直流稳压电源的分析与设计优化

知识应用

直流电源是电子设备的能源，是所有电路的基石。电子设备中的直流电源一般是由交流电网供电，经整流、滤波后得到直流电。但这种直流电源的性能很差，输出电压不稳定，不能直接用于电子设备中。为了提高直流电源的稳定性，需要引入稳压电路。一般直流稳压电源可以由变压、整流、滤波和稳压四部分组成。

什么样的电路能够将交流电转变为直流电呢，图5.31所示为线性直流稳压电源的原理框图，直流稳压电源主要由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等环节组成。

如图5.31所示，电网供给的交流电压u1（220 V、50Hz）经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压u2，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的单相脉动的直流电压U3，再经滤波电路滤去其交流分量，就可得到比较平滑的直流电压U4。但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输出直流电压U5更加稳定。

图5.31　直流稳压电源框图

直流稳压电源的种类很多，有由分立元件组成的直流稳压电路和集成稳压电路。集成稳压电路体积小，使用调整方便，性能稳定，而且成本低，因此应用日益广泛。

集成稳压电路的类型也很多，按其内部的工作方式可分为串联型、并联型、开关型；按其外部特性可分为三端固定式、三端可调式、多端固定式、多端可调式、正电压输出式、负电压输出式；按其型号分类又有CW78系列、CW79系列、W2系列、WA7系列、WB7系列、FW5系列、17/37系列等。

电源电路看似简单，但要做好却不容易。电源设计需要考虑输出的功率要足够，电源的转换效率要高，稳压电路对输入电压的波动适应性要好，输出直流电的纹波要小等指标。

1.直流稳压电源的主要技术指标

1）特性指标

特性指标指表明稳压电源工作特征的参数，如输入输出电压及输出电流、电压可调范围等。

2）质量指标

质量指标指衡量稳压电源稳定性能状况的参数，如稳压系数、输出电阻、纹波电压及温度系数等。下面分别说明如下。

（1）稳压系数γ。它指通过负载的电流和环境温度保持不变时，稳压电路输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比，即

γ 的数值越小，输出电压的稳定性越好。

（2）输出电阻ro。它指当输入电压和环境温度不变时，输出电压的变化量与输出电流变化量之比，即

（3）纹波电压S。它指稳压电路输出端中含有的交流分量，通常用有效值或峰值表示。

S值越小越好，否则影响正常工作，如在电视接收机中表现交流“嗡嗡”声和光栅在垂直方向呈现S形扭曲。

（4）温度系数ST。它指在输入电压和负载电流都不变的情况下，单位温度变化所引起的输出电压的变化，即

2.设计过程举例

1）稳压电源设计指标要求

设计一个线性直流稳压电源，技术指标要求如下。

（1）交流输入电压 220 V±10%，50Hz。

（2）直流输出电流Io=1 A。

（3）直流输出电压Uo=15 V±5%。

（4）交流纹波＜5 mV。

2）方案分析

最常用的线性直流稳压电源的组成框图如图5.32所示。

图5.32　线性直流稳压电源组成框图

（1）变压器部分。

其作用是把电网上的220 V交流电压u1通过变压器变成所需要的电压值。变压器输出电压要考虑既能满足市电波动引起的电压下跌的影响，还要考虑到集成稳压块两端的压差不能太大，以免增加集成稳压块自身的功耗。变压器原边电压为220 V±10%、50Hz交流电，副边交流输出电压需要根据直流输出电压值，在交流电网电压220 V向下波动10%的情况下，仍然能满足稳压集成电路稳定工作的最小压差，同时要考虑整流滤波电路的电压系数，以及小型变压器的转换效率η（为变压器副边与原边的功率之比）等几方面综合之后确定副边交流输出电压。输出额度电流为1 A，根据以上数据选择变压器功率和型号。

小型变压器效率表见表5.3。

表5.3　小功率变压器效率表

（2）整流部分。

整流电路将交流电压u2变换成脉动的直流电压。整流电路一般选用桥式整流电路，这种整流电路效率高，在输出相同电压、功率的情况下，变压器的副边可以比全波整流电路减少一半绕组，节约了铜材。桥式整流二极管的选择条件参照任务5.1中式（5.6）和式（5.7）。

（3）滤波部分。

采用电容滤波，作用是减小经过整流的直流电的脉动成分，保持一定的输出电压平均值。根据负载的大小，选择电容的容量。滤波电容容量的选择条件参照任务5.1中式（5.8）。再根据交流电网电压220 V在向上波动10%的情况下，副边电压经整流滤波，空载时的直流峰峰值电压，加上一定的耐压余量，在电容的耐压等级里选择耐压值，一般耐压值取1.5～2倍的U2（即变压器副边电压有效值）。

（4）稳压部分。

固定式线性集成稳压器的分类和主要参数。

① 输出正负极性分类。三端固定式线性集成稳压器有输出正电压的78××系列和输出负电压的79××系列。

② 输出电压、电流的表示。国产三端固定式集成稳压器输出电压有5 V、6 V、9 V、12 V、15 V、18 V、24 V等7种。最大输出电流大小用字母表示，字母与最大输出电流对应表见表5.4。

表5.4　集成稳压器字母与最大输出电流对应表

③ 器件型号规格示例。CW7805为国产三端固定式集成稳压器，Uo为+5 V，Iom为1.5　A；LM79M9为美国国家半导体公司生产，Uo=-9 V，Iom=0.5A。

④ 三端固定式集成稳压器的管脚排列。三端固定式集成稳压器的封装及管脚排列如图5.33所示。

图5.33　三端固定式集成稳压器封装及管脚排列

（a）TO-92（S-1）；（b）TO-202（S-6B）；（c）TO-220（S-7）；（d）TO-3（F-2）

由于是固定输出电压，可以选择固定输出正电压的稳压集成块LM78××系列。需要注意的是，凡是大电流工作的稳压集成块，正常工作时都必须加一定尺寸的散热片辅助稳压集成块散热。

LM78××功耗估算，即

P=(UI-Uo)Iomax

为使LM78××的结温不超过规定值125 ℃，必须按手册规定安装散热片。

在设计PCB板时要根据散热片的位置与大小，预留出安装散热板的位置。

3）单元电路设计

直流稳压电源的一般设计思路：由输出电压Uo、输出电流Io确定稳压电路形式，通过极限参数（电压、电流和功耗）选择器件；由稳压电路所要求的直流电压、直流电流输入确定整流滤波电路的形式，选择整流二极管及滤波电容，并确定变压器的副边电压的有效值、电流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的散热措施。

由设计指标要求设定直流稳压电源由桥式整流、电容滤波和CW7815稳压器组成。电路原理如图5.34所示。

图5.34　固定式直流稳压电源原理

为了保证稳压器正常工作，在输入与输出两端必须有3～5 V（通常选中间值4 V）以上的电压差。因为稳压电源的调整管所承受的功率是输入与输出的电压差乘以通过的电流。所以，如果压差太大，会造成调整管的功耗偏大。压差太小则无法稳定输出电压。

（1）器件选择。

电路参数计算如下。

① 确定稳压电路的输入直流电压U4（即整流滤波电路输出电压），即

U4≈Uo+(UI-Uo)=15+4=19 V(www.xing528.com)

② 确定电源变压器副边电压、电流及功率。因为采用的是桥式整流滤波电路，所以由式（5.14），变压器副边电压为

实际工作中还应考虑整流二极管的导通压降，即2U′=16+2Ur=17.4V≈18 V。

考虑在输入电网电压220 V向下波动10%的情况下，应满足工作条件，则有

故实际变压器输出电压选U2=20 V。

变压器副边电流I2≥Iomax，取I2为1.1A。

所以变压器副边视在功率为P2=22 VA。

根据表5.3，变压器的效率η=0.7，则原边功率P2≥31.4W。由上分析，可选购副边电压为20 V，输出1.1A，功率为35 W的变压器。

③ 选择整流二极管VD1～VD4及滤波电容C1。因为桥式整流电路中，流过每只二极管的电流Io是负载电流的一半，所以

考虑到电网电压波动最大值，每只管子上的最大反向电压为

若选用4只1N4001二极管，其极限参数为：最大整流电流ID=1 A，最高反向工作电压URM=50 V。

由式（5.12）可得滤波电容C1的容量为

电容器的耐压为

因而确定选用4 700μF/50 V的电解电容。

（2）稳压器功耗估算。

当输入交流电压向上波动10%时，稳压器输入直流电压最大，即

UImax=1.1×1.2×20=26.4V

所以稳压器承受的最大压差为26.4-15=11.4V

最大功耗为：（UImax-Uo）×Iomax=11.4×1.1=12.54（W）

故应选用散热功率为大于12.54 W的散热器。

（3）其他措施。

输入端的电容C2作用是在输入线较长时抵消其感应效应，防止产生自激振荡；输出端的C3是为了消除电路的高频噪声，改善负载瞬态响应；C4是减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。C2、C3和C4主要根据工程经验得到，C2一般取0.1～1 μF，C3一般取0.1μF，C4一般取10 μF。但接上C4后，集成稳压器的输入端一旦短路，C4将对稳压器的输出端放电，其放电电流可能会损坏稳压器，故在稳压器的输入端和输出端之间接一只保护二极管VD5。

3.仿真分析直流稳压电源

1）测试器材

Multisim 2010软件1套。

2）任务实施步骤

按图5.35所示画好仿真电路。用虚拟示波器分别观察整流、滤波、稳压后的输出波形。

图5.35　直流稳压电源电路仿真

3）任务完成结论

（1）在一定的限制范围内，输入电压或者负载发生变化时，输出电压变化较___（大、小），集成稳压器起到稳压作用，输出为____V左右。

（2）输入电压或者负载的变化如果超越了限制范围，则集成稳压器___（能、不能）稳压。输入电压比输出电压至少高______V，集成稳压器才能正常工作。

（3）比较集成稳压器与稳压管稳压电路的测量结果，集成稳压器的稳压效果_______（好、差）。

（4）直流稳压电源电路___（能、不能）获得稳定的直流电压，电路包括4个组成部分，分别为___________、___________、___________、___________。

自测习题

1.填空

直流稳压电源一般由___________、___________、_______________和______________四部分组成。

2.判断

（1）变压器不仅改变交流信号的性质，还改变信号的幅度。（　　）

（2）整流电路改变了信号的性质，将交流转变成了直流。（　　）

3.选择

直流稳压电源中滤波电路的目的是（　　）。

A. 将交流变为直流　B. 将高频变为低频　C. 滤掉交流成分

自测习题答案