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(jiǎn)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(wú)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(guò)程中遇到的一些具體問(wèn)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(mǎn)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?；诖蠖鄶?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(mǎn)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(kāi)發(fā)的過(guò)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(lái)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(jiǎn)單可靠的過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路，防止電壓電流過(guò)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(jiǎn)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(mǎn)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(lái)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(chēng)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(guò)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(lái)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(mǎn)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(mǎn)足大多數(shù)電子元件工作的電源要求。一般通過(guò)閉環(huán)反饋控制和擴(kuò)大輸出電流來(lái)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。控制元件應(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(guò)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(mǎn)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(jiǎn)單的保護(hù)電路，如過(guò)壓、過(guò)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(guò)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(mén)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(guò)流保護(hù)電路，到電路中的電流過(guò)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(guò)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(lái)的耗時(shí)費(fèi)力和不便等缺點(diǎn)，本論文提出一種簡(jiǎn)單可靠、方便快捷的直流電壓輸出有無(wú)的檢測(cè)方法，如圖6所示。

圖6 電壓有無(wú)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(wú)輸出電壓時(shí)，R2上無(wú)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(mǎn)足電壓有無(wú)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(guò)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(wèn)題

下面總結(jié)一些在該電源設(shè)計(jì)與調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)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(mǎn)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(guò)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(wèn)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(guò)熱損壞。該文原載于中國(guó)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(lái)源

參考文獻(xiàn)

[1] 康華光, 陳大欽. 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M]. 北京:高等教育出版社,1998

[2] 王兆安, 黃 俊. 電力電子技術(shù)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000

[3] 齊占慶, 王振臣. 電氣控制技術(shù)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002

[4] 趙景波. PROTEL 2004電路設(shè)計(jì)應(yīng)用范例[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2006