一種多路輸出兼做輔助電源的穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

孟治國(guó)

（廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子通信系，廣東 廣州 510300）

電源是電子設(shè)備的重要部分，電力電子線路或電子儀器設(shè)備要求電源的輸出電壓或輸出電流要穩(wěn)定，電子設(shè)備的故障很多是源于電源問(wèn)題，其質(zhì)量直接影響到電子設(shè)備的各項(xiàng)性能[1]，因此電源必然受到設(shè)計(jì)人員的重視。比不得開(kāi)關(guān)電源的不同繞組輕易實(shí)現(xiàn)多路電壓輸出，線性電源實(shí)現(xiàn)多路輸出需要更多的元器件，所以開(kāi)發(fā)多路輸出為其他電路提供輔助電源的方法，既能增加輸出電路的功能，又能減少輔助單元電路，適用于有多路電壓輸出而又要求主電路電壓更穩(wěn)定的電源設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)技術(shù)概要

串聯(lián)穩(wěn)壓電源仍應(yīng)用在工業(yè)控制、儀器儀表、家用電器等領(lǐng)域，該類電源由工頻變壓器把單相或三相交流電壓變到適當(dāng)值，然后經(jīng)整流、濾波，獲得不穩(wěn)定的直流電源，再經(jīng)穩(wěn)壓電路得到穩(wěn)定電壓，電源線路簡(jiǎn)單、紋波小、相互干擾小。要應(yīng)用該技術(shù)，不但要掌握相關(guān)模擬電路的知識(shí)，而且還要深入了解各相關(guān)部件的工作原理，不斷了解不同結(jié)構(gòu)的穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)方法，只有將這些知識(shí)融會(huì)貫通，才能設(shè)計(jì)出符合要求的電路。

在穩(wěn)壓電源中，負(fù)載電流要流過(guò)調(diào)整管，輸出大電流的電源必須使用大功率的調(diào)整管，這就要求有足夠大的電流供給調(diào)整管的基極，而比較放大電路供不出所需要的大電流，另一方面，調(diào)整管需要有較高的電流放大倍數(shù)，才能有效地提高穩(wěn)壓性能[2]，但是大功率管一般電流放大倍數(shù)都不高。解決這些矛盾的辦法，除了使用復(fù)合管，還通過(guò)給原有的調(diào)整管再配上一個(gè)輔助電源，增加其抗干擾能力，并提高基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性。

串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路實(shí)際上是一個(gè)閉環(huán)反饋，具有執(zhí)行元件和反饋支路，包括取樣電路、基準(zhǔn)電壓源、誤差比較放大器及調(diào)整管單元電路[3]。取樣電路取到電壓值后與基準(zhǔn)電壓比較，比較后的誤差信號(hào)送至驅(qū)動(dòng)器增強(qiáng)控制效果，調(diào)整管是閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其余部分支持反饋線路，輸入電壓經(jīng)過(guò)調(diào)整管元件調(diào)節(jié)，成為穩(wěn)定的輸出電壓[4]。分析調(diào)整電路可知，不管輸入電壓波動(dòng)還是負(fù)載變化對(duì)輸出電壓的影響，調(diào)整晶體管的動(dòng)態(tài)電阻是隨著輸出電壓的變化而自動(dòng)改變的，輸出電壓范圍不受調(diào)整元件本身耐壓的限制。串聯(lián)反饋調(diào)整型穩(wěn)壓電源可滿足負(fù)載變動(dòng)較大、輸出電壓可調(diào)、穩(wěn)壓性能較高等要求。

2 電路的工作過(guò)程

圖1是多路輸出的穩(wěn)壓電源線路，主輸出為12 V，額定輸出直流電流1.2 A，直流保險(xiǎn)絲用2 A，考慮到浪涌電流，有一定的余量。變壓器功率容量為30 VA，初級(jí)電流為0.1 A，由于啟動(dòng)時(shí)電流脈沖電流大，故交流保險(xiǎn)絲用0.5 A。變壓器輸出交流電壓，經(jīng)整流濾波后輸出直流電壓，可分為多路輸出，這里以兩路為例。一種直接給非穩(wěn)壓電路輸出，主要提高功率輸出，增加穩(wěn)壓管、分壓電阻等器件后可作為輔助電源。另一路經(jīng)串聯(lián)穩(wěn)壓電路，輸出約12 V直流電壓，供電器主電路使用，它由達(dá)林頓調(diào)整管 V701、V702，取樣電路 R705、RP701、R706及產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)壓管VD701與比較放大管V703等部分組成，輸出電壓可調(diào)整，由于達(dá)林頓管的V701的c極、e極與負(fù)載串聯(lián)，所以稱為串聯(lián)可調(diào)型穩(wěn)壓電路。

2.1 穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓過(guò)程

圖1 多路輸出兼做輔助電源的穩(wěn)壓電源電路圖Fig.1 Circuit diagram of the regnlated power supply withmnltiplexed output doubled as auxiliary supply

當(dāng)負(fù)載不變時(shí)，如果輸入電壓V i增加，則負(fù)載電流I L有增加的趨勢(shì)，使V o增加。取樣電壓相應(yīng)增加，即V703的基極電位對(duì)地V b下降，由于基準(zhǔn)電壓VD701使V703的V e發(fā)射極電位保持不變，故使V703的基極-發(fā)射極正向電壓V be3增加。也就是V be3上升。經(jīng)V703放大使集電極電位V703的V c升高，集電極電位V703的V c的升高，使調(diào)整管的V701的正向電壓V be1變小，于是基極電流I b1減小。其結(jié)果使V701集電極-發(fā)射極電阻增加，迫使管壓降V ce1增加，從而使輸出電壓V0在確定的的負(fù)載電流下基本保侍不變。上述穩(wěn)壓過(guò)程簡(jiǎn)化為：

2.2 改進(jìn)輸入電壓變化對(duì)輸出電壓的影響

將取樣電壓同基準(zhǔn)電壓比較，使輸出電壓變化量的一部分加到放大管的基極與發(fā)射極之間。將V be3的變化量放大并送到調(diào)整管基極，控制V ce1的變化。因此直流放大器稱為比較放大器。為了保障這一核心穩(wěn)壓部件的工作環(huán)境，進(jìn)一步減少輸入電壓變化對(duì)輸出電壓的影響，本設(shè)計(jì)采用了兩種改進(jìn)方法，是設(shè)計(jì)的特點(diǎn)之一。

一是利用在穩(wěn)壓輸入端接入大電容C706，大電容與集電極電阻R701組成濾波器，既能顯著牽制基極電阻R702上的電壓，又能進(jìn)一步濾除濾波電容C705后的高頻成分。

二是采用為比較放大器提供輔助電源的方法，但是因?yàn)楸倦娫从袃陕份敵?，不同于一般提供輔助電源的設(shè)計(jì)還需要有一個(gè)獨(dú)立供電[5]，通過(guò)VD703、偏置電阻跨接到輸出與取樣整個(gè)電路上，增加基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性。R704要盡可能大，使其與VD703分壓所得的輸入變量電壓盡量小。

2.3 串聯(lián)穩(wěn)壓電路詳細(xì)設(shè)計(jì)

1)調(diào)整管由V701、V702組合成復(fù)合管，它等效一只NPN管，其 β=β1×β2，由于是復(fù)合管，復(fù)合管基極電流 I b=I sc/β，電流很小即可控制復(fù)合管中BG1流過(guò)總的負(fù)載電流，要用大功率管。BG2只需供給BG1基極電流，用中功率管即可。如果復(fù)合管的調(diào)整管電流放大系數(shù)不能滿足要求，可多只晶體管組成復(fù)合管。復(fù)合管增加并不是越多越好，沒(méi)有限制，其原因是當(dāng)負(fù)載電流減小與溫度升高時(shí)，由于反向電流的增大，將有可能使穿透電流大于工作電流，BG1與BG2均進(jìn)入截止區(qū)，，IB1與IB2電流反向。使V o輸出電壓失控，進(jìn)而負(fù)載輸出電壓下降。解決方法是在BG1基極與BG2發(fā)射極之間引入電阻R703，由R703接地，使BG1管高溫時(shí)反向電流I cb0和BG2管在高溫時(shí)穿透電流I ceo二電流之和，有個(gè)泄放通路，用來(lái)防止高溫時(shí)，由于I cb0+I ceo的增大，使V701失控。

2）調(diào)整管兩端的電阻R707是一個(gè)用于啟動(dòng)和分流的電阻，它的作用是開(kāi)機(jī)的瞬間，電容C709能夠通過(guò)R707充電，電壓上升很快，從而使V703導(dǎo)通進(jìn)入穩(wěn)定正常工作狀態(tài)。R707電阻分擔(dān)調(diào)整管部分電壓，降低了調(diào)整管的功率損耗，同時(shí)也降低了調(diào)整靈敏度，在發(fā)生短路保護(hù)時(shí)，整流輸出電壓全部加在電阻R707兩端，流過(guò)R707的電流相當(dāng)為總負(fù)載電流，所以R707用的是水泥大電阻，才可承擔(dān)。C709的另一個(gè)作用是進(jìn)一步減低紋波電壓，它將輸出的紋波電壓通過(guò)V703放大，負(fù)反饋到調(diào)整管的基極，大幅度的降低調(diào)整管紋波電壓。

3）V701、V702是電壓可調(diào)過(guò)程的關(guān)鍵部件，它的V ce隨輸出電壓自動(dòng)調(diào)整[6]，輸出電壓由R705、RP701、R706取樣與基準(zhǔn)電壓VD701的穩(wěn)壓值比較，產(chǎn)生誤差電壓V be3，經(jīng)V703倒相放大，用于控制達(dá)林頓調(diào)整管的基極電壓，從而改變V ce1使輸出V sc保持穩(wěn)定。

4)調(diào)整管V701在工作狀態(tài)時(shí)V ce集電極與發(fā)射極電壓為20 V-12 V=8 V，由于輸出電流為1.2 A，1.2 A×8 V=9.6 W因此有=9.6 W的熱損耗，要裝30W散熱器。V701、V702達(dá)林頓管流過(guò)集電極電流為1.2 A/40=30mA。

5）R704是穩(wěn)壓管的限流電阻，取適當(dāng)值，使穩(wěn)壓管有6～10mA左右電流，來(lái)調(diào)節(jié)電流穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓。如果限流電阻小，負(fù)載電阻也小，則流過(guò)R L電流大，穩(wěn)壓管得到的電流也小，使總的I R電流維持不變。如果負(fù)載R L不變，但輸入電壓變化，則輸入I R電流將增加，此時(shí)I Z電流也隨之增加，保證負(fù)載電流基本不變，如果輸入電壓與負(fù)載都在變化，穩(wěn)壓值會(huì)隨之綜合調(diào)整。穩(wěn)壓管工作溫度影響穩(wěn)定性，擊穿電壓小于5～6 V穩(wěn)壓管有負(fù)溫度系數(shù)，為齊納擊穿。擊穿電壓大于5～6 V穩(wěn)壓管有正負(fù)溫度系數(shù)，為雪崩擊穿。穩(wěn)壓管選用以雪崩擊穿更穩(wěn)定，通常穩(wěn)壓管的值選擇在整個(gè)電路輸出電壓的0.5～0.8倍為最佳。

6）R701、R702既是 V703的集電極負(fù)載， 又與 C706、C707組成兩節(jié)R C濾波電路，目地是，電源電壓太低時(shí)，R C濾波電路與復(fù)合管起到電子濾波器作用，在基極接有容量小的C b，就相當(dāng)在發(fā)射極接上一個(gè)（1+β）C b的大電容來(lái)減小紋波電壓，大阻值對(duì)提高V703的增益和減小紋波均有利，但要注意，因?yàn)镽701、R702大，直流壓降也大，勢(shì)必導(dǎo)致比較放大管的直流狀態(tài)不正常，有可能進(jìn)入飽和區(qū)。V703集電極電壓為12 V+V be701+V be702=13.4 V，因此 20 V-13.4 V=6.6 V為R701、R702 的壓降。 對(duì)于 V702 其基極電流為 1.2 A/β1/β2=0.3 mA，這個(gè)電流是R701、R702.提供給 V702基極的，要想供給V702基極0.3 mA電流，R701、R702值不能太大，當(dāng)輸出電壓為12 V時(shí)，R701、R702的壓降為20 V-13.4 V=6.6 V，R701、R702電阻在3K以下，分開(kāi)兩節(jié)濾波各1/2電阻。

7）達(dá)林頓管中的V701是大功率管，選取原則是正常工作時(shí)，V ce應(yīng)在3 V以上，以保證它工作在放大區(qū)，正常供電時(shí)V sr=V ce+V sc，V ce=V sr-V sc，若電網(wǎng)電壓允許有20%的波動(dòng)，則輸入最大電壓值要在V sr(max)=1.2(V ce+V sr)。

如輸出 V sc=12 V、V ce=4～8 V，則 V sr(mix)=1.2(12+4)=20 V，V sr(max)=1.2(12+8)=24 V在Bvce0取極限的狀態(tài)下要大于24 V的3倍以上。

如輸出電流也取極限，電流最大值為1.5倍的I o值.，若電流輸出為1.2 A，則

P max=1.5I o(V sr(max)-V sc(min)=1.5x1.2(24 V-12 V)=22W

7)可調(diào)的輸出電壓由RP701來(lái)調(diào)整，設(shè)RP701的中間觸點(diǎn)將其分為R a和R b兩部分，串聯(lián)電路分壓原理可得V b3=

V sc， 而 V b3=V Dw+V be3≈V Dw，V be3=0.7 V，V Dw＞＞V b3，所以

R705、RP701、R706阻值一般不宜取的過(guò)大，過(guò)大會(huì)使放大管V703的I b3太小，控制靈敏度降低。但也不能太小，太小會(huì)使V703損耗過(guò)大。

3 結(jié)論

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的元件標(biāo)稱值和允許誤差更加準(zhǔn)確，印證了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確，保證穩(wěn)壓電源各項(xiàng)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求；接入大電容濾除高頻成分等設(shè)計(jì)是對(duì)穩(wěn)定電源設(shè)計(jì)的有益改進(jìn)；在多路輸出上取穩(wěn)壓，為比較放大器提供輔助電源，避免了輸入電壓波動(dòng)和輸出電流、負(fù)載變動(dòng)對(duì)放大器工作環(huán)境的影響，取得的輸出電壓參考值與標(biāo)準(zhǔn)電壓的差值變化才更精確，調(diào)壓更穩(wěn)定、元件更節(jié)約。

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