直流穩(wěn)壓電源制作與管理方法

摘 要：本文詳細(xì)介紹了直流穩(wěn)壓電源的制作、檢測(cè)與管理方法。首先介紹了直流穩(wěn)壓電源主電路、控制電路以及簡單保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。其次提出了一種適合于有多路電壓輸出的復(fù)雜電源系統(tǒng)中，各個(gè)直流電壓的有無檢測(cè)和管理方法，可提高電壓輸出檢測(cè)效率和實(shí)現(xiàn)電源管理自動(dòng)化。最后總結(jié)了在該電源的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)過程中遇到的一些具體問題及解決方法。將該直流穩(wěn)壓電源投入現(xiàn)場(chǎng)使用后，其輸出電壓穩(wěn)定、帶載能力較強(qiáng)、管理方便快捷，滿足了設(shè)計(jì)要求。

1. 引言

所有的電子設(shè)備都必須在電源電路的支持下才能正常工作，存在著共同的電路—電源電路。基于大多數(shù)電子元件的特性，電子設(shè)備大多對(duì)電源電路要求能夠提供持續(xù)穩(wěn)定的、滿足負(fù)載要求的直流電能。因此直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)在電子產(chǎn)品開發(fā)的過程中占有十分重要的地位。本論文主要介紹直流穩(wěn)壓電源的制作方法和電子設(shè)備復(fù)雜電源系統(tǒng)中多種制式直流電壓高效率、低成本的檢測(cè)與管理方法。

2. 直流穩(wěn)壓電源制作

直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)一般包括變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個(gè)基本環(huán)節(jié)。為了提高電源的質(zhì)量及其可靠性，需對(duì)電源輸出電壓進(jìn)行采樣、比較、放大，并用此誤差放大信號(hào)來調(diào)節(jié)其輸入電壓，使得負(fù)載變化時(shí)輸出電壓保持穩(wěn)定。此外，為了提高電源的使用安全性能，需設(shè)計(jì)簡單可靠的過壓過流保護(hù)電路，防止電壓電流過大時(shí)損壞負(fù)載元件。以下將從電源主電路、控制電路、保護(hù)電路設(shè)計(jì)等3個(gè)方面簡要介紹直流穩(wěn)壓電源的制作方法。

A.主電路設(shè)計(jì)

主電路部分設(shè)計(jì)主要包括電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)(圖1)。變壓器把高壓交流電變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟?整流器把交流電變?yōu)槊}動(dòng)直流電;濾波器濾除直流中的交流成分;穩(wěn)壓器把波動(dòng)較大的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出(圖2)。

圖1 主電路組成示意圖

圖2 電路輸出波形圖

變壓器的工作原理是基于電磁感應(yīng)定律進(jìn)行電壓、電流、阻抗變換。在直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)中，電源變壓器一般是將單相工頻交流220V電壓轉(zhuǎn)換成電壓較低的交流電以滿足后續(xù)電路的需要。根據(jù)電路所要求輸出的直流電壓和電流值來確定電源變壓器次邊的抽頭個(gè)數(shù)和各個(gè)抽頭應(yīng)輸出的電壓和功率。此外，為了減小電源變壓器的體積和重量，宜選用高頻電源變壓器。

利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒔涣麟妷鹤儞Q為單向的直流電壓稱之為整流。實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)所制作電源要求的輸出精度和質(zhì)量特性選擇合理的整流方式。

直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)中一般利用電感、電容等儲(chǔ)能元件兩端電壓不能突變的特性對(duì)交流電壓進(jìn)行濾波，從而輸出波動(dòng)較小的直流電。通過濾波輸出的直流電仍含有較多的交流成分，因此不能直接加在負(fù)載兩端，需對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)壓。穩(wěn)壓管反向擊穿時(shí)，在一定的電流范圍內(nèi)表現(xiàn)出穩(wěn)壓特性，因此可用來穩(wěn)定直流輸出電壓。然而其電源穩(wěn)定性較差，輸出精度較低，因此一般選用輸出穩(wěn)定可靠的三端集成穩(wěn)壓器，在滿足電源設(shè)計(jì)要求的前提下還可縮短設(shè)計(jì)周期、降低設(shè)計(jì)成本。

B.控制電路設(shè)計(jì)

僅有以上四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成的穩(wěn)壓電源帶載能力較差，當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)輸出電壓會(huì)降低，不能滿足大多數(shù)電子元件工作的電源要求。一般通過閉環(huán)反饋控制和擴(kuò)大輸出電流來提高電源性能。

為了保證電源的輸出電壓不會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化，應(yīng)使電源自身具有反饋調(diào)節(jié)能力，其原理如圖3所示。

圖3 閉環(huán)穩(wěn)壓電源框圖

當(dāng)負(fù)載兩端電壓發(fā)生變化時(shí)，電阻網(wǎng)絡(luò)的采樣電壓隨之改變，將此采樣的電壓值與給定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，并將此微弱的誤差信號(hào)進(jìn)行放大進(jìn)而調(diào)節(jié)控制元件的工作狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)負(fù)載兩端的電壓，使其保持穩(wěn)定?？刂圃?yīng)選用工作狀態(tài)可調(diào)節(jié)的元件，如三極管，其發(fā)射極電流會(huì)隨著基極電流的變化而改變，因此通過控制三極管基極的電壓即可調(diào)節(jié)三級(jí)管的導(dǎo)通程度，從而可調(diào)節(jié)電路的輸出電壓使其滿足要求。

此外，為了提高電源的帶載能力，可采用三極管將電源的輸出電流進(jìn)行擴(kuò)大，其原理如下圖所示。

圖4 電流擴(kuò)大電路

圖4中，當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)，負(fù)載所需的電流完全由穩(wěn)壓模塊提供，當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，電阻R上的壓降增大，將使串聯(lián)調(diào)整三極管Q導(dǎo)通，三極管與穩(wěn)壓模塊一起提供負(fù)載電流。

C.保護(hù)電路設(shè)計(jì)

為了提高電源的使用可靠性和安全性能，通常需設(shè)計(jì)一些簡單的保護(hù)電路，如過壓、過流保護(hù)等，如下圖所示。

圖5 系統(tǒng)保護(hù)電路

圖5中，F(xiàn)1、Q1、R5、R6組成過電壓保護(hù)電路，當(dāng)負(fù)載兩端的電壓升高時(shí)，R6上的壓降增大，晶閘管門極得觸發(fā)電流，晶閘管導(dǎo)通，瞬時(shí)大電流使F1熔斷，從而起到保護(hù)電路的作用。R1、Q2、D1組成預(yù)穩(wěn)壓電路，將穩(wěn)壓模塊的輸入電壓固定在某一電壓值，使得，輸入電壓不隨負(fù)載變化。R2、Q3、R4組成過流保護(hù)電路，到電路中的電流過大時(shí)，電阻R2上的壓降增大，使得三極管Q3導(dǎo)通，從而為大電流提供通路，防止電路中電流過大損壞電路元件和伏在元件。R3、Q4組成電流擴(kuò)大電路，提供電路的帶載能力。

3. 電源電壓檢測(cè)與管理

在有多種制式直流電壓輸出的復(fù)雜控制系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，首先要檢測(cè)各個(gè)芯片或電路的電源輸出是否正常，為了避免人工檢測(cè)所帶來的耗時(shí)費(fèi)力和不便等缺點(diǎn)，本論文提出一種簡單可靠、方便快捷的直流電壓輸出有無的檢測(cè)方法，如圖6所示。

圖6 電壓有無檢測(cè)電路

R1、R2組成對(duì)直流輸出電壓的采樣電阻網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)電源有輸出電壓時(shí)R2上的壓降使光耦導(dǎo)通，R5上的壓降增大，將R5上取得的高電平信號(hào)送給單片機(jī)處理后顯示。當(dāng)電源無輸出電壓時(shí)，R2上無壓降，光耦不工作，R5上的電壓為0V，將此低電平信號(hào)送入單片機(jī)處理后顯示、報(bào)警。其中R3、R4為限流電阻。

此電路在滿足電壓有無檢測(cè)的條件下，一方面用到的元件數(shù)量少、價(jià)格便宜;另一方面通過光耦實(shí)現(xiàn)了主電路和控制系統(tǒng)的電氣隔離，降低了對(duì)控制系統(tǒng)的干擾。此外，對(duì)每路電壓的輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示，可以方便的檢查電源輸出的正常與否。此方法適用于有多路電壓輸出的復(fù)雜電源系統(tǒng)的檢測(cè)與管理。

4. 電源設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題

下面總結(jié)一些在該電源設(shè)計(jì)與調(diào)試過程中遇到的問題及其解決方法。

電源變壓器的選用。為了減小變壓器體積與重量使其方便固定于電路板上，應(yīng)選用體積小、重量輕的高頻電源變壓器。

濾波電容的選用。在滿足體積要求的前提下盡量選用容值較大的電解電容進(jìn)行濾波，除此之外，電容的耐壓值一定不能小于其兩端的最大電壓。

預(yù)穩(wěn)壓電路中(圖5)，為降低對(duì)限流電阻R1的功率要求，用三極管Q2為電流提供通路，在實(shí)際應(yīng)用中Q2應(yīng)選用功率較大的三極管。

在用三極管進(jìn)行電流放大的電路中(圖4)，關(guān)鍵在于三極管直流工作點(diǎn)的調(diào)試，其決定著三極管的工作狀態(tài)，決定著電源的帶載能力。

在整個(gè)電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試中，元件參數(shù)的正確計(jì)算與元件型號(hào)的合理選擇至關(guān)重要。

設(shè)計(jì)過程中若能充分結(jié)合仿真軟件對(duì)電路的工作原理進(jìn)行驗(yàn)證，及時(shí)找出電路中存在的問題，可大大縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本。對(duì)發(fā)熱較大的元件應(yīng)加散熱片，防止元件過熱損壞。該文原載于中國社會(huì)科學(xué)院文獻(xiàn)信息中心主辦的《環(huán)球市場(chǎng)信息導(dǎo)報(bào)》雜志總第445期2012年第08期(2月28 日出版)-----轉(zhuǎn)載須注名來源

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