《6大常用电源设计电路,工程师必备知识宝典.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《6大常用电源设计电路,工程师必备知识宝典.docx（17页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、6大常用电源设计电路，工程师必备知识宝典了前所未有的机遇和挑战，小到家用电器，大到大型电力行业所 用的仪器设备，无不需要电源来提供能源，这也更需要大量具有电源 专业知识水平的工程师来完成设计和开发。而电源工程师主要是指从事开关、通讯、设备等电源的设计与研 发工作的相关人员。那么，一个成熟的电源工程师是怎样工作的呢？主要有十点：一：接过电源设计要求！评估成本，定可行性方案。二：根据客户报价！给定大体的元件成本与生产成本，可行性电 路。三：构想出原理图！确定所选取的功率管，变压器，最稳定最简 单生产又方便的原理方案。四：根据原理图，客户给定的样板要求或外壳要求设计PCB。五：根据原理图，装配合适元
2、件，对电器参数调整。让本机在最 低要求下能正常工作。六：上负载测试，功率达80测式，检查输出波形，电压要求， 电磁性能，功率管温度，电压稳定度，转换效率。在这一个程中，对 电子元件进行合适的参数调整。七：强化测试！也就是超负何，短路，低压，过压，强温，防震 等测试。八：根据样板确定原理图准确的参数，定好方位图，物料图，发 给生产部，仓管，跟单员，对样板进行小批量生产。九：对样板进行严格测试，各种性能OK，由业务员发给客户评估。OK 了，可以量产。十：以后生产对项目进行跟踪，改良，以最短时间，最好质量给 客户出货。作为一名合格的电源工程师平时工作经验的积累很重要，但同时 也应该提高理论水平，通过
3、积累几个常用的电源电路，说不定下次就 能用上，真是学习吧！1、反激式电源中的铁氧体磁放大器对于两个输出端都提供实际 功率（5V2A和12V3A），两者都可实现 5%调节）的双路输出反激式 电源来说，当电压达到12V时会进入零负载状态，而无法在5%限度 内进行调节。线性稳压器是一个可实行的解决方案，但由于价格昂贵 且会降低效率，仍不是理想的解决方案。我们建议的解决方案是在12V输出端使用一个磁放大器，即便是 反激式拓扑结构也可使用。为了降低成本，建议使用铁氧体磁放大器。 然而，铁氧体磁放大器的控制电路与传统的矩形磁滞回线材料（高磁 导率材料）的控制电路有所不用。铁氧体的控制电路（D1和Q1）可吸
4、收电流以便维持输出端供电。该电路已经过全面测试。变压器绕组设计 为5V和13V输出。该电路在实现12V输出 5%调节的同时，甚至还可以达到低于1W的输入功率(5V 300 mW和12V零负载)。图12、使用现有的消弧电路提供过流保护考虑一下5V 2A和12V 3A 反激式电源。该电源的关键规范之一便是当12V输出端达到空载或负 载极轻时，对5V输出端提供过功率保护(OPP)。这两个输出端都提出 了 5%的电压调节要求。对于通常的解决方案来说，使用检测电阻会降低交叉稳压性能， 并且保险丝的价格也不菲。而现在已经有了用于过压保护(OVP)的消 弧电路。该电路能够同时满足OPP和稳压要求，使用部分消
5、弧电路即 可实现该功能。从图2可以看出，R1和VR1形成了一个12V输出端有源假负载， 这样可以在12V输出端轻载时实现12V电压调节。在5V输出端处于 过载情况下时，5V输出端上的电压将会下降。假负载会吸收大量电 流。R1上的电压下降可用来检测这一大量电流。Q1导通并触发OPP 电路。图23、有源并联稳压器与假负载在线电压AC到低压DC的开关电源 产品领域中，反激式是目前最流行的拓扑结构。这其中的一个主要原 因是其独有的成本效益，只需向变压器次级添加额外的绕组即可提供 多路输出电压。通常，反馈来自对输出容差有最严格要求的输出端。然后，该输 出端会定义所有其它次级绕组的每伏圈数。由于漏感效应的
6、存在，输 出端不能始终获得所需的输出电压交叉稳压，特别是在给定输出端因 其它输出端满载而可能无负载或负载极轻的情况下更是如此。可以使用后级稳压器或假负载来防止输出端电压在此类情况下 升高。然而，由于后级稳压器或假负载会造成成本增加和效率降低， 因而它们缺乏足够的吸引力，特别是在近年来对多种消费类应用中的 空载和/或待机输入功耗的法规要求越来越严格的情况下，这一设计 开始受到冷落。图3中所示的有源并联稳压器不仅可以解决稳压问题， 还能够最大限度地降低成本和效率影响。图3：用于多路输出反激式转换器的有源并联稳压器。该电路的工作方式如下：两个输出端都处于稳压范围时，电阻分 压器R14和R13会偏置三
7、极管Q5,进而使Q4和Q1保持在关断状态。 在这样的工作条件下，流经Q5的电流便充当5V输出端很小的假负载。5V输出端与3.3V输出端的标准差异为1.7V。当负载要求从3.3V 输出端获得额外的电流，而从5V输出端输出的负载电流并未等量增 加时，其输出电压与3.3V输出端的电压相比将会升高。由于电压差 异约超过100 mV，Q5将偏置截止，从而导通Q4和Q1并允许电流从 5V输出端流到3.3V输出端。该电流将降低5V输出端的电压，进而 缩小两个输出端之间的电压差异。Q1中的电流量由两个输出端的电压差异决定。因此，该电路可 以使两个输出端均保持稳压，而不受其负载的影响，即使在3.3V输 出端满载
8、而5V输出端无负载这样最差的情况下，仍能保持稳压。设 计中的Q5和Q4可以提供温度补偿，这是由于每个三极管中的VBE温 度变化都可以彼此抵消。二极管D8和D9不是必需的器件，但可用于 降低Q1中的功率耗散，从而无需在设计添加散热片。该电路只对两个电压之间的相对差异作出反应，在满载和轻负载 条件下基本不起作用。由于并联稳压器是从5V输出端连接到3.3V输 出端，因此与接地的并联稳压器相比，该电路的有源耗散可以降低 66%。其结果是在满载时保持高效率，从轻负载到无负载的功耗保持 较低水平。4、采用StackFET的高压输入开关电源使用三相交流电进行工作 的工业设备常常需要一个可以为模拟和数字电路提
9、供稳定低压直流 电的辅助电源级。此类应用的范例包括工业传动器、UPS系统和能量 计。此类电源的规格比现成的标准开关所需的规格要严格得多。不仅 这些应用中的输入电压更高，而且为工业环境中的三相应用所设计的 设备还必须容许非常宽的波动一包括跌落时间延长、电涌以及一个或 多个相的偶然丢失。而且，此类辅助电源的指定输入电压范围可以达 到57 VAC至580 VAC之宽。设计如此宽范围的开关电源可以说是一大挑战，主要在于高压MOSFET的成本较高以及传统的PWM控制环路的动态范围的限制。StackFET技术允许组合使用不太昂贵的、额定电压为600V的低压MOSFET和Power Integrations
10、提供的集成电源控制器，这样便可设 计出简单便宜并能够在宽输入电压范围内工作的开关电源。W3W 4图4：米用StackFET技术的三相输入3W开关电源。该电路的工作方式如下：电路的输入端电流可以来自三相三线或 四线系统，甚至来自单相系统。三相整流器由二极管D1-D8构成。电 阻R1-R4可以提供浪涌电流限制。如果使用可熔电阻，这些电阻便可 在故障期间安全断开，无需单独配备保险丝。pi滤波器由C5、C6、 C7、C8和L1构成，可以过滤整流直流电压。电阻R13和R15用于平衡输入滤波电容之间的电压。当集成开关(U1)内的MOSFET导通时，Q1的源端将被拉低，R6、 R7和R8将提供栅极电流，并且
11、VR1到VR3的结电容将导通Q1。齐纳 二极管VR4用于限制施加给Q1的栅极源电压。当U1内的MOSFET关 断时，U1的最大化漏极电压将被一个由VR1、VR2和VR3构成的450 V 箝位网络箝位。这会将U1的漏极电压限制到接近450 V。与Q1相连的绕组结束时的任何额外电压都会被施加给Q1。这种 设计可以有效地分配Q1和U1之间的整流输入直流电压和反激式电压总量。电阻R9用于限制开关切换期间的高频振荡，由于反激间隔期间存在漏感，箝位网络VR5、D9和R10则用于限制初级上的峰值电压。输出整流由D1提供。C2为输出滤波器。L2和C3构成次级滤波 器，以减小输出端的开关纹波。当输出电压超过光耦
12、二极管和VR6的总压降时，VR6将导通。输 出电压的变化会导致流经U2内的光耦二极管的电流发生变化，进而 改变流经U2B内的晶体管的电流。当此电流超出U1的FB引脚阈值电 流时，将抑制下一个周期。输出稳压可以通过控制使能及抑制周期的 数量来实现。一旦开关周期被开启，该周期便会在电流上升到U1的 内部电流限制时结束。R11用于限制瞬态负载时流经光耦器的电流， 以及调整反馈环路的增益。电阻R12用于偏置齐纳二极管VR6。IC U1 (LNK 304)具有内置功能，因此可根据反馈信号消失、输 出端短路以及过载对该电路提供保护。由于U1直接由其漏极引脚供 电，因此不需要在变压器上添加额外的偏置绕组。C
13、4用于提供内部 电源去耦。5、选择好的整流二极管可以简化AC/DC转换器中的EMI滤波器 电路并降低其成本该电路可以简化AC/DC转换器中的EMI滤波器电路 并降低其成本。要使AC/DC电源符合EMI标准，就需要使用大量的EMI滤波器器 件，例如X电容和Y电容。AC/DC电源的标准输入电路都包括一个桥 式整流器，用于对输入电压进行整流(通常为50-60 Hz)。由于这是 低频AC输入电压，因此可以使用如1N400X系列二极管等标准二极管， 另一个原因是这些二极管的价格是最便宜的。这些滤波器器件用于降低电源产生的EMI,以便符合已发布的 EMI限制。然而，由于用来记录EMI的测量只在150 kH
14、z时才开始， 而AC线电压频率只有50或60 Hz，因此桥式整流器中使用的标准二 极管（参见图1）的反向恢复时间较长，且通常与EMI产生没有直接关 系。然而，过去的输入滤波电路中有时会包括一些与桥式整流器并联 的电容，用来抑制低频输入电压整流所造成的任何高频波形。如果在桥式整流器中使用快速恢复二极管，就无需使用这些电容 了。当这些二极管之间的电压开始反向时，它们的恢复速度非常快（参 见图2）。这样通过降低随后的高频关断急变以及EMI，可以降低AC 输入线中的杂散线路电感激励。由于2个二极管可以在每半个周期中 实现导通，因此4个二极管中只需要2个是快速恢复类型即可。同样， 在每半个周期进行导通的
15、两个二极管中，只需要其中一个二极管具有 快速恢复特性即可oDC Input lo Power Supply (VAC busAC Inpui (VAC in)图6：在AC输入端使用桥式整流器的SMPS的典型输入级。图7：输入电压和电流波形显示了反向恢复结束时的二极管急变。6、用软启动禁止低成本输出来遏制电流尖峰为满足严格的待机 功耗规范要求，一些多路输出电源被设计为在待机信号为活动状态时 断开输出连接。通常情况下，通过关闭串联旁路双极晶体管(BJT)或MOSFET即可 实现上述目的。对于低电流输出，如果在设计电源变压器时充分考虑 到晶体管的额外压降情况，则BJT可成为MOSFET的合适替代品，
16、且 成本更为低廉。图十所示为简单的BJT串联旁路开关，电压为12 V，输出电流 强度为100 mA，并带有一超大电容(CLOAD)。晶体管Q1为串联旁路 元件，由Q2根据待机信号的状态来控制其开关。电阻R1的值是额定 的，这样可确保Q1有足够的基值电流在最小Beta和最大的输出电流 下以饱和的状态工作。PI建议额外添加一个电容器(Cnew)，用以调 节导通时的瞬态电流。如果不添加Cnew，Q1在导通后即迅速进入电 容性负载，并因而产生较大的电流尖峰。为调节该瞬态尖峰，需要增 加Q1的容量，这便导致了成本的增加。用作Q1额外“密勒电容”的Cnew可以消除电流尖峰。该额外电 容可限制Q1集电极的d
17、v/dt值。dv/dt值越小，流入Cload的充电 电流就越少。为Cnew指定电容值，使得Q1的理想输出dv/dt值与 Cnew值相乘等于流入日1的电流。式2图8：简单的软启动电路可以禁止待机时的电源输出，同时消除导通时的电流尖峰因此，可利用小型晶体管(Q1)来保持低成本学完这些典型的电源电路，下面通过利用LM317制作简易电源设 计电路。、LM317简介LM317是应用最为广泛的电源集成电路之一，它不仅具有固定式 三端稳压电路的最简单形式，又具备输出电压可调的特点。此外，还 具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。其主 要性能参数如下。输出电压：1.25-37V DC;输出电
18、流：5mA-1.5A;芯片内部具有过 热、过流、短路保护电路;最大输入-输出电压差：40VDC，最小输入 -输出电压差：3V DC;使用环境温度：T0-+85C。图1给出了几种常用（不同封装形式）的LM317的外形及引脚排列由于输出端（2脚）与调节输入端（3脚）之间的电压保持在1.25V， 调整接在输出端与地之间的分压电阻R1和R2来改变ADJ端的电位， 可以达到调节输出电压的目的，如图2所示，原理如下：R1两端的1.25V恒定电压产生的恒定电流流过R1和R2，在R2 上产生的电压加到ADJ端。此时，输出电压Vo取决于R1和R2的比 值，当R2阻值增大时，输出电压升高，即:Vo=1.25（R1
19、+R2）/R2。二、1.25-37V可调电源原理图见图3。改变R1和R2的比值可使输出电压在1.25-37V之间连续可变。V1和V2的作用是：当输出短路时，C2上的电压被V2泄放掉， 从而达到反偏保护的目的。此外，当输入短路时，C3等元件上储存 的电压会通过V1泄放，用于防止内部调整管反偏。C2用以提高IC 的纹波抑制能力。C3用以改善IC的瞬态响应C1用于输入整流滤波。 在大电流输出时，IC会因温升过高而截止，必须加适当面积的散热 器。R2应选用线性的电位器。三、1.25-120V维修、实验电源原理图见图4。电路由四块LM317组成，四组输出电势只通过R2 进行调节。调节R2，IC4的输出电
20、势在1.25-30V之间连续可变，同 时，与之串联的IC1-IC3的输出电势也随之改变，从而得到1.25-120V 间的四组直流稳定电压。四、慢启动15V电源原理图见图5。输出电压Vout通过R1、V1对C2充电。开始时V1饱和导通，Vout最低（约1.5V）。随着C2上的电压升 高，V1逐渐退出饱和并趋于截止，Vout逐渐升高至额定电压。改变 R1、C2的常数可改变软启动的时间。D1用于关机后使C2上的电荷快速泄放。改变R2的值，可调整输出电压Vout的值，图示参数输出电 压为15V。图中V1可用9012替换。五、TTL电平控制的5V电源原理图见图6。当外来的TTL控制信号使V1截止时， 为5V。同样，改变R2使的值可获得不同的电压输出。V1 等NPN管替换。输出电压可用9013=】祚您卫！神制质号6QKD
