教學用穩(wěn)壓電源的設計案例

1 引言

在職業(yè)教學的電子線路實驗中，大功率的直流穩(wěn)壓電源是實驗系統(tǒng)的能量保證。而經(jīng)典的DH1729穩(wěn)壓電源采用分立元件組成。電路復雜；FY13003-3D型穩(wěn)壓電源采用分立元件與集成比較器結合，電路更復雜，故障率高；簡易型WD-5穩(wěn)壓電源采用三端穩(wěn)壓集成電路，但性能低，適應范圍窄；而新穎的數(shù)字化穩(wěn)壓電源成本高。這里基于LT3080低功耗集成穩(wěn)壓電路的特性，使用TL431做比較器，簡化電路設計，提高電源效率和工作可靠性．使整個穩(wěn)壓電源結構簡單，易于調試，方便維修。

2 教學用穩(wěn)壓電源的設計要求

教學用穩(wěn)壓電源應具備通用型穩(wěn)壓電源的各種技術參數(shù)：電壓穩(wěn)定度為(△UO／UO)×100％；穩(wěn)壓系數(shù)K=△UO／△Uil；負載調整率為△IO／(△UO／UO)；紋波系數(shù)γ=(Ums／UO)×100％；輸出內阻RO=∣△UO／△IL∣。

教學用穩(wěn)壓電源還必須具備以下功能性要求：輸出電壓的可調性最好在技術要求范圍內；輸出電流的限流保護，或具有可調電流源，確保試驗中出現(xiàn)短路或過載故障后電源及實驗電路不損壞；安全的功耗限制，保障電源的可靠運行；綠色化設計提高電源效率；維修調試簡單，降低成本，具備可自由加減功能，能夠任意選擇電源容量，方便教師自由擴展；電源性價比高，有利于技術革新和新產(chǎn)品開發(fā)。

3 LDO低功耗穩(wěn)壓集成電路

LS3080是1.1 A低壓差線性穩(wěn)壓器，可直接并聯(lián)以增加輸出電流或安裝在表面貼裝型電路板上以散熱。LT3080是一款精密電源和電壓跟隨器，因而可用在那些需大電流，可從零起調的電源中，無需散熱片。

T3080利用流經(jīng)單個電阻的基準電流，可使輸出電壓在0～36 V之間可調。當輸出電容為2.2μ時，LT3080實現(xiàn)穩(wěn)定，無需額外的ESR陶瓷電容；內部具有電流限制和熱限制。

LT3080結構輸出電壓根據(jù)恒流源在電阻Rp上的電壓變化進行調節(jié)。所以輸出電壓UO=RSET×10μA，無需負電源支持就能夠使其從0 V起調，并且LT3080具有極低的壓降，能使△U在300 mV內。保證輸出電壓的穩(wěn)定系數(shù)不小于0.001％，可根據(jù)輸出電流并聯(lián)多只LT3080而無需均流電阻。LT3080只需采用很小的取樣反饋電阻就能夠實現(xiàn)電流源，性能十分優(yōu)良IOUT=1 V／R1，并可通過改變RP1調節(jié)IOUT。

4 教學用穩(wěn)壓系統(tǒng)設計

4.1 利用TL431的比較特性實現(xiàn)輸入電壓三段式自動調節(jié)

TL431是可變分流的穩(wěn)壓集成電路，由高精度的基準電壓源和高速比較器組成，適用范圍廣。該系統(tǒng)設計巧妙采用TL431的比較特性實現(xiàn)電壓的自動切換。由TL431的等效電路(圖3)可知，當Uref>2.5 V時，輸出三極管導通，UO=2 V；當Uref＜2.5 V時輸出三極管截止，故利用其比較特性組成輸入電壓切換電路，如圖4所示。TIA31采用TO-92封裝，并具有100 mA的驅動能力，可直接驅動繼電器。所以使得整個輸入電壓切換跟隨輸出電壓變化，三段式自動轉換調節(jié)電路簡單。

4.2 基于LT3080和TL431組合的教學用穩(wěn)壓電源系統(tǒng)

采用LT3080和TL431組合設計的0～30 V，0～2 A的教學用穩(wěn)壓電源系統(tǒng)，如圖5所示。輸入市電220 V，交流電壓經(jīng)變壓器T變換輸出10 V、20 V、30 V。變壓器容量100 VA。通過繼電器J1、J2實現(xiàn)自動切換，以適應不同的輸出電壓需要。當輸出電壓在0～10 V之間時。J1、J2都不吸合，輸入電壓UI=10 V。經(jīng)VD1～VD4整流后輸出12 V的電壓，通過LT3080做電流源輸出IO，R1控制輸出電流IO=1 V／R1=2 A，輸出后經(jīng)LT3080穩(wěn)壓輸出UO，RPV控制UO=RPV×20μA，電路簡單。根據(jù)輸出電流的大小可并聯(lián)多只LT3080。

由于調節(jié)電位器RPl和RPV阻值都比較大，因此應選用線性精密電位器。在調節(jié)輸出電壓UO時，當UO小于10 V時，J1，J2均不吸合，輸入接交流10 V端，當輸出電壓超過10V時，調節(jié)RP1使VA＞2.5 V，IIC5導通，J1吸合，輸入電壓可切換至20 V，當輸出電壓超過20 V時，調節(jié)RP2使UB>2.5 V，IIC6導通J2吸合，輸入電壓切換至30 V，從而實現(xiàn)輸入跟蹤式三段電壓自動調節(jié)電路，降低了輸入輸出間電壓，減少穩(wěn)壓集成電路功耗，提高電源的利用率。

將每只LT3080上的功耗限制在12 W以下，保證其工作的可靠性，由于LT3080的LDO特性，設計時可使△U盡可能的小。采用多抽頭變壓器，增加圖4所示的調節(jié)電路，以提高電源效率。

5 結論

該設計兼顧通用性，設計輸出電壓為0～30V如果針對職業(yè)教學使用的需要，變壓器的輸出設計為6V，13V，25V更能充分利用LT3080穩(wěn)壓集成電路 LDO的優(yōu)良特性，因為常用的實驗電壓為5V、12V、24V。用TL431的開關功能實現(xiàn)輸入電壓的自動切換時只需微調RP1，RP2即可 (但是輸出電壓的最大值只有25V)。輸出還可采用加減并聯(lián)組合形式來滿足不同輸出電壓和電流的需要，使整個電源設計簡單，進而提高教學用穩(wěn)壓電源的可靠性、可調性、易修改性。