整机供电电源设计总结剖析.docx
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整机供电电源设计总结剖析
整机电源设计一，设计主要流程
图1
二，基本模型
图2
1.电源变压器的选择：
选择合适的变压器对电源的稳定性有一定的影响，而且对稳压模块也有一定的保护，如果变压器输出的电压远远大于稳压模块的稳压值，会降低稳压模块的使用寿命，严重的时候会损坏稳压模块；如果变压器的电压小于稳压模块的电压，可能使稳压模块失去稳压作用。
如果制作正负电源时，还要选择合适的双副边绕组变压器（如图3）。
图3
2.整流电路
整流电路可分为单相半波整流电路和单相桥式整流电路。
单相半波整流电路是最简单的一种整流电路（如图4），在变压器的正半周期，二极管处于导通状态，而在负半周期，二极管处于截止状态。
负载电阻上的电压和电流都具单一方向的脉动方向。
单相半波整流电路的主要参数：
图4
研究整流电路时，应考察整流电路的输出电压平均值和输出电流平均值两项指标，有时也考虑脉动系数，以便反映输出波形脉动的情况。
输出电压平均值为
Uo（AV=0.45U2
输出电流平均值为
Io（AV=
L
Uo（AV
0.45U2=RL
整流输出电压的脉动系数S定义为整流输出电压的基波峰值UO1M
与输出电压平均值
Uo（AV之比，即
UO1M
S=
Uo（AV
故半波整流电路输出电压脉动系数
S=1.57
说明半波整流电路输出电压脉动很大，其基波峰值约为平均值的1.57倍。
注意：
选择二极管时要给二极管的正向平均电流和最大反向电压留有余量。
（一般为1.1倍的变压器副边电压峰值）
单相半波整流电路的优缺点：
单相半波整流电路简单易行，所用二极管数量少。
但是它们利用了交流电压的半个周期，所以输出电压低，交流分量大（即脉动大），效率低。
因此，这种电路仅适用于整流电流较小，对脉动要求不高的场合。
单相桥式整流电路
单相桥式整流电路有四只二极管组成，其构成原则就是保证在变压器副边电压的整个周期内，负载上的电压和电流方向始终保持不变。
如图5
图5
输出电压平均值为单相半波的二倍，同理，输出电流也为单相半波的二倍（负载电阻相同）。
根据谐波分析，桥式整流电路的基波U
O1M
的角频率是
u2
的2倍，即100HZ。
故单相桥式整流电路的脉动系数为
S=0.67
注意：
单相桥式整流电路和单相半波整流电路相比，在相同的变压器副边电压下，对二极管的参数要求是一样的，并且还具有输出电压高，变压器利用率高，脉动小等优点。
三.滤波电路
整流电路的输出电压虽然是单一方向的，但是含有较大的交流分量，不能适应大多数电子电路及设备的需要。
因此，在一般的整流后，还需利用滤波电路将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。
与用于信号处理的滤波电路相比，直流电源中滤波电路的显著特点是：
均采用无源滤波电路；理想情况下，滤去多有交流成分，而保留直流成分；能够输出较大的电流。
电容滤波电路
在整流电路的输出端（即负载电阻两端）并联一个电容急构成电容滤波电路。
在整流桥的输出端所并联的电容的容量较大，因而一般采用电解电容，在接线时要特别注意电解电容的正负极。
电容滤波电路利用了电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑。
电容滤波电路的优缺点：
利用电容滤波电路后输出电压不仅变得平滑，而且平均值也得到了提高。
电容充电时，回路电阻为整流电路的内阻，急变压器内阻和二极管的导通电阻之和，其数值很小，因而时间常数很小。
电容放电时，回路电阻为负载电阻，放电时间常数通常大于充电时间。
因此，滤波效果取决于放电时间。
电容愈大，负载电阻愈大，滤波后输出电压愈平滑，并且平均值愈大。
为了获得较好的滤波效果，在实际电路中，应选择滤波电容满足以下关系式：
RL（3-5T/2
=
注意：
由于采用电解电容，考虑到电网电压的波动范围为正负10%，电容的耐压值应大于1.1倍的变压器副边电压峰值。
在半波整流电路中，为获得较好的滤波效果，电容容量应选得更大些。
附加：
如果电网电压经过变压器变压后，不能达到想要得到的输出电压，可以采用倍压电路。
具体内容见模电教程526页。
电感滤波电路
当电路中的电流很大时，即负载电阻很小时，若这时候还采用电容滤波电路，则电容容量势必很大，而且整流二极管的冲击电流也非常大看，这就使得整流管和电容器的选择变得困难，甚至不可能，在此情况下应采用电感滤波。
而且所选电感线圈的电感量要足够大，所以一般采用有铁心的线圈。
电感滤波的优点：
经电感滤波后，不但负载电流及电压的脉动减小，波形变的平滑，而且整流二极管的导通角增大。
其它滤波电路
LC滤波电路；π型滤波电路
三.稳压电路部分
常用的稳压模块为78XX和79XX系列稳压模块，其中78XX稳压模块输出正电压，79XX稳压模块输出负电压。
1.外形以及引脚分配X78XX稳压模块：
分类：
X7805X7806X7808X7809X7810X7812X7815X7818X7824
引脚区分：
正面对着自己，从左到右依次为123（输入，公共端，输出）注：
每一种类型的稳压块的最大输出电流不同。
LM7912稳压模块：
引脚分配：
1引脚为接地端，2引脚为输入端，3引脚为输出端
注意：
金属菱形式三端稳压器引脚的区分很重要，其中的两个引脚给出，第三个引脚为稳压器的外金属壳。
具体分布需查资料。
2.给出几种应用电路
应用这些电路时，注意各个稳压芯片的引脚分配，电解电容的正负极接法，在做正负输出电压源时，注意变压器的接法，其中，变压器的中心抽头做电路的公共端，其余两端分别接到整流电路里。
整流电路的输出端的正极接到正稳压块，负极接到负稳压块的输入端。
（制作双极性电压源必须用带有中心抽头的变压器）
图7为输出正5伏的电压源PCB原理图
此电路的功能是输出正5伏的直流电压，并且输出电流得到了扩大，此电路中加了一个大功率三极管为负载提供大的电流，电路中的二极管用以补偿三极管发射结电压Ube，使电路的
输出电压Uo基本上等于三端集成稳压器的输出电压。
只要适当选择二极管的型号，并且通过调节电阻R的阻值以改变流过二极管的电流，即可得到：
UDUbe
=
输出电压的扩展：
扩压输出电压计算公式：
输出电压为双极性电压源的设计：
注意：
此电路的输入端一定控制不要有一端接触不好或者断路，否则输出端的电容会放电损212211（（RIURRRIRUUUQXXQXXXXO++=++=XXOURRU1（12+≈
坏稳压器，必要时可以在输出端放两个二极管进行保护作用。
可调稳压器的使用：
LM317可调稳压块：
引脚分配：
1引脚为调整端，2引脚为输出端，3引脚为输入端
输出电压范围为1.5-32V
注：
输入电压一定要比输出电压高2伏。
注：
如果为2引脚封装，则外壳为输出端，
KA337可调稳压块：
引脚分配：
1为调整端，2为输入端，3为输出端
注：
输出电压为负电压。
范围为-1.2V--37V
用LM317和LM117可以构成正负可调的直流电压源，或者用LM317和KA337也可以构成输出双极性的电压源。
通用计算输出电压的公式为：
1（25.11（11RRIRURRUWREFO+≈++=
一般R1的取值在240欧姆左右，同时R1还有限流做用。
可调稳压器的引脚分配：
W117/217/317的引脚分配W137/237/337的引脚分配
为消除Rw的影响，可以采用稳压管代替电阻Rw，如图8.9所示，R3用以微调输出电压。
图8.10是典型应用，图中D1、D2为保护二极管，一旦输入短路时，C3上的电压通过D1放电保护稳压块，而D2则为的C2放电通路。
稳压二极管代替Rw的电路可调稳压电路
输出电压连续可调，可正、可负的稳压电源可以用LM117和LM137来实现，如图8.11所示。
图中的R1、R2应选精度1%的电阻，该电路输出电压调节范围20~25.1（±±V，输出电流1A。
68（1（（23-++=RRUUUZREF
O
独立电源供电的考虑
通常，电子系统由控制部分、信号处理部分、输出（驱动）部分组成，如图8.34（a）所示。
从电子系统角度看，为避免由电源串入的干扰，各部分应分级用独立电源供电。
何为独立电源？
一般而言，设一个变压器有n个副边，若每个副边均挂整流、滤波、稳压电路，该电源的每一路输出均为独立电源，如图8.34（b）所示。
（a）一般电子系统（b）n路独立电源
图8.34独立电源供电
当然，亦可每路独立电源均由单独变压器产生，效果更好，只是成本增加。
3.2数字电路与模拟电路供电的考虑
如果你所设计的是较简单的系统，可以采用单路电源供电；如果你所设计的是数字、模拟、单片机控制的混合系统，这时就要考虑采用多路电源供电，例如单片机部分用+5V供电，数字、模拟两部分也分别供电，而且分别设置“数字地”和“模拟地”，即数字电路“地”都接数字电源的“地”，模拟电路的“地”都接模拟电源的“地”。
当然，两个“地”最后还是要连到一起的，只不过在设计电路板时将各自的“地”集中在一起，或分成两块电路板。
但仅有一个共地点把“模拟地”和“数字地”连起来，如图8.35所示。
图8.35电路共地
这样可以有效地克服信号通过电源或“地”的串扰，这种考虑又称为可靠性设计。
如果你所设计的系统既需要多路电源，还需要正、负电源，这时情况就更为复杂。
这就要求在设计系统的同时，也一并考虑供电，能用单电源就不用双电源，能用单路供电就不用多路供电，使供电尽可能简化。
这里提及的多路电源是指多路各自独立的电源，并非一路电源派生出的多路。
多路电源可以出自于一个电源变压器，一个原边，多路副边，每路副边都有整流、滤
波、稳压，这种形成的电源是各自独立的。
当然也可由多个电源变压器来产生，效果更好。
例如信号处理部分用一个小功率电源变压器，功率电路部分用一个较大功率的电源变压器。
至于是采用线性电源还是开关电源，视情况而定，在负载较重的情况下，采用开关电源效率较高。
对供电电源的要求是：
■电源的容量（输出功率）应视负载的大小留有一定的余量。
■电源的内阻尽量小，稳压范围宽。
■电源输出电压的纹波应尽量小。
3.3退耦滤波电路的考虑一个电路可能由多个单元组成，当用一个电源为多单元电路供电时，就应设置退耦滤波器。
退耦滤波器可以有效地克服各单元信号通过电源干线引起的相互干扰。
退耦滤波器很简单，通常由一个电阻（或电感）与一个电容构成，分别称RC或LC退耦滤波器，每个退耦滤波器称为“一节”，在供电时，视需要可设置多节退耦滤波器。
在用退耦滤波器为电路供电时，又分为串联馈电和并联馈电两种情况，如图8.36所示。
（a）串联馈电（b）并联馈电图8.36退耦滤波器馈电对退耦滤波器作几点说明：
●图中给出的是二节退耦滤波器给三个单元供电，通常未级（单元3）Vcc直接供电，由前面各级用退耦滤波供电。
R一般电阻取值范围5.1Ω~100Ω，C1、2取值100μF~470C●R1C1、2C2为退耦滤波器，μF均可。
通常在分析电路时认为Vcc端子就是交流“地”，为什么？
退耦电容C的意义不言而喻。
●有时退耦电阻可用电感L取代（特别在高频电路中），这时串联馈电和并联馈电所需的L是有区别的。
串联馈电所需的电感量较小，如果电路的工作频率在0.5MHz以下，L取1~10mH，工作频率越高，电感量越小，如工作频率20MHz时，L取值15~50μH。
并联馈电L取值应远大于单元电路中调谐回路的电感量，取调谐回路电感量的10~20倍或更大些。
如果被供电的单元电路是普通的低频电路，则无论串联馈电还是并联馈电，取值在几mH~L十几mH均可。
L可采用现成的色码电感，亦可用漆包线在圆柱体磁芯上或金属膜电阻（阻值大于100kΩ）上乱绕而成。
使用中除了注意电感量外，对Q值要求不高，还应注意工作电流较大时，退耦电感留有电流余量，退耦电阻留有功率余量。
有时退耦电容可与稳压二极管并联，特别是前端电路，对噪声、干扰要求比较严格，并上稳压管有稳压作用。
在高频电路中，退耦电容常常用“一大一小”二个电容并联，例如大电容用100μF，小电容用0.01μF。
为什么这样？
是因为大电容具有电感效应，对高频滤波不利，用小电容克服电感效应。
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