直流穩壓電源制作與管理方法

摘 要：本文詳細介紹了直流穩壓電源的制作、檢測與管理方法。首先介紹了直流穩壓電源主電路、控制電路以及簡(jiǎn)單保護電路的設計。其次提出了一種適合于有多路電壓輸出的復雜電源系統中，各個(gè)直流電壓的有無(wú)檢測和管理方法，可提高電壓輸出檢測效率和實(shí)現電源管理自動(dòng)化。最后總結了在該電源的設計與試驗過(guò)程中遇到的一些具體問(wèn)題及解決方法。將該直流穩壓電源投入現場(chǎng)使用后，其輸出電壓穩定、帶載能力較強、管理方便快捷，滿(mǎn)足了設計要求。

1. 引言

所有的電子設備都必須在電源電路的支持下才能正常工作，存在著(zhù)共同的電路—電源電路?；诖蠖鄶惦娮釉奶匦?，電子設備大多對電源電路要求能夠提供持續穩定的、滿(mǎn)足負載要求的直流電能。因此直流穩壓電源的設計在電子產(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壓電源的制作方法和電子設備復雜電源系統中多種制式直流電壓高效率、低成本的檢測與管理方法。

2. 直流穩壓電源制作

直流穩壓電源的設計一般包括變壓、整流、濾波、穩壓四個(gè)基本環(huán)節。為了提高電源的質(zhì)量及其可靠性，需對電源輸出電壓進(jìn)行采樣、比較、放大，并用此誤差放大信號來(lái)調節其輸入電壓，使得負載變化時(shí)輸出電壓保持穩定。此外，為了提高電源的使用安全性能，需設計簡(jiǎn)單可靠的過(guò)壓過(guò)流保護電路，防止電壓電流過(guò)大時(shí)損壞負載元件。以下將從電源主電路、控制電路、保護電路設計等3個(gè)方面簡(jiǎn)要介紹直流穩壓電源的制作方法。

A.主電路設計

主電路部分設計主要包括電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩壓電路設計(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;穩壓器把波動(dòng)較大的直流電壓變?yōu)榉€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定律進(jìn)行電壓、電流、阻抗變換。在直流穩壓電源設計中，電源變壓器一般是將單相工頻交流220V電壓轉換成電壓較低的交流電以滿(mǎn)足后續電路的需要。根據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)數和各個(gè)抽頭應輸出的電壓和功率。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。

利用二極管的單向導電性將交流電壓變換為單向的直流電壓稱(chēng)之為整流。實(shí)際設計中應根據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。

直流穩壓電源設計中一般利用電感、電容等儲能元件兩端電壓不能突變的特性對交流電壓進(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載兩端，需對其進(jìn)行穩壓。穩壓管反向擊穿時(shí)，在一定的電流范圍內表現出穩壓特性，因此可用來(lái)穩定直流輸出電壓。然而其電源穩定性較差，輸出精度較低，因此一般選用輸出穩定可靠的三端集成穩壓器，在滿(mǎn)足電源設計要求的前提下還可縮短設計周期、降低設計成本。

B.控制電路設計

僅有以上四個(gè)基本環(huán)節組成的穩壓電源帶載能力較差，當負載電流增大時(shí)輸出電壓會(huì )降低，不能滿(mǎn)足大多數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(zhù)負載的變化而變化，應使電源自身具有反饋調節能力，其原理如圖3所示。

圖3 閉環(huán)穩壓電源框圖

當負載兩端電壓發(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電壓進(jìn)行比較，并將此微弱的誤差信號進(jìn)行放大進(jìn)而調節控制元件的工作狀態(tài)，從而調節負載兩端的電壓，使其保持穩定?？刂圃x用工作狀態(tài)可調節的元件，如三極管，其發(fā)射極電流會(huì )隨著(zhù)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節三級管的導通程度，從而可調節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)行擴大，其原理如下圖所示。

圖4 電流擴大電路

圖4中，當負載電流較小時(shí)，負載所需的電流完全由穩壓模塊提供，當負載電流增大時(shí)，電阻R上的壓降增大，將使串聯(lián)調整三極管Q導通，三極管與穩壓模塊一起提供負載電流。

C.保護電路設計

為了提高電源的使用可靠性和安全性能，通常需設計一些簡(jiǎn)單的保護電路，如過(guò)壓、過(guò)流保護等，如下圖所示。

圖5 系統保護電路

圖5中，F1、Q1、R5、R6組成過(guò)電壓保護電路，當負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，晶閘管導通，瞬時(shí)大電流使F1熔斷，從而起到保護電路的作用。R1、Q2、D1組成預穩壓電路，將穩壓模塊的輸入電壓固定在某一電壓值，使得，輸入電壓不隨負載變化。R2、Q3、R4組成過(guò)流保護電路，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組成電流擴大電路，提供電路的帶載能力。

3. 電源電壓檢測與管理

在有多種制式直流電壓輸出的復雜控制系統中，當系統發(fā)生故障時(shí)，首先要檢測各個(gè)芯片或電路的電源輸出是否正常，為了避免人工檢測所帶來(lái)的耗時(shí)費力和不便等缺點(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)的檢測方法，如圖6所示。

圖6 電壓有無(wú)檢測電路

R1、R2組成對直流輸出電壓的采樣電阻網(wǎng)絡(luò )，當電源有輸出電壓時(shí)R2上的壓降使光耦導通，R5上的壓降增大，將R5上取得的高電平信號送給單片機處理后顯示。當電源無(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，將此低電平信號送入單片機處理后顯示、報警。其中R3、R4為限流電阻。

此電路在滿(mǎn)足電壓有無(wú)檢測的條件下，一方面用到的元件數量少、價(jià)格便宜;另一方面通過(guò)光耦實(shí)現了主電路和控制系統的電氣隔離，降低了對控制系統的干擾。此外，對每路電壓的輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)監測和顯示，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雜電源系統的檢測與管理。

4. 電源設計中應注意的問(wèn)題

下面總結一些在該電源設計與調試過(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。

預穩壓電路中(圖5)，為降低對限流電阻R1的功率要求，用三極管Q2為電流提供通路，在實(shí)際應用中Q2應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)的調試，其決定著(zhù)三極管的工作狀態(tài)，決定著(zhù)電源的帶載能力。

在整個(gè)電路的設計與調試中，元件參數的正確計算與元件型號的合理選擇至關(guān)重要。

設計過(guò)程中若能充分結合仿真軟件對電路的工作原理進(jìn)行驗證，及時(shí)找出電路中存在的問(wèn)題，可大大縮短設計周期，降低設計成本。對發(fā)熱較大的元件應加散熱片，防止元件過(guò)熱損壞。該文原載于中國社會(huì )科學(xué)院文獻信息中心主辦的《環(huán)球市場(chǎng)信息導報》雜志總第445期2012年第08期(2月28 日出版)-----轉載須注名來(lái)源

參考文獻

[1] 康華光, 陳大欽. 電子技術(shù)基礎模擬部分[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:機械工業(yè)出版社,2002

[4] 趙景波. PROTEL 2004電路設計應用范例[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2006