晶体管扩流 5V3A线性稳压电源设计 (1)

晶体管扩流5V/3A线性稳压电源设计一、线性稳压电源1.1工作原理电源是各种电子设备必不可缺的组成部分。

线性稳压电源具有性能可靠，构造简单，反应速度快，纹波干扰小等特点，在电路中得以广泛的应用。

目前，虽然各种开关电源得到了很大的发展，但在性能要求较高的模拟电路，如音响电路、高精度测量等电路中，仍然无法替代线性稳压电源。

线性稳压电源主要由工频变压器、整流电路、线性稳压电路等组成，其结构如图1。

图1 线性稳压电源结构图常用的线性串联型稳压电源芯片有：78XX 系列（正电压型），79XX 系列（负电压型）。

例如7805 ，输出电压为5V ）；LM317 （可调正电压型），LM337 （可调负电压型）；1117 （低压差型，有多种型号，用尾数表示电压值。

如1117-3.3 为3.3V ，1117-ADJ 为可调型）,LM2940。

通常这些线性稳压电源IC内部由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个基本部分组成。

线性稳压电源的主要缺陷，除了工频变压器的体积较大外，就是变换效率较低，通常只能达到35%-60%。

而变换效率低的主要原因在于线性稳压电路的效率较低。

使线性稳压电路中的电压调整管上承受较大的功耗，需要使用大面积的散热片对其散热，这就进一步加大了线性稳压电源的体积。

常用的5V线性稳压电源如7805的输出电流通常不超过1A，因此在需要线性稳压电源输出电流达到3A的时候需要对现有的线性稳压电源进行扩流。

常用的线性稳压电源扩流方法有使用晶体管电流放大的特性进行扩流。

为降低损耗，此次设计选用了低压差线性稳压电源LM2940。

图2是利用晶体利用晶体管扩流的3A/5V线性稳压电源的扩流设计。

图2 晶体管扩流线性稳压电路1.2线性稳压电源扩流的原理UIN接直流输入电源，其输入电压的范围跟选用的芯片有关，UOUT为线性稳压电源的输出端接负载。

如图所示流过负载的电流为Io，Io由源LM2940的输出电流I2和PNP 的输出电流I1两部分。

IR为流过电阻的电流，Ib为PNP的基极电流，Iin为源LM2940的输出电流。

分析时忽略源LM2940的静态工作电流。

假设晶体管的放大倍数为β，晶体管基极导通电压为Ueb。

如图3所示。

Io=I1+I2 (1-1)Iin=IR+Ib (1-2)I1=βIb(1-3)I2= Iin=IR+Ib (1-4)IR=Ueb/R1 (1-5) Io=I1+I2=βIb+ Iin=βIb+ IR+Ib=(1+β) Ib+Ueb/R1 (1-6) 由式(1-6)可知是，输出电流和晶体管的放大倍数以及电阻R1的值相关，由于晶体管输出电流与基极的电流成正比，晶体管的放大倍数为β，当晶体管处于线性放大区工作时，只要较小的Ib电流，就能获得较大的I2输出，当参数选取合适时，I2的电流将是Io输出电流的主要部分，从而实现了扩流。

在使用时要确保PNP处于线性放大区。

图3晶体管扩流线性稳压电路原理分析1.3晶体管扩流的优点.电路简单,稳定.调试方便。

电路中几乎没有产生高频或者低频辐射信号的元件,工作频率低,EMI等方面易于控制。

1.4晶体管扩流的缺点：此电源是线性稳压电路,所有有其特有的内部功率损耗大,全部压降均转换为热量损失了,效率低.所以散热问题要特别注意。

由于核心的元件源LM2940的工作速度不太高,所以对于输入电压或者负载电流的急剧变化的响应慢。

此电路没有加电源保护电路,源LM2940本身有过流和温度保护，但是扩流三极管没有加保护,所以存在一个很大的缺点,如果源LM2940在保护状态以后,电路的输出会是Vin-Vce,电路输出超过预期值,因此在设计时应做相应的措施。

二、5V/3A线性稳压电源系统设计指标本课程设计的设计目标为，设计一个电路，实现对LM2940线性稳压电源的输出电流扩流，使得扩流后的电路能够最大工作在3A的负载下，并满足如下要求：(1)电压调整率≤0.2％（输入电压220V变化范围＋10％～－10％下，满载）(2)负载调整率≤1％（最低输入电压下，空载到满载）；(3)效率≥40％（输出电压5V.输入电压220V下，满载）；(4)PNP 管子外壳温升不超过70摄氏度 三、电路设计：根据线性稳压电源扩流的原理，设计扩流电路。

如图2为晶体管扩流电路原理图，其组成由变压器，整流桥以及晶体管放大型扩流电路组成。

图4 晶体管扩流电路原理图四、元器件选型4.1不可控整流部分参数选取依据：如图3所示a 图为单相电容滤波不可控整流电路的原理图，b 图为工作波形图。

图5可控整流电路的原理图工作原理：在u 2正半周过零点至w t =0期间，因u 2<u d ，故二极管均不导通，电容C 向R 放电，提供负载所需电流。

至w t =0之后，u 2将要超过u d ，使得VD1和VD4开通，u d =u 2，交流电源向电容充电，同时向负载R 供电。

主要数量关系忽略二级管的压降有： 空载时2U d重载时，U d 逐渐趋近于0.9U 2，即趋近于接近电阻负载时的特性。

在设计时根据负载的情况选择电容C 值，使(3~5)/2RC T ≥, 此时输出电压为： U d ≈1.2U 2。

电流平均值输出电流平均值I R 为： I R =U d /R二极管电流I D 平均值为：I D =I d /2=I R /22由LM2940的输入电压范围在6.25V ≤V IN ≤26V ，为了减小线性电源的损耗，因此希望变压器二次侧整流后获得的直流电压的值在LM2940的输入范围内，且值尽量的小。

在选型时由于常用的工频变压器有交流220转5、9、12、等几个固定值范围。

因此变压器选择220V 转9V2约为12.7V 。

为保证输出电流不小于3A ，因此该变压器的功率应大于27W ，购买时根据实际情况选择功率大于30W 的变压器。

4.2器件具体选型 （1）整流二极管：2，二极管承受的正向电压有效值为2/2U 。

因变压器选择220V 转9V 的工频变压器，整流二级管所承受方向峰值电压为二次侧电压峰值为2约为12.7V ，二级管承受的正向电压有效值为4.5V 。

考虑安全裕量，一般选取二极管的反向电压为二级管所承受的反向电压峰峰值的2-3倍。

假定二极管反向重复峰峰值电压为HRM V ，则有：2(23)2HRM V U ≥因为 变压器二次侧有效值为9V ，即有2约为12.7V ，所以设计选取二极管的反向电压为二级管所承受的反向电压峰峰值的3倍时有2HRM V ≥38.07H R M V ≥二极管正向电压有效值为RMSV 考虑裕量则有：2(23)/2RMS V U ≥设计选取正向有效值电压裕量为3倍时则有：23/2RMS V U ≥二极管的正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此在使用时应该按照工作中实际波形的电流与正向平均电流造成的发热效应相等，即有效值相等的原则来选取二极管的电流额定值，并且留有一定的裕量。

线性电源的输入输出电流大小相等，因此流过二极管的电流的平均值为AId R I /2I /21.5A A I ===假定二级管正向平均电流为() AV I ，在选取二极管电流大小时通常选取二极管正向平均电流为实际电流的1.5-2倍，所以有：() (1.52)AV A I I ≥设计选取2倍的安全裕量则有：() 2AV A I I ≥() 3AV I ≥普通串联稳压电源电路中使用的整流二极管，对截止频率的反向恢复时间要求不高，只要根据电路的要求选择最大整流电流和最大反向工作电流符合要求的普通整流二极。

表1整流二极管参数要求根据上诉要求，选取普通整流二极管，正向平均电流电流3A 以上的整流二极管，反向峰值电压大于38.07V 的二级管。

查阅相关二级管参数手册，设计选用6A 系列二极管可以满足要求，因此整流二级管选用6A05即可满足要求。

6A 系列主要参数如下表所示：(MaximumRecurrent Peak Reverse V oltage 为最大重复反向峰峰值电压，Maximum RMS Voltage 有效值电压，Maximum DC Blocking Voltage 最大直流阻断电压，Maximum Average Forward Rectified Current 最大正向平均电流)13.5RMS V ≥表2 6A系列二级管参数（2）滤波电容选择：单相桥式不可控整流电路，在设计时根据负载的情况选择电容C值，使(3~5)/2≥,RC T此时输出电压为：Ud≈1.2U2。

当满足该要求是可以得到Ud≈1.2U2=10.08V,根据负载电流最大值为3A所以负载的阻值R=Ud/I≈3.3。

T为交流电源的周期为1/50。

所以取时间常数RC T≥有：3/2≥9100C uF忽略二极管压降，整流输出电压的峰值为，因此电容承受的最大电压为为12.7V，2在选取电解电容的电压时，当输入电压比较低时，选取电解电容电压为实际承受电压峰值的两倍。

因此选择电解电容的耐压值为:≥U25.4V电容电压等级大于25.4V的电容且接近25.4V常用电压电压等级为35V，因此选取电容耐压为35V。

当按照上述选取滤波电容，可得整流后的输出直流电压为Ud≈1.2U2=10.8V再减去两个6A系列整流二级管压降1.8V得到PNP的输入电压为9V。

整流后的电压需要经过电阻R1，R1的电阻两端的压降和U eb相等，U eb可以通过PNP所给的图6的集电极电流和U be的关系得到。

查阅图中信息可以得到，当集电极输出电流3A时，U be的电压接近0. 7V，从而求得LM2940的输入端电压为8.3V，满足LM2940的输入要求。

LM2940的最小输入电压为最小输入电压为6.25V，因此滤波电容可以根据实际情况适当减小。

同时为了滤除整流后的高频谐波，可以加上104/35V的瓷片电容。

图6 D45H11的集电极电流和U be的关系（3）功率PNP：变压器二次侧输出电压峰值为12.7V，因此PNP的Uec最大电压以两倍裕量计算应大于25.4V。

当输出的所有电流都从PNP流过时，PNP的电流最大，因此选择Iec电流考虑1. 5倍裕量为不小于4.5A。

设计选用D45H11主要参数如下：表3 D45H11参数（4）功率电阻R1选型:为了限制经过LM2940的电流过大，流过电阻的电流等于PNP的Uec值除以电阻的值。

为让大部分电流从PNP经过，因此选取β为10，Uec等于0.7V，因此电阻电流为0.7V/R,因此选取电阻为10R/1W即可满足要求。

此时3A负载时由LM2940提供的电流约为0.3A 满足要求。

由此可知LM2940的流比较小，在使用中可以不加散热片。

（5）C3,C4滤波电容选型：三端稳压器的典型应用电路如图33所示，，其中Vi接整流滤波电路，在靠近三端集成稳压器输入、输出端处，一般要接入0.33uF和0.1uF电容，其目的是使稳压器在整个输入电压、输出电流变化范围内，提高其工作稳定性和改善瞬变响应，0.33uF是为减小纹波以及抵消输入端接线较长时的电感效应防止自激，并抑制高频干扰。