美章網(wǎng) 資料文庫 阻容降壓的穩(wěn)壓電路設計范文

阻容降壓的穩(wěn)壓電路設計范文

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隨著科技的發(fā)展,計算機技術、數(shù)字化技術以及信息技術應用于傳統(tǒng)家電,使家電具備智能化和信息網(wǎng)絡功能,即智能家電,智能家用電器體現(xiàn)了家用電器最新技術面貌。另外,智能家電的節(jié)能和環(huán)保功能也成為了智能家電發(fā)展的一個趨勢。為了實現(xiàn)智能家電的智能功能,就需要用到實現(xiàn)這些功能的專用芯片(ASIC),因此給這些專用集成芯片提供電源,成為一個至關重要的問題。阻容降壓穩(wěn)壓電源設計簡單,元件少,制造和使用都較可靠,在家電、照明等行業(yè)大量應用[1,2]。早期穩(wěn)壓電源電路包括:降壓變壓器、整流二極管或整流橋、濾波電容及穩(wěn)壓環(huán)節(jié)組成[3]。由于其消耗有色金屬,體積大,價格高,安裝不便,為克服這些缺陷,出現(xiàn)了阻容降壓穩(wěn)壓電路。如圖1所示,阻容降壓穩(wěn)壓電路節(jié)省了大體積的變壓器,因此體積、重量及成本都大大降低。

1阻容降壓穩(wěn)壓電路的設計與分析

1.1阻容降壓穩(wěn)壓電路設計本文所設計的阻容降壓穩(wěn)壓電路如圖2所示,F(xiàn)use為保險絲,參數(shù)選取為1A/250V,當輸入端流入大電流,保險絲熔斷,從而保護阻容降壓穩(wěn)壓電路器件不被損壞。壓敏電阻R0選取14D471K,用來防浪涌,能夠起到保護作用;限流電阻R1、泄放電阻R2和限流電容C1構成阻容降壓電路;D1半波整流二極管,D2在市電的負半周時給C1提供放電回路;D3、R6為初級穩(wěn)壓電路,R3、C2組成濾波電路,R4、Q1、D4構成串聯(lián)穩(wěn)壓電路。

1.2阻容降壓及整流電路原理及分析雖然利用變壓器降壓,可以得到穩(wěn)定的電壓與較高的效率,由于變壓器包含繞制線圈,會占用很大的空間,在實際布線與安裝時就會造成一定的困難;另一方面,對于企業(yè)來說,利用變壓器降壓,成本也會增加;阻容降壓的核心元件是一個電阻和電容并聯(lián),實際上就是利用容抗限流。而電容器起到一個限制電流和動態(tài)分配電容器和負載兩端電壓的角色,限流(降壓)電容器C1一定要選擇耐壓高的,通常要大于兩倍的電源電壓,因為當阻容降壓電路空載時,輸出電壓只有三十多伏,市電220V電壓大部分都加到電容C1上。R2為泄放電阻,當正弦波在最大峰值時刻被切斷時,電容C1上殘存電荷無法釋放,會長久存在,如果人體接觸到C1的金屬部分,就會有強烈的觸電可能,而電阻R2的存在,能夠?qū)埓娴碾姾尚狗诺簦瑥亩WC人、機安全。泄放電阻的阻值和電容的大小有關,一般電容的容量越大,殘存的電荷越多,泄放電阻的阻值就要選小一些的。經(jīng)驗數(shù)據(jù)如表1所示。D1為半波整流二極管,雖然半波整流效率僅是全波整流的一半,但不推薦使用橋式整流,因為在電路中總希望整個電路只有一個公共參考點即接地點。當采用阻容降壓方式進行交直流轉(zhuǎn)換時,如果采用橋式整流,在交流端和直流端不可能只有一個公共參考點,當交流端的零線和火線反接時,直流端的參考點可能會帶電,因此這種做法不安全。當采用半波整流時,可以保證交直流端的參考點都接到交流端的零線上,在電路調(diào)試時可以保證相對安全一些,這非常重要,因此使用半波整流電路。

1.3穩(wěn)壓電路分析本文所設計的初級穩(wěn)壓電路模型如圖3所示,在圖3中,R為限流電阻,rZ為穩(wěn)壓管的內(nèi)阻,RL為等效負載。在初級穩(wěn)壓電路中,利用穩(wěn)壓管的電流調(diào)節(jié)作用,通過限流電阻R上電壓或電流的變化進行補償,達到穩(wěn)壓的目的。為使Sr數(shù)值小,需增大R;但在Uo和負載電流確定的情況下,若R的取值大,則Ui的取值也會變大,這樣導致Sr變大。因此初級穩(wěn)壓電路的Sr值一般在0.01左右,初級穩(wěn)壓后輸出電壓的紋波系數(shù)比較大,因此初級穩(wěn)壓性能較差。初級穩(wěn)壓后輸出的紋波系數(shù)較大,不能滿足后級芯片輸入電壓的要求,引入串聯(lián)穩(wěn)壓電路,如圖4所示,該電路中引入深度電壓負反饋使輸出電壓穩(wěn)定,達到輸出電壓Uo在Ui變化或負載電阻RL變化時,輸出電壓基本不變。對于圖4所示的串聯(lián)穩(wěn)壓電路,當電網(wǎng)電壓波動引起Ui增大,或負載電阻RL增大時,輸出電壓Uo將隨著增大,晶體管T發(fā)射極電位UE升高;由于穩(wěn)壓管DZ端電壓保持不變,晶體管T的UBE減小,晶體管基極電流Ib減小,發(fā)射極電流Ie也減小,從而使Uo減小;當電網(wǎng)電壓波動引起Ui減小,或負載電阻RL減小時,輸出電壓Uo將隨著減小,晶體管T發(fā)射極電位UE降低;由于穩(wěn)壓管DZ端電壓保持不變,晶體管T的UBE增加,晶體管基極電流Ib增大,發(fā)射極電流Ie也增大,從而使Uo增大;因此可以保持輸出電壓Uo保持不變。

2電路仿真和測試

本文采用NI公司的Multisim軟件對阻容降壓的穩(wěn)壓電路進行設計和仿真。圖5~圖7為整個阻容降壓穩(wěn)壓電路的瞬態(tài)分析仿真結(jié)果,瞬態(tài)分析掃描時間為1.5s。圖5為市電220V經(jīng)阻容降壓和半波整流后的輸出電壓仿真波形,可以看出輸出電壓的紋波比較大,交流分量大(即脈動大);并且會隨負載電流的變化發(fā)生很大的波動,因此只適用于對脈動要求不高的場合。圖6為初級穩(wěn)壓輸出的仿真圖,可以看出,經(jīng)過初級穩(wěn)壓后,電壓紋波變小,但穩(wěn)壓系數(shù)仍較大,電壓穩(wěn)定在24V左右,僅能滿足對穩(wěn)壓性能要求不高的場合。圖7為阻容降壓穩(wěn)壓電路最終輸出電壓仿真情況,穩(wěn)壓電路輸出電壓紋波消失,輸出電壓最終穩(wěn)定在5.0859V,同時該阻容降壓穩(wěn)壓電路的從上電到穩(wěn)壓的時間約為241.7062ms,滿足高性能電路的穩(wěn)壓需要。根據(jù)阻容降壓穩(wěn)壓電路的原理圖2,實際的阻容降壓穩(wěn)壓電路的測試結(jié)果如圖8所示,圖8(a)為電路上電瞬間的輸出波形,由于電路從上電到穩(wěn)壓的時間很短,所以波形很陡。圖8(b)為最終穩(wěn)壓電路的輸出電壓,輸出穩(wěn)壓的平均值為5.04V,最大值為5.12V,最小值為4.96V,與穩(wěn)壓電路仿真結(jié)果5.0859V僅相差0.0459V,因此穩(wěn)壓性能很好,滿足對輸入電壓為5V專用芯片(ASIC)供電要求。

3結(jié)論

本文介紹阻容降壓穩(wěn)壓電路的基本原理,設計出實用的穩(wěn)壓電路,通過具體的仿真分析和對實際電路的測試,結(jié)果表明該阻容降壓穩(wěn)壓電路能夠輸出穩(wěn)定電壓為5.04V;與仿真分析的理想數(shù)值僅相差0.0459V,同時,該電路結(jié)構簡單,制造成本比較低,工作性能良好,可靠性高,在輸入電壓、負載、環(huán)境溫度等參數(shù)發(fā)生變化時仍能保持輸出電壓恒定,能為ASIC芯片提供穩(wěn)定電源電壓,目前該阻容降壓穩(wěn)壓電路已經(jīng)廣泛應用于具體電子產(chǎn)品中。

作者:翟明靜 徐建剛 劉廣陵 單位:常州工學院  英特曼電工(常州)有限公司

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