00系列
3
5/12/18/24
MC78T00
CW78H00系列
5
5、12、24
μA78H00
78P00系列
10
5、12
μA78P05,LM396,
μA78P12
-
1
5、12、15
LM140,LM340
续表
特点
国产系列或型号
最大输出电流IOM(A)
输出电压UO(V)
国外对应系列或型号
负压输出
CW79L00系列
0.1
-5、-6、-8、-9、-12、-15、-18、-24
LM79L00,MC79L00
79N00系列
0.3
μPC79N00
CW79M00系列
0.5
LM79M00,MC79MOO,TA79M00
CW7900系列
1.5
LM7900,MC7900
-
1.5
-5、-12、-15
LM120,LM320
(2)7800系列三段固定式线性稳压器的工作原理
7800系列束宇正压输出式线性稳压器,即输出端对公共段(地)的电压为正,这是目前最流行的一种线性稳压器。
7800系列的最大输出电流为1.5A(部分产品为1A),峰值电流可达3.5A(或2.2A)。
7805-7818的最高输入电压为35V,7824的最高输入电压为40V。
最小输入——输出电压差为2V,为工作可靠期间,一般应选4-6V。
输出电压值允许有
5%的偏差,电压调整率SV=0.1%,负载调整率SI=0.8%。
以国产CW7800系列产品为例,其主要技术指标见表2-3。
表2-3CW7800系列的主要技术指标
参数名称
符号
单位
7805C
7806C
7809C
7812C
7815C
7818C
输入电压的典型值
UI
V
10
11
14
19
23
26
推荐输入电压范围
ΔUI
V
8~12
9~18
12~20
16~22
20~26
22~28
最小输入电压
UI(MIN)
V
7
8
11
14
17
20
最大输入电压
UI(MAX)
V
35
35
35
35
35
35
参数名称
符号
单位
7805C
7806C
7809C
7812C
7815C
7818C
允许输入电压偏差
-
%
5
5
5
5
5
5
电压调整率
SV
(ΔUO)
mV
25
30
45
60
75
90
负载调整率
SI(ΔUO)
mV
100
100
100
120
150
180
续表
参数名称
符号
单位
7805C
7806C
7809C
7812C
7815C
7818C
波纹抑制比
SR
dB
40
50
70
100
150
150
输出噪声电压
UR
mV
46
50
60
75
90
110
输出阻抗
ZO
mΩ
17
17
17
18
19
22
最大额定输出电流
IOM
A
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
峰值输出电流
IOP
A
3.5
3.5
3.5
3.5
3.5
3.5
输出电压温漂
ST
mV/℃
-1.0
-1.0
-1.0
-1.2
-1.5
-1.8
根据器件本身功耗的大小,7800系列产品封装形式主要有TO-220塑料封装、TO-3金属壳封装,二者最大允许功耗(PDM)分别为10、20W(安装合适的散热器)。
7800系列的引脚排列分别如图2-1所示。
INPUT(UI)为输入端,OUTPUT(UO)为输出端,GND是公共端(地)。
图2-17800系列产品封装形式
7800系列集成线性稳压器的内部框图如图2-2所示。
主要包括启动电路、基准电压源、恒流源、误差放大器、NPN型调整管、调整管安全工作区保护电路、过热保护电路、取样电路(R1和R2,其中R2为固定值,R1的阻值与产品型号有关)。
此外还有过流保护电路(图中未画)。
启动电路仅在刚通电时起作用,帮助恒流源建立工作点,一旦线性稳压器工作正常后消失。
7800系列采用带隙基准电压源。
它首先通过电阻R1、R2获得取样电压UQ,再经过误差放大器进行电压比较和放大,输入误差电压Ur,然后用Ur去调节调整管的压降,从未达到稳压目的。
图2-27800系列集成稳压器内部框图
当由于某种原因导致UI升高时,UO也按比例地升高,进而使UQ升高,Ur降低,NPN型调整管的基极电位UB也随之降低,使输出电压UO降低,最终可维持UO不变。
其稳压关系可表达为
UI↑→UO↑→UQ↑→Ur↓→UB↓→UO↓
反之UI↓→UO↓→UQ↓→Ur↑→UB↑→UO↑
同理,当负载电阻RL发生变化时
RL↓→UO↓→UQ↓→Ur↑→UB↑→UO↑
反之RL↑→UO↓→UQ↓→Ur↑→UB↑→UO↑
这就是7800系列集成线性稳压器的稳压原理。
对7800系列集成线性稳压器而言,其电位分布如下
UI>UO>UGND(0V)
其电流途径为:
UI→内部调整管→UO→外部负载RL→GND。
输出电流IO是从UO端流出的。
2.2.2三段可调式集成线性稳压器的分类及工作原理
这是20世纪70年代末至80年代初发展起来的、由美国国家半导体公司(NSC)首创的第二代三端集成线性稳压器。
它既保留了三段固定式线性稳压器结构简单之优点,又克服了电压不可调整的缺点,并且在电压稳定度上比前者提高了一个数量级。
适合制作实验室电源及多种供电方式的直流稳压电源。
他也可以设计成固定式输出,以代替三段固定式线性稳压器,进一步改善稳压性能。
(1)三段可调式集成稳压器的产品分类
三段可调式集成线性稳压器的产品分类见表2-4,W表示国内厂标。
表2-4三段式可调集成稳压器的产品分类
特点
国产型号
最大输出电流IOM(A)
输出电压UO(V)
国内对应系列或型号
正压输出
CW117L/217L/317L
0.1
1.25~37
LM117//217L/317L
CW117M/217M/317M
0.5
1.25~37
LM117M/217M/317M
CW117/217/317
1.5
1.25~37
μA117,LM117,TA117,μPC117
CW117HV/217HV/317HV
1.5
1.25~57
LM117HV/217HV/317HV
W150/250/350
3
1.2~33
LM150/250/350
W138/238/338
5
1.2~32
LM138/238/338
W196/296/396
10
1.25~15
LM196/296/396
-
0.7
+1.25~125V
TL783(高压线性稳压器)
特点
国产型号
最大输出电流IOM(A)
输出电压UO(V)
国内对应系列或型号
负压输出
CW137L/237L/337L
0.1
-1.25~-37
LM137L/237L/337L
CW137M/237M/337M
0.5
-1.25~-37
LM337M/237M/337M
CW137/237/337
1.5
-1.25~-37
LM137,TA137,SG137,FS137,μPC137
-
3
-1.25~-32
LM133,LM333
(2)三段可调式线性稳压器的工作原理
尽管三段固定式线性稳压器的问世极大的简化了线性稳压电源的设计与制作,但其输出电压是固定的,使用时仍有不便。
三段固定式线性稳压器虽然也能接成可调式输出,却需要增加外部元器件,这会导致稳压性能降低。
人们期待有一种可调式三段线性稳压器,美国国家半导体公司首创的三段可调式线性集成稳压器正好满足了这一需要。
由于它稳压性能好,输出电压连续可调,因此被誉为第二代三段线性稳压器,可构成各种精密可调的线性稳压电源。
下面以LM317为例介绍一下三段可调式线性稳压器。
LM317型三段可调式集成线性稳压器的引脚排列及内部结构框图如图2-3所示,adj为调整端。
TO-220封装和TO-3封装的最大允许功耗分别为7.5、15W(安装合适的散热器)。
与7800系
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