[单片机]设计直流稳压电源系统

直流稳压电源的设计

一．原理

小功率稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，如图 1

所示。

+	电 源	+	整 流	+	滤 波	+		稳 压	+
u1 _	变压器	u2 _	电 路	u3 _	电 路	_	uI	电 路	_	U0

（a）稳压电源的组成框图

u1 u2 u3 uI

0 0 t 0 t

（b）整流与稳压过程

图 1 稳压电源的组成框图及整流与稳压过程

1. 电源变压器

电源变压器的作用是将来自电网的 220V 交流电压 u1 变换为整流电路所需要的交流电压u2。电源变压器的效率为：

  P2

P1

其中： P2 是变压器副边的功率， P1 是变压器原边的功率。一般小型变压器的效率如表

1. 所示：

表 1 小型变压器的效率

副边功率 P2	 10VA	10 ~ 30VA	30 ~ 80VA	80 ~ 200VA
效率	0.6	0.7	0.8	0.85

因此，当算出了副边功率 P2 后，就可以根据上表算出原边功率 P1 。

  1

1. 整流和滤波电路

在稳压电源中一般用四个二极管组成桥式整流电路，整流电路的作用是将交流电压 u2 变换成脉动的直流电压 u3。滤波电路一般由电容组成，其作用是把脉动直流电压 u3 中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压 UI。UI 与交流电压 u2 的有效值 U2 的关系为：

UI  (1.1 ~ 1.2)U 2

在整流电路中，每只二极管所承受的最大反向电压为：

流过每只二极管的平均电流为：

 URM  

I  I R

 2U 2

 0.45U 2

D 2 R

其中：R 为整流滤波电路的负载电阻，它为电容 C 提供放电通路，放电时间常数 RC 应满足：

RC   (3 ~ 5)T

2

其中：T = 20ms 是 50Hz 交流电压的周期。

1. 稳压电路

由于输入电压 u1 发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压 UI 会随着变化。因此，为了维持输出电压 UI 稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点。

集成稳压器的类型很多，在小功率稳压电源中，普遍使用的是三端稳压器。按输出电压类型可分为固定式和可调式，此外又可分为正电压输出或负电压输出两种类型。

1. 固定电压输出稳压器

常见的有 CW78  （LM78  ）系列三端固定式正电压输出集成稳压器；CW79

（LM79  ）系列三端固定式负电压输出集成稳压器。三端是指稳压电路只有输入、输出和接地三个接地端子。型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值，有 5V、6V、9V、15V、18V 和 24V。稳压器使用时，要求输入电压 UI 与输出电压 Uo 的电压差 UI – Uo ≥2V。稳压器的静态电流 Io = 8mA。当 Uo = 5 ~ 18V 时，UI 的最大值 UImax= 35V；当 Uo=18 ~ 24V 时， UI 的最大值 UImax = 40V。它们的引脚功能及组成的典型稳压电路见附录图 A 所示。

1. 可调式三端集成稳压器

可调式三端集成稳压器是指输出电压可以连续调节的稳压器，有输出正电压的 CW317

  2

系列（LM317）三端稳压器；有输出负电压的 CW337 系列（LM337）三端稳压器。在可调式三端集成稳压器中，稳压器的三个端是指输入端、输出端和调节端。稳压器输出电压的可调范围为 Uo=1.2 ~ 37V，最大输出电流 Iomax =1.5A。输入电压与输出电压差的允许范围为： UI -Uo = 3 ~ 40V。三端可调式集成稳压器的引脚及其应用电路见附录图 B。

二．稳压电源的设计方法：

稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压 Uo、输出电流 Io、输出纹波电压ΔUop-p 等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。

稳压电源的设计可以分为以下三个步骤：

1. 根据稳压电源的输出电压 Uo、最大输出电流 Iomax，确定稳压器的型号及电路形式。

2. 根据稳压器的输入电压U I ，确定电源变压器副边电压 u2 的有效值 U2；根据稳压电源的最大输出电流 I0max，确定流过电源变压器副边的电流 I2 和电源变压器副边的功率 P2； 根据 P2，从表 1 查出变压器的效率η，从而确定电源变压器原边的功率 P1。然后根据所确定的参数，选择电源变压器。

3. 确定整流二极管的正向平均电流 ID、整流二极管的最大反向电压U RM 和滤波电容的电容值和耐压值。根据所确定的参数，选择整流二极管和滤波电容。

设计举例：设计一个直流稳压电源，性能指标要求为：

Uo  3V ~ 9V ,

 Io max

  800mA,

纹波电压的有效值设计步骤：

 Uo  5mV , 稳压系数

 S  3103

1. 选择集成稳压器，确定电路形式

集成稳压器选用 CW317，其输出电压范围为：Uo  1.2 ~ 37V ，最大输出电流 Io max 为

1.5A。所确定的稳压电源电路如图 2 所示。

D6

 

RW

图 2 输出电压可调的稳压电源

图 2 中，取 C1 = 0.01μF，C2 =10μF，C0 = 1μF，R1 = 200Ω，RW = 2kΩ，二极管用 IN4001

在图 2 电路中，R1 和 Rw 组成输出电压调节电路，输出电压

 Uo  1.25(1  Rw

 R1) ，R1

取120 ~ 240 ，流过 R1 的电流为5 ~ 10mA 。取 R1  240 ，则由Uo  1.25(1  Rw / R1) ，

可求得： Rw min

  210 ， Rw max

  930 ，故取 Rw 为 2k 的精密线绕电位器。

1. 选择电源变压器

由于 CW317 的输入电压与输出电压差的最小值UI    Uo min    3V ，输入电压与输出电压差的最大值UI    Uo max    40V ，故 CW317 的输入电压范围为：

Uo max  (UI  Uo )min  UI  Uo min  (UI  Uo )max

即 9V  3V  UI

  3V  40V

12V  UI

  43V

U  U Im in

2 1.1

  12

1.1

  11V ， 取

 U 2  12V

变压器副边电流：

 I 2 Io max  0.8A ，取 I 2  1A ，

因此，变压器副边输出功率：

 P2  I 2U 2  12W

由于变压器的效率  0.7 ，所以变压器原边输入功率 P1

  P2 

  17.1W ，为留有余

地，选用功率为20W 的变压器。

1. 选用整流二极管和滤波电容

由于：URM 

 2U 2 

 2 12  17V ， I 0 max

  0.8A 。

IN4001 的反向击穿电压U RM

选用 IN4001。

  50V ，额定工作电流 I D  1A  I 0 max ，故整流二极管

根据 U 0  9V ,U I

  12V , U  5mV , S  3 103 ，

和公式

 

S  U 0

U 0

 

 UI

UI

 

Io 常数

T 常数

Uop pU I

 0.005 12

可求得：

 UI 

 U 0 Sv

  9  3 103

  2.2V

所以，滤波电容：

I  T

 

0.8 

 

1  1

 

C  I ct 

UI

 

0 max 2

UI

 50 2

2.2

  0.003636F  3636uF

电容的耐压要大于

25V 的电解电容。

 2U 2 

1.  12  17V ，故滤波电容 C 取容量为4700F ，耐压为

三．稳压电源的安装与调试

按图 3 所示安装集成稳压电路，然后从稳压器 D6

的输入端加入直流电压U I

  12V ，调节 RW，若 3 2

输出电压也跟着发生变化，说明稳压电路工作正常。用万用表测量整流二极管的正、反向电阻，正

确判断出二极管的极性后，按图 4 所示先在变压器 UI C

的副边接上额定电流为 1A 的保险丝，然后安装整流滤波电路。 安装时要注意，二极管和电解电容的极性不要接反。经检查无误后，才将电源变压器

 

1 R1 D5

Uo

C1 Co

C2 RW

与整流滤波电路连接，通电后，用示波器或万用表 图 3 稳压电路

检查整流后输出电压 UI 的极性，若 UI 的极性为负，（其中：D5、D6 为 IN4001 型二极管， 则说明整流电路没有接对，此时若接入稳压电路， C1 = 0.1μF，C2 =10μF，C0 =1μF） 就会损坏集成稳压器。因此确定 UI 的

极性为正后，断开电源，按图 2 所示 D1 D4

将整流滤波电路与稳压电路连接起来。

然后接通电源，调节 RW 的值，若输出 u1 D2 D3 C UI

电压满足设计指标，说明稳压电源中各 ~220V u2

级电路都能正常工作，此时就可以进行各项指标的测试。

图 4 整流滤波电路

四．稳压电源各项性能指标的测试

1. 输出电压与最大输出电流的测试

测试电路如图 5 所示。一般情 自耦变压器 Io 电流表

况下，稳压器正常工作时，其输出

电流 Io 要小于最大输出电流 Io max ， RL

取 I 0  0.5A ，可算出 RL=18Ω，

工作时 RL 上消耗的功率为：

PL  Uo Io  9  0.5  4.5W

故 RL 取额定功率为 5W，阻值为 图 5 稳压电源性能指标的测试电路

18Ω 的电位器。

测试时，先使 RL  18 ，交流输入电压为 220V，用数字电压表测量的电压值就是 Uo。

然后慢慢调小 RL ，直到 Uo 的值下降 5%，此时流经 RL 的电流就是 Io max ，记下 Io max 后，要

马上调大 RL 的值，以减小稳压器的功耗。

1. 稳压系数的测量

按图 5 所示连接电路， 在U1  220V 时，测出稳压电源的输出电压 Uo。然后调节自耦变压器使输入电压U1  242V ，测出稳压电源对应的输出电压 Uo1 ；再调节自耦变压器使输入电压U1  198V ，测出稳压电源的输出电压 Uo2。则稳压系数为：

Sv 

 220  Uo1  Uo 2

242  198 Uo

1. 输出电阻的测量

按图 5 所示连接电路，保持稳压电源的输入电压U1  220V ，在不接负载 RL 时测出开路电压 Uo1，此时 Io1=0，然后接上负载 RL，测出输出电压 Uo2 和输出电流 Io2，则输出电阻为：

R    Uo1  Uo 2   Uo1  Uo 2

1. 纹波电压的测试

 o

o1 o 2

 Io 2

用示波器观察 Uo 的峰峰值，（此时 Y 通道输入信号采用交流耦合 AC），测量ΔUop-p

的值（约几 mV）。5．纹波因数的测量

用交流毫伏表测出稳压电源输出电压交流分量的有效值，用万用表（或数字万用表）

的直流电压档测量稳压电源输出电压的直流分量。则纹波因数为：

  输出电压交流分量的有效值输出电压的直流分量

作者：稀稀落落987