用于優(yōu)質(zhì)音頻電源的高性能單軌線性穩(wěn)壓電源（PSU）設(shè)計制作

一、概述

目前市面上大部分音頻設(shè)備采用了數(shù)字式電源及數(shù)字式功放。這種產(chǎn)品經(jīng)醫(yī)學研究表明長時間聽音樂會給人們產(chǎn)生很大心理障礙（比如煩躁感）及聽力損傷問題。開關(guān)電源它通過高速開關(guān)晶體管將輸入的電壓在時域內(nèi)切分，從而輸出脈動的直流電壓。對這個脈動直流電壓重新積分可獲得電壓低于輸入電壓的穩(wěn)定的支流電壓。通過控制脈沖寬度，就可以控制輸出電壓。開關(guān)晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)，其上有電壓時無電流，有電流時無電壓，電壓和電流的積保持為0，因此理論上開關(guān)管擔負了電壓轉(zhuǎn)換的作用但其自身并不消耗功率。這使得開關(guān)電源效率高達90%以上。由此可見開關(guān)電源工作的開關(guān)方式，其獲取能量是突變的，所以會產(chǎn)生高頻電磁輻射影響周邊設(shè)備及對電網(wǎng)產(chǎn)生干擾，這樣一來開關(guān)電源的聲底就不夠純凈。從而造成對人們的聽力損傷與心理障礙。而傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源則沒有射頻干擾這個弊端。因此功率放大器若要獲得優(yōu)異的音質(zhì)還須考慮使用線性穩(wěn)壓電源?；谶@個原因促使我們想構(gòu)建一款高性能Hi-Fi功放專用線性穩(wěn)壓電源以適合廣大對線性電源喜愛的人們及“Realtek 無線 + ST 功放”的應(yīng)用場景。

下面講述的是一款高性能DIY單軌線性穩(wěn)壓電源（PSU）的設(shè)計制作。該電路具有低噪聲、大電流、出色的線路/負載調(diào)節(jié)、寬帶寬和穩(wěn)定性特性。 非常適合 DIY 立體聲耳機放大器、前置放大器、DAC、網(wǎng)絡(luò)媒體播放器和其他需要單軌穩(wěn)壓 PSU 的應(yīng)用。該電路使用所有分立元件（無集成電路），并采用大電流 MOSFET 作為輸出“通過”器件。電路設(shè)計以及印刷電路板布局是PADS，可開源給用戶使用的。它被設(shè)計成相對容易構(gòu)建，但不推薦作為初學者的首次項目。要獲得空白印刷電路板和一些相關(guān)部件，后續(xù)可訪問大大邦商城。具體的物料請參閱BOM Lists部分。在嘗試構(gòu)建 PSU 之前，請務(wù)必完全理解所有內(nèi)容，否則請考慮讓更有經(jīng)驗的人為您構(gòu)建線性穩(wěn)壓放大器，或者構(gòu)建一個更簡單的項目。該項目主要以 PSU 板為中心。要構(gòu)建一個工作電源，因此還需要一個電源變壓器、IEC 電源輸入插座、電源開關(guān)，以及一個外殼機箱來容納電路板。 由于變壓器的存在，此類PSU系統(tǒng)的效率往往只有60%（可以簡單的看作輸出功率與輸入功率之比）。另外開關(guān)電源因其電壓反饋信號通道過長和控制電路復雜，其瞬態(tài)提供大電流的能力（瞬態(tài)特性）不如傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源。而瞬態(tài)響應(yīng)特性卻是區(qū)別音頻功率放大器優(yōu)劣的重要特性指標，以下是組裝好的PSU 電路板：

二、電路說明

2.1 工作原理

來自電源變壓器次級的交流輸入由分立的快速恢復二極管 D4、D5、D12、D13 進行全波整流，并由電容器 C4 進行平滑處理。每個二極管都由一個緩沖電容器 C7、C21-C22 旁路以降低噪聲。整流后的 DC 然后饋入電壓調(diào)節(jié)器部分。該穩(wěn)壓器由一組分立器件實現(xiàn)的等效高電流輸出運算放大器組成，用作誤差放大器。 Q5 和 Q6 形成一個經(jīng)典的差分長尾對 (LTP)，由電流鏡像電路（Q4、Q8）加載以增加開環(huán)增益。因為增加的全局反饋將有助于保持低輸出阻抗并提高整體穩(wěn)定性。通過 LTP 的電流由電流源D11 控制。Q7 是 VAS 級，由電流源D8 加載，并由電容器 C27 補償。兩個18A功率MOSFET Q1和Q2并聯(lián)，作為輸出“通過”晶體管。兩個設(shè)備的并聯(lián)分開了散熱，并確保它們在嚴重的過流條件下不會失效。這消除了對限流電路的需求。只需要一個合適尺寸的交流電源保險絲來保護電源變壓器和其他組件免受損壞。

該電源的最大電流容量基本上僅受變壓器、整流器和 MOSFET 的散熱量（當然還有交流電源保險絲）的限制。誤差放大器作為同相放大器工作。該放大器的輸入由齊納二極管 D6提供的直流參考電壓供電。齊納電流來自電流源 D9。由 R9 和 C26（轉(zhuǎn)換頻率為 1.6Hz）形成的 RC 濾波器有效地消除了任何齊納噪聲。然后誤差放大器將參考電壓乘以所需的輸出電壓。輸出電壓由 D6 的齊納電壓和誤差放大器的增益設(shè)置決定（并且可以通過改變 R6的值來改變）。電壓基準和誤差放大器（輸出 MOSFET 除外）通過由 Q3、R8 和 C23 形成的電容倍增器獲得電源電壓。這與額外的電容器 C24 和電流源的使用一起，顯著提高了 PSRR（電源抑制比）以改善線路調(diào)節(jié)。 D7 和 C5 有助于防止在高負載電流期間增加的預調(diào)節(jié)電壓紋波影響電容倍增器的性能。

2.2 多路電壓輸出

本PSU版能提供四組直流輸出接線端子，其中主電源設(shè)計有用于“開機”指示燈的LED電路。即使沒有任何連接到輸出，LED 也會為穩(wěn)壓器（從 V+ 到 V-）提供較小的標稱負載。它還有助于在電源關(guān)閉后緩慢地對軌道電容器放電。

三、電路及電路板設(shè)計

3.1，主電路仿真

為了保證正確的輸出，我們采用業(yè)內(nèi)著名的電路仿真軟件TINA-TI進行簡單的模擬電路的各種輸出參數(shù)以保證電路的正確性及可靠性（仿真軟件采用TINA-TI，仿真模型基于TINA-TI的自帶庫。仿真條件為：25℃下全典型模型），以下是輸出的電路參數(shù)圖示：

3.1 PSU電路仿真原理圖

3.2  PSU 電路的直流特性圖

3.2，電路板設(shè)計

電路板設(shè)計采用PADS Layout工具，PCB打樣采用優(yōu)質(zhì) FR-4 玻璃環(huán)氧樹脂制成，雙層鍍通孔以及絲印和阻焊層。 銅層為 2 盎司重載結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)低阻抗。 下圖說明了一些重要的電路板尺寸。 當您在機箱外殼上工作時，可以將其用作參考。電路板設(shè)計完成如下：

四、零件清單

下面說明了為 24VDC 輸出配置的 PSU。請參閱下面有關(guān)其他輸出電壓的詳細信息。另請參閱板和散熱器部分以了解散熱器注意事項。有關(guān)特定零件建議和選項，請參閱以下部分。也可從 大大邦商店購買,零件數(shù)量說明見附件BOM清單.

五、設(shè)計注意事項

1), 誤差放大器的電壓增益由 R6 和 R1 的比率決定。該增益乘以 D6 齊納二極管電壓，決定了穩(wěn)壓器的輸出電壓。增益由以下公式計算：

G = (R6 / R1) + 1

當R6和R1均為10KΩ時，增益為2。D6為18V齊納二極管，則輸出電壓為24V。請不要更改 R6 的值，因為它與 C25 形成了一個 RC 時間常數(shù)，從而形成了誤差放大器的高頻響應(yīng)。這些值經(jīng)過仔細調(diào)整，以在保持穩(wěn)定性的同時提供擴展的帶寬。
2), 齊納穩(wěn)壓二極管設(shè)置參考電壓，該電壓與誤差放大器的電壓增益一起設(shè)置 PSU 的輸出電壓。

注：PSU板輸出電壓的精度取決于 D6 齊納穩(wěn)壓管的電壓精度。齊納二極管具有相當寬的容差，因此您的實際輸出電壓可能不完全符合目標。通常這無關(guān)緊要，因為音頻電路通常對這種電壓容差不敏感。如果您的應(yīng)用需要高水平的電壓精度，那么您應(yīng)該選擇一些 高精度的 齊納穩(wěn)壓二極管。

3), R7 是 LED 的限流電阻。這些電阻器的最佳值取決于您選擇的 LED。使用這個在線 LED 電阻值計算器來確定您的 R7 應(yīng)該是什么值。根據(jù)電阻器的值及其兩端的壓降，您應(yīng)該注意使用額定功率足夠高的電阻器。實際功耗由下式計算：

瓦特 = V2 / R

其中 V 是壓降，R 是 R7 的值。

例如，如果使用10KΩ的電阻，壓降為28V，則功耗約為0.08W。在這種情況下，一個 1/8W 或 1/4W 的電阻器就可以正常工作。電阻器的類型并不重要，只要合適即可。

4), 電容器

C7、C20、C21、C22、C25：多層陶瓷電容器（NP0或C0G）220pF

C6、C19：金屬化聚酯薄膜電容器1μF

C4：鋁電解電容低ESR高可靠

±30V或以下輸出：2x 2200μF 50V 或 1x 4700μF 50V

對于 ±36V 輸出：2x 1500μF 63V 或 1x 2700μF 63V

C5、C23：鋁電解電容63V低ESR高可靠100μF

C24、C26：鋁電解電容63V低ESR高可靠470μF

C27：金屬化聚酯薄膜電容器3900pF

D9、D11：2.0mA-2.2mA電流調(diào)節(jié)二極管

DO-35、DO-41、TO-92 或 TO-18（參見BOM）

Semitec E-202

Onsemi半導體 1N5306

Vishay-Siliconix CR240 

Vishay-Siliconix J508

D8：4.7mA-5.6mA電流調(diào)節(jié)二極管

DO-35、DO-41、TO-92 或 TO-18（參見BOM）

Semitec E-562

Onsemi半導體 1N5314

Vishay-Siliconix CR470

Vishay-Siliconix J511

晶體管(參考BOM)

關(guān)于晶體管的注意事項：

不需要特殊的晶體管匹配。

不要用其他類型的晶體管和 MOSFET 代替。補償電容器的值已針對指定器件的最佳性能進行了調(diào)整。更改為其他類型可能會降低性能或?qū)е虏环€(wěn)定。

不要將 MOSFET 安裝在遠程散熱器上。從電路板到 MOSFET 的附加布線可能會導致振蕩。

散熱片

由于高度和其他機械/物理屬性，您選擇的散熱器會影響機箱的兼容性。

連接器

PCB 接線端子（可選，允許輕松連接/斷開與 PCB 的接線）：

電源變壓器

支持單次級、雙次級和中心抽頭次級變壓器。為了最小的雜散磁場，推薦使用環(huán)形類型。下表列出了針對各種輸出直流電壓的變壓器次級建議。

輸出電壓 變壓器次級

對于其他輸出電壓，該 PSU 的一個經(jīng)驗法則是，在負載下，傳輸 MOSFET 兩端應(yīng)保持大約 7V 的壓降。這允許 MOSFET 的 2V Vgs 加上大約 5V 的裕量以允許線路電壓波動。以 24V 輸出為例，預穩(wěn)壓電壓應(yīng)為 31V?？紤]到整流二極管兩端的電壓降，該數(shù)字高達 33V。變壓器電壓應(yīng)該是整流后的直流電壓的0.707倍，所以33V * 0.707 ~= 23V。因此，24V 或雙 12V 變壓器應(yīng)該可以正常工作。

變壓器的適當 VA 額定值取決于預期負載。 Realtek藍牙無線+ST 的耳機放大器的推薦變壓器額定值為 15VA 或 25VA。對于 PPA 耳機放大器，一個 15VA 的變壓器就足夠了。

以下是一些推薦的變壓器及機箱類型：

1)，變壓器環(huán)牛：淘寶自行淘

2)，機箱/機箱

請務(wù)必使用為您選擇的散熱器提供足夠內(nèi)部間隙的外殼。如果您的散熱器不在機箱外部（暴露的散熱片），那么您應(yīng)該在機箱中切割通風槽（如果尚未配備）以確保正常冷卻。

5), 其他

各種各樣的帶保險絲的 IEC 電源輸入插座

用于電源開/關(guān)的 SPST 撥動開關(guān)、撥片或旋轉(zhuǎn)開關(guān)（如果 IEC 插座沒有集成開關(guān)）

?場景應(yīng)用圖

?產(chǎn)品實體圖

?展示板照片

?方案方塊圖

?核心技術(shù)優(yōu)勢

1，新型的一種將內(nèi)部基準源和誤差放大器融為一體的分立式電路。 2，成本低廉可靠。

?方案規(guī)格

1，PCB 尺寸 :103*103 2，功耗：>60w @三路獨立電源輸出：+24V ; +/-12; +5V 3，主電源輸出：+24v @2.5A