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%100000×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→L R →D4→a →b ，若忽略二极管的正向压降，则输出电压20U U −=。

由此可见，在交流电压2u 的整个周期始终有同方向的电流流过负载电阻L R ，电路的工作波形如图6-3(c)所示。

由电路的工作波形可知，桥式整流电路输出的直流电压为半波整流电路输出电压的两倍，即2o 9.0U U =，另外由于每两只二极管只导通半个周期，故流过每只二极管的平均电流仅为负载电流的一半，即2/04321I I I I I D D D D ====，而每只二极管上承受的反向电压与半波整流相同，即2RM 2U U =。

桥式整流电路与半波整流电路相比较，其输出电压高，脉动成分小；而与全波整流电路相比，每只二极管承受的反向峰值电压低，变压器利用率高，所以它的应用较为广泛。

二、滤波电路整流电路可以将交流电转换为直流电，但脉动较大，许多电子设备需要平稳的直流电源。

这种电源中的整流电路后面还需加滤波电路将交流成分滤除，以得到比较平滑的输出电压。

滤波通常是利用电容或电感的能量存储功能来实现的。

1、电容滤波电路单相半波整流电容滤波电路如图6－4(a)所示，电路的工作过程为：在2u 的正半周期，设2u 从0V 上升，此时整流二极管D 导通20U U =，电源对电容C 充电，由于电容充电速度很快，所以电容电压C U 紧随输入电压2u 按正弦规律上升至2u 的最大值。

然后2u 继续按正弦规律下降，此时20u u <，使二极管D 截止，电容C 通过负载电阻L R 按指数规律放电，放电时间常数为C R L ，其值较大，所以电容两端电压下降的速度比2u 下降的速度慢的多，负载电压等于电容器两端的电压，即C 0u u <。

C U 降至C U U >2时，二极管又导通，电容C 再次充电……。

这样循环下去，2u 周期性变化，电容C 周而复始地进行充电和放电，使输出电压脉动减小，输出电压的波形如图6-4（b ）所示。

图6－4 单相半波整流电容滤波电路电容C 放电的快慢取决于时间常数（C R L =τ）的大小，时间常数越大，电容C 放电越慢，输出电压0U 就越平坦，平均值也越高。

一般常用如下经验公式估算电容滤波时的输出电压平均值。

半波：2o U U =，全波：2o 2.1U U = 为了获得较平滑的输出电压，一般要求CR ω1)15~10(L ≥，即： 2)5~3(L T C R ≥=τ 式中T 为交流电压的周期。

滤波电容C 一般选择体积小，容量大的电解电容器。

应注意，普通电解电容器有正、负极性，使用时正极必须接高电位端，如果接反会造成电解电容器的损坏。

加入滤波电容以后，二极管导通时间缩短，且在短时间内承受较大的冲击电流（o C i i +），为了保证二极管的安全，选管时应放宽裕量。

单相半波整流、电容滤波电路中，二极管承受的反向电压为2C DR u u u +=，当负载开路时，承受的反向电压为最高，为：2RM 22U U =。

2、电感滤波电路电容滤波电路的输出内阻较大，当L R 变化时，端的电压也随之变化，另为整流二极管导电时冲击电流较大，对其寿命有影响，为此可利用电感直流的电阻很小，而对交流的阻抗很大的特点来实现滤波。

单相桥式整流电感滤波电路如图6－5所示。

图6－5 单相桥式整流电感滤波电路电感滤波的缺点是制做复杂、体积大、笨重且存在电磁干扰。

适用于负载电流较大的场合。

为了提高滤波电路的特性，常用的复合滤波电路有图6－6所示的几种。

图6－6 复合滤波电路LC 、CLC π型滤波电路适用于负载电流较大，要求输出电压脉动较小的场合。

在负载较轻时，经常采用电阻替代笨重的电感，构成CRC π型滤波电路，同样可以获得脉动很小的输出电压。

但电阻对交、直流均有压降和功率损耗，故只适用于负载电流较小的场合。

三、线性直流稳压电路将不稳定的直流电压变换成稳定且可调的直流电压的电路称为直流稳压电路。

1、并联型稳压电路图6－7为由稳压二极管构成的并联型稳压电路，图中的Dz为稳压二极管，注意其接法，即反接于电路中。

图6－7 稳压二极管构成的并联型稳压电路稳压原理：输入电压U波动时会引起输出电压0U波动。

如i U升i高将引起U升高，导致稳压管的电流Z I急剧增加，使得电阻R上的Z电流I和电压U迅速增大，从而使0U基本上保持不变。

反之，当i U减R小时，U相应减小，仍可保持0U基本不变。

即：R Array当负载电流I发生变化引起输出电压0U发生变化时，同样会引起I的相应变化，使得0U保持基本稳定。

如当0I增大时，I和R U均会随Z之增大使得U下降，这将导致Z I急剧减小，使I仍维持原有数值保持0U不变，使得0U得到稳定。

即：R2、串联型稳压电路图6－8为由晶体管构成的串联型稳压电路， 图中调整管1V 与负载L R 相串联，且晶体管工作于线性放大区，所以此类电路称为串联型线性稳压电路。

图6－8 由晶体管构成的串联型稳压电路稳压原理：当输入电压i U 或输出电流0I 变化引起输出电压0U 增加时，取样电压F U 相应增大，使2V 管的基极电流2B I 和集电极电流2C I 随之增加，2V 管的集电极电位2C U 下降，因此1V 管的基极电流1B I 下降，使得1C I 下降，1CE U 增加，0U 下降，使0U 保持基本稳定。