分立元件串联稳压电源设计方案

分立元件串联稳压电源设计方案一、设计要求：①输入电源：单相（AC），220V±10%，50HZ±5%；②输出电压：DC：+3～+12V，连续可调；③输出电流：DC：0～800mA；④负载效应：≤5%；⑤输出纹波噪声电压：≤10mV（有效值）；⑥保护性能：超出最大输出电流20%时立即截流保护；⑦适应环境：温度：0~40℃，湿度：20%~90%RH；⑧PCB尺寸：不大于120mm*90mm。二、电路原理图的确定由于桥式整流、电容滤波电路十分成熟，这里我们选择桥式整流、电容滤波电路作为电源的整流、滤波部分。由于要求电源输出电压有一定的调整范围，稳压电源部分选择串联负反馈稳压电路。同时由于对输出电流要求比较大，调整管必须采用复合管。综合这些因素可以初步确定电路的形式，参见图1。图1三、电路各元件参数的计算与型号确定1、变压部分这一部分主要计算变压器B1次级输出电压（UB1）O和变压器的功率PB1。调整管T1的管压降（UT1）CE应维持在3V以上，才能保证调整管T1工作在放大区。整流输出电压最大值为12V。保护电路R6上的压降约2V。桥式整流电容滤波输出电压是变压器次级电压的1.2倍。（UB1）OMIN＝（2+（UT1）CE＋（UO）MAX）÷1.2（UB1）OMIN＝（2+3V＋12V）÷1.2＝17V÷1.2＝14.17V当电网电压下降10%时，变压器次级输出的电压应能保证后续电路正常工作，那么变压器B1次级输出电压（UB1）OMIN应该是：则变压器B1次级额定电压为：（UB1）O＝（UB1）OMIN÷0.9（UB1）O＝14.17V÷0.9＝15.74V当电网电压上升＋10％时，变压器B1的输出功率最大。这时稳压电源输出的最大电流（IO）MAX为800mA。此时变压器次级电压（UB1）OMAX为：（UB1）OMAX＝（UB1）O×1.1（UB1）OMAX＝15.74V×1.1＝17.31V变压器B1的设计功率为(考滤过载20%)：PB1＝（UB1）OMAX×1.2（IO）MAXPB1＝17.31V×1.2×800mA＝17.31VA为保证变压器留有一定的功率余量，确定变压器B1的额定输出电压为18V，额定功率为18～20VA。2、整流部分这一部分主要计算整流管的最大电流（ID1）MAX和耐压（VD1）RM。由于四个整流管D1～D4参数相同，所以只需要计算D1的参数。整流管D1的最大整流电流为：（ID1）MAX＝0.5×IO（ID1）MAX＝0.5×800mA＝0.4A考虑到取样和放大部分的电流和过载因素，可选取最大电流（ID1）MAX为1A。整流管D1的耐压（VD1）RM即当市电上升10％时D1两端的最大反向峰值电压为：（VD1）RM≈1.414×（UB1）OMAX＝1.414×1.1×（UB1）O≈1.555×（UB1）O（VD1）RM≈1.555×17.31V≈26.93V得到这些参数后可以查阅有关整流二极管参数表，这里我们选择额定电流1A，反向峰值电压50V的1N4001作为整流二极管。3、滤波部分这里主要计算滤波电容的电容量C1和其耐压VC1值。根据根据滤波电容选择条件公式可知滤波电容的电容量为（3－5）×0.5×T÷R，系数取3，由于市电频率是50Hz，所以T为0.02S，R为负载电阻。当最不利的情况下，即输出电压为12V，负载电流为800mA时：C1＝5×0.5×T÷（UO÷IO）C1＝5×0.5×0.02S÷（12V÷0.8A）=2000μF当市电上升10％时整流电路输出的电压值最大，此时滤波电容承受的最大电压为：VC1＝（UB1）OMAX＝17.31V实际上普通电容都是标准电容值，只能选取相近的容量，这里可以选择2200μF的铝质电解电容。耐压可选择25V以上，一般为留有余量并保证长期使用中的安全，可将滤波电容的耐压值选大一点，这里选择35V。4、调整部分调整部分主要是计算调整管T1和T2的集电极－发射极反向击穿电压（BVT1）CEO，最大允许集电极电流（IT1）CM，最大允许集电极耗散功率（PT1）CM。在最不利的情况下，市电上升10％，同时负载断路，整流滤波后的出电压全部加到调整管T1上，这时调整管T1的集电极－发射极反向击穿电压（BVT1）CEO为：（BVT1）CEO＝（UB1）OMAX＝17.31V考虑到留有一定余量，可取（BVT1）CEO为25V。当负载电流最大时最大允许集电极电流（IT1）CM为：（IT1）CM＝IO＝800mA考虑到放大取样电路需要消耗少量电流，同时留有一定余量，可取（IT1）CM为1A。这样大允许集电极耗散功率（PT1）CM为：（PT1）CM＝（（UB1）OMAX－UOMIN）×（IT1）CM（PT1）CM＝（17.31V-3V－2V）×1A＝12.31W考虑到留有一定余量，可取（PT1）CM为20W。查询晶体管参数手册后选择3DD155A作为调整管T1。该管参数为：PCM＝20W，ICM＝1A，BVCEO≥50V，完全可以满足要求。如果实在无法找到3DD155A也可以考虑用3DD15A代替，该管参数为：PCM＝50W，ICM＝5A，BVCEO≥60V。选择调整管T1时需要注意其放大倍数β≥40。调整管T2各项参数的计算原则与T1类似，下面给出各项参数的计算过程。（BVT2）CEO＝（BVT1）CEO＝（UB1）OMAX＝15.28V同样考虑到留有一定余量，取（BVT2）CEO为25V。（IT2）CM＝（IT1）CM÷βT1（IT2）CM＝1A÷40＝25mA（PT2）CM＝（（UB1）OMAX－UOMIN）×（IT2）CM（PT2）CM＝（20.35V－3V）×25mA＝0.43375W考虑到留有一定余量，可取（PT2）CM为500mW。查询晶体管参数手册后选择9014作为调整管T2，该管参数为：PCM＝450mW，ICM＝100mA，BVCEO≥45V，也可以满足要求。选择调整管T2时需要注意其放大倍数β≥80。则此时T2所需要的基极驱动电流为：（IT2）MAX＝（IT2）CM÷βT1＝25mA÷80＝0.3125mA5、基准电源部分基准电源部分主要计算稳压管D5和限流电阻R2的参数。稳压管D5的稳压值应该小于最小输出电压UOMIN，但是也不能过小，否则会影响稳定度。这里选择稳压值为2.2V的2CW37，该型稳压管的最大工作电流为140mA，最大功耗为500mW。为保证稳定度，稳压管的工作电流ID5应该尽量选择大一些。而其工作电流ID5＝（IT3）CE＋IR2，由于（IT3）CE在工作中是变化值，为保证稳定度取IR2＞＞（IT3）CE，则ID5≈IR2。这里初步确定IR2MIN＝5mA，则R2为：R2＝（UOMIN－UD5）÷IR2MINR2＝（3V－2.2V）÷5mA＝160Ω当输出电压UO最高时，IR2MAX为：IR2MAX＝UOMAX÷R2IR2MAX＝12V÷160≈75mA这时的电流IR2MAX小于稳压管D5的最大工作电流，可见选择的稳压管能够安全工作。6、取样部分取样部分主要计算取样电阻R3、R4、R5的阻值。由于取样电路同时接入T3的基极，为避免T3基极电流IT3B对取样电路分压比产生影响，需要让IT3BIR3。另外为了保证稳压电源空载时调整管能够工作在放大区，需要让IR3大于调整管T1的最小工作电流（IT1）CEMIN。由于3DD155A最小工作电流（IT1）CEMIN为1mA，因此取IR3MIN＝2mA。则可得：R3＋R4＋R5＝UOMIN÷IR3MINR3＋R4＋R5＝3V÷2mA＝1.5K当输出电压UO＝3V时：UD5＋（UT3）BE＝（R4＋R5）÷（R3＋R4＋R5）×UO（R4＋R5）＝（UD5＋（UT3）BE）×（R3＋R4＋R5）÷UO（R4＋R5）＝（2.2V＋0.7V）×1.5KΩ÷3V＝1.45KΩ当输出电压UO＝12V时：UD5＋（UT3）BE＝R5÷（R3＋R4＋R5）×UOR5＝（UD5＋（UT3）BE）×（R3＋R4＋R5）÷UOR5＝（2.2V＋0.7V）×1.5KΩ÷12V＝0.36KΩ实际选择时可取R5为360Ω。这样R4为1KΩ，R3为240Ω。7、放大部分放大部分主要是计算限流电阻R1和比较放大管T3的参数。由于这部分电路的电流比较小，主要考虑T3的放大倍数β和集电极－发射极反向击穿电压（BVT1）CEO。这里需要T3工作在放大区，可通过控制T3的集电极电流（IT3）C来达到。而（IT3）C是由限流电阻R1控制，并且有：IR1＝（IT3）C＋（IT2）B一方面，为保证T1能够满足负载电流的要求，要求满足IR1＞（IT2）B；另一方面，为保证T3稳定工作在放大区，以保证电源的稳定度，其集电极电流（IT3）C不能太大。这里可以选IR1为1mA，当输出电压最小时，则R1为：R1＝（（UB1）O－UO－（UT1）BE－（UT2）BE）÷IR1R1＝（12V－3V－0.7V－0.7V）÷1mA＝7.6KΩ实际选择时可取R1为7.5KΩ。当输出电压最大时，IR1为：IR1＝（（UB1）O－UO－（UT1）BE－（UT2）BE）÷R1IR1＝（12V－3V－0.7V－0.7V）÷7.5KΩ≈1.013mA可见当输出电压最大时IR1上升幅度仅1％，对T3工作点影响不大，可满足要求。由于放电电路的电流并不大，各项电压也都小于调整电路，可以直接选用3GD6D或9014作为放大管T3。8、截流保护电路T4、R7、R8组成截流型保护电路，稳压电路正常工作时，VR6VR8,T4截止；当IO≥120%IOM时，T4饱和，使T1截止。T4用9014，R6取2Ω/2W，R7取2.2K(调试确定,保证800mA时不动作，1A时动作保护)，R8取62Ω。9、其他元件在T2的基极与地之间并联有电容C2，此电容的作用是为防止发生自激振荡影响电路工作的稳定性，一般可取0.01μF/35V。在电源的输出端并联的电容C3是为提高输出电压的稳定度，特别对于瞬时大电流可以起到较好的抑制作用，可选470μF/25V铝电解电容。10、总结通过前面的计算，已经得到了所有元件的参数。可以将这些参数标注到图1中，这样就得到完整的串联负反馈稳压电源电路图。这里计算的其实都还只是初步的参数，实际组装完毕后应该仔细测量电源的各项指标是否符合要求，各部分元件工作是否正常。如果发现问题，应该根据实际情况作出调整。根据调整的结果来修正原理图中的电路参数，最终完成稳压电源的设计。