电源模块设计

§6.1 电源模块

电源是各种电子系统与设备的源动力，电源系统出故障，会使整个电子设备不能正常工作，因此电源性能的好坏直接影响到系统与设备工作质量和效率。在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电，直流稳压电源是一种性能接近理想电压源的直流电源。

按调整元件工作状态直流稳压电源分为线性稳压电源和开关稳压电源两大类。小功率电源多用线性稳压电路，其中三端集成稳压器由于使用方便，应用越来越广泛。大功率电源多采用开关稳压电路，一般采用脉宽调制实现稳压。开关型稳压电路又分串联型和并联型，由于并联型开关稳压电路易实现多组电压输出和电源与负载间电气隔离，因而应用较广泛。

§6.1.1 稳压电源的性能指标

稳压电源的性能指标分为两种：一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压（纹波系数）、温度系数及负载稳定度。

1、稳压系数S：表示在负载电流与环境温度保持不变的情况下，由于输入电压Ui的变化而引起的输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量的比值，即：S=(△Uo/Uo)/(△Ui/Ui)，S越小电源的稳定性越好，通常S约为10～10。

2、输出电阻Ro：又叫等效内阻，表示当输入电压和环境温度保持不变时，由于负载电流Io变化而引起的输出电压的变化量与负载

电流的变化量的比值，即Ro=△Uo/△Io ，可见如果Ro 越小，则说明输出电压的变化越小，通常输出电阻可小到1欧，甚至0.01欧。

3、纹波系数ξ：输出直流电压中的交流分量叫纹波电压，纹波电压占输出直流电压的百分比称之为纹波系数，即ξ=[(U-)/Uo]×100%，显然，ξ越小越好。通常稳压电源的纹波电压只有几毫伏，甚至小于1毫伏。

4、电压温度系数T K ：当环境温度变化时，引起的输出电压的变

化量与温度变化量的比值，即T U K T ΔΔ=/0，良好的稳压电源，应在环境温度变化时，有效地抑制输出电压的漂移，保持输出电压稳定。

5、负载稳定度I S ：又称负载调整率，指在输入电压不变的情况下，

负载电流的变化而引起的输出电压的变化率，通常用输出电压的相对变化量与负载电流变化量之比来表示，即%1000

00×ΔΔ=

I U U S I ，显然，I S 越小稳压电源的性能越好。

§6.1.2 线性稳压电源

线性稳压电源指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源，是比较早使用的一类直流稳压电源。其特点是：输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；效率较低；发热量大（尤其是大功率电源），间接地给系统增加热噪声。

如图6－1所示，线性稳压电源由变压、整流、滤波和稳压三个部分组成。变压是将输入的220V 的交流电变成所需大小的交流电；整流指把大小、方向都变化的交流电变成单向脉动的直流电；滤波指滤除脉动直流电中的交流成分，使得输出波形平滑；稳压指输入电压

波动或负载变化引起输出电压变化时，能自动调整使输出电压维持在原值。

图6－1直流稳压电源的组成

一、整流电路

利用具有单向导电性能的整流元件如二极管等，将交流电转换成单向脉动直流电的电路称为整流电路。整流电路按输入电源相数可分为单相整流电路和三相整流电路，按输出波形又可分为半波整流电路和全波整流电路。目前广泛使用的是桥式整流电路。

1、单相半波整流电路

图6-2为单相半波整流电路的原理图及工作波形。图6-2(a)中，变压器T1将220V 的交流电压1u 降为整流电路所需要的交流电压2u ，整流二极管D 将2u 变为单相脉动的直流电压。

图6－2 单相半波整流电路及工作波形

电路的工作过程简述如下：在2u 的正半周时，整流二极管D 加正向电压而导通，若忽略二极管本身的压降，则负载两端的输出电压等于变压器二次侧电压，即20u u =。在2u 的负半周时，整流二极管D 加反向电压而截止，此时负载上无电流流过，输出电压00=u ，电路工作波形如图6－2(b)所示。单相半波整流输出电压的平均值为：

∫===ππωωπ0222o 45.02)(sin 221U U t td U U

二极管截止时承受的最高反向电压为u 2的最大值2RM 2U U =，

在选则整流二级管时，应选择耐压大于该值的管子，以免反向击穿。

由图6-2可见，电路只在2u 的正半周有输出，所以称为半波整流电路。半波整流电路结构简单，使用元件少，但整流效率低，输出电压脉动大，因此，它只使用于要求不高的场合。为了克服半波整流电路的缺点，常采用全波整流电路或桥式整流电路。

2、单相全波整流电路

单相全波整流电路如图6-3 (a)所示，波形图如图6-3(b)所示。

6-3 单相全波整流电路

电路的工作过程与半波整流的分析相类似，在此不再熬述，根据图6-3(b)可知，全波整流电路输出的直流电压为半波整流电路的两倍，即2o 9.0U U =，在2u 的一个周期内，变压器的每组只有一半的时间通过电流，整流二极管所承受的最大反向电压为2RM 22U U =。

3、单相桥式整流电路

如图6-3(a)所示，D1、D2、D3、D4四只整流二极管接成一个电桥，故称为桥式整流，通常将其简化为图6-3(b)的形式。

图6-3 单相桥式整流电路及工作波形

电路的工作过程简述如下：在2u 的正半周期，即a 点为正b 点为负时，D1、D3承受正向电压而导通，D2、D4承受反向电压而截止，此时有电流流过负载L R ，电流0i 的路径为a →D1→L R →D3→b →a ，若

忽略二极管的正向压降，则输出电压20U U =；在2u 的负半周期，即a 点为负b 点为正时，D2、D4承受正向电压而导通，D1、D3承受反向电压而截止，此时也有电流流过负载L R ，电流0i 的路径为b →D2→