高穩(wěn)定度低紋波的線性穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)制作了一款基于LT1083/LT1033 系列大功率低壓差三端穩(wěn)壓芯片的高穩(wěn)定度低紋波直流電源，介紹了降壓、整流濾波、線性穩(wěn)壓、LC 低通濾波等主要構(gòu)成模塊。測試結(jié)果表明，本電源具有輸出電壓穩(wěn)定度高、輸出電流大、低紋波、低功耗等特點(diǎn)。

線性穩(wěn)壓電源被廣泛應(yīng)用于科研、電力電子、電鍍、廣播電視發(fā)射、通信等領(lǐng)域， 是大專高等院校、實(shí)驗(yàn)室等進(jìn)行電子電路研究不可或缺的儀器設(shè)備。但是傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源存在變壓器轉(zhuǎn)換效率低、穩(wěn)壓芯片壓差大、濾波電路不夠完善等缺點(diǎn)， 時常出現(xiàn)輸出紋波大、效率低、發(fā)熱量大、間接地給系統(tǒng)增加熱噪聲等問題。在歷年的電子設(shè)計(jì)競賽中， 作品在比賽場地測試正常， 但在指定測試場地測評時， 電路突然燒毀或者性能指標(biāo)達(dá)不到原先水平的現(xiàn)象時有發(fā)生， 一個重要的原因就是測評場地提供的穩(wěn)壓電源電壓波動大、供電電流不穩(wěn)定、正負(fù)電壓不匹配。因此， 高穩(wěn)定性、低紋波的穩(wěn)壓電源是科研創(chuàng)新和電子設(shè)計(jì)競賽不可或缺的保障。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)由降壓模塊、整流濾波模塊、線性穩(wěn)壓模塊和低通濾波模塊組成， 如圖1 所示。變壓器將220 V/50 Hz 交流電分別降壓到±16 V、±6 V、+6 V, 通過整流橋堆整流以及大容量電容濾波后， 進(jìn)入正( 負(fù)) 線性穩(wěn)壓模塊， 再經(jīng)過低通濾波模塊濾除直流以外的干擾信號， 分別輸出±15 V、±5 V、+5 V 的穩(wěn)定電壓。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 主要功能模塊分析

2.1 整流濾波模塊

整流濾波電路主要由整流橋堆和大容量濾波電容組成， 如圖2 所示。整流橋堆具有體積小巧、輸出電流大、安裝方便等優(yōu)勢， 并能代替由4 只二極管組成的傳統(tǒng)橋式整流電路。濾波電路采用大容量電解電容濾波，增加了輸出電壓的穩(wěn)定性。根據(jù)式(1) 可求出所需濾波電容容量。

當(dāng)輸出電壓為5 V、電流為2 A 時，R=U/I=2.5 Ω， 此時，C= kT/2R =20 000 μF,其中，k=5 .電容耐壓Umax≥√2Ui≈24.038 V.其中，Ui=17 V, 因此Umax取值為25 V.在電解電容C6 兩端并聯(lián)一個0.01 μF 的瓷片電容C10 可以有效抑制高頻干擾。

圖2 橋式整流濾波電路

2.2 線性穩(wěn)壓模塊

LT1083/LT1033 系列正負(fù)可調(diào)穩(wěn)壓器的效率大大高于現(xiàn)有器件，可以提供7.5 A、5 A 和3 A 輸出電流，并能在低至1 V 的壓差條件下運(yùn)行，壓降在最大電流條件下保證在1.5 V 以內(nèi)。負(fù)載電流減小時允許壓差同時減小，可在多種電流水平條件下通過片內(nèi)修整電路，提供所保證的最小壓差，并能夠使輸出電壓準(zhǔn)確度調(diào)節(jié)至1%.其電壓調(diào)整率為0.015%,負(fù)載調(diào)整率為0.01%,對電流限值也進(jìn)行了修整，最大限度地減小了過載條件下穩(wěn)壓器和電源電路上承受的應(yīng)力，具有熱功耗限制保護(hù)[10].LT1083/LT1033 系列器件的引腳與老式三端穩(wěn)壓器兼容，與大多數(shù)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)中的10 μF 輸出電容器以及PNP 穩(wěn)壓器多達(dá)10%的輸出電流作為靜態(tài)電流消耗不同，LT1083/LT1033 系列的靜態(tài)電流流入負(fù)載， 大大降低了電源功耗。此芯片電壓調(diào)整率小、負(fù)載調(diào)整率小的特點(diǎn)能夠保證輸出電壓穩(wěn)定度高。正負(fù)線性穩(wěn)壓模塊電路如圖3 所示，其中R1=R3,R2=R4.電路中的電阻參數(shù)可根據(jù)輸出可調(diào)電壓公式確定：

其中，Uref=1.25 V,IADJ=50 μA,R1=200 Ω。

圖3 正負(fù)線性穩(wěn)壓模塊電路

2.3 低通濾波模塊

低通濾波電路采用LC 濾波電路， 濾波電容為4 700 μF電解電容和0.01 μF 瓷片電容， 能有效減少直流的紋波和高頻干擾， 兩個33 μH/3A 功率電感并聯(lián)可以隔離交流并提高輸出電流。截止頻率：

其中，L=33 μH,C=4 700 μF, 圖4 為低通濾波器電路圖。

圖4 LC 濾波電路

3 電源性能測試

測試儀器采用固緯4 位半數(shù)字萬用表(GDM-8245) 、上海愛儀交流毫伏表(AS2294D) 和調(diào)壓變壓器(TDGC -0.5/0.5) .負(fù)載電阻采用水泥電阻(2.5Ω/20 W、5Ω/20 W、15Ω/20 W) .電源性能參數(shù)如表1 所示。可以看出， 負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率反映出了電源較高的穩(wěn)定度， 紋波系數(shù)指標(biāo)反映出低紋波特性。

表1 電源性能參數(shù)表

4 總結(jié)

傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源因其電壓波動大、效率低、體積龐大等缺點(diǎn)影響了電子產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)。本文設(shè)計(jì)制作的電源不僅具有高穩(wěn)定性、低紋波的優(yōu)點(diǎn)， 而且輸出電壓可調(diào)、電壓波動小、帶負(fù)載能力強(qiáng)、體積小巧。由于本文所設(shè)計(jì)的電源具有非常小的電壓調(diào)整率， 一旦設(shè)置好電壓， 即使電網(wǎng)波動， 電源也能保證輸出電壓與設(shè)置電壓相同， 為微弱信號和高頻信號的處理提供有力的保障， 不僅能有效地避免在電子競賽測評時由于更換電源而導(dǎo)致的作品性能指標(biāo)下降甚至燒毀的事件發(fā)生， 而且對于電子線路的各項(xiàng)研究有十分重要的意義。