1、曾国强曾国强成都理工大学核技术与自动化工成都理工大学核技术与自动化工程学院核勘查与核退役系程学院核勘查与核退役系Tel:13881936804Tel:13881936804低压低压电源设计电源设计电子系统设计2电源的分类电源的分类什么是什么是Power SupplyPower Supply?Power Supply负载Vin,IinVin,IinPower Supply是一种提供电力能源的设备，它可以将一种电力能源形式转换成另外一种电力能源形式，并能对其进行控制和调节。上级电能形式Vo,Io Vo,Io f,phasef,phasef,phasef,phase根据转换的形式分类:AC/DC,D
2、C/DC,DC/AC,AC/AC根据转换的方法分类:线性电源，相控电源，开关电源根据调控的效果分类:稳压，恒流，调频，调相根据调控的方法分类:传统反馈控制，矢量控制，数位控制3衡量电源的重要指标1。稳压系数（线性调整率Line Regulation）K=U/Ui;S=(Uo/Uo)/(Ui/Ui)2.负载调整率(Load Regulation)在额定输入电压下，负载电流从零变到满载电流时，输出电压最大的相对变化量，商品化电源都在3%以内。3.内阻R=Uo/Io4.纹波输出电压的纹波包括噪声的绝对值大小（峰峰值）5.纹波电压抑制比(PSRR)Uiw/Uow6.响应时间负载改变开始到电源输出电压稳
3、定需要的时间7.效率=Pi/Po;4一.线性电源基础1。串联调整型调整调整管管取样电取样电阻阻比较放比较放大大基准电基准电压压52。并联联调整型VaVbI3I1I2Va6串联型：效率比并联型高；由于交流纹波电流与信号退耦回路重叠因此干扰较大；响应速度不如并联型；并联型：效率很低；干扰小；响应快，适合于功率放大器等要求响应快的场合 但不论是串联型还是并联型线性稳压电源的交流纹波电流都远小于开关电源。串联型电路中所谓的交流噪声较大，只是相对于并联型而言，当相对于开关型电源则其额外附带的噪声极小；7二.线性电源的应用串联稳压电源应用一：8串联稳压电源应用二：恒流源做Q8负载，提高交流反馈增益，减小反
4、馈误差；9串联稳压电源应用三：选择可低压工作，噪声较低，最好是轨对轨的双极型精密运算放大器，GBW不能高，在10MHz以下；D2可避免U1工作在较低的输出电压状态，否则电源无法输出较低电压 电子滤波器降低噪声，提高电源噪声抑制比，可将噪声抑制到uV级别；相当于扩大了滤波电容到N倍；故滤波效果也提升了N倍；1011并联稳压电源应用一：12前置放大器的甲类并联稳压电源（应用二）恒流源差分误差放大器，类似于运算放大器并联调整管适用于对噪声要求极高的发烧级音响前置放大电路的供电电源设计13前置放大器中用过两种稳压电源，一种为一般的三端稳压，另一种为带有源伺服的三端稳压，效果均不很理想。后来试制了一并联
5、甲类稳压电源，效果满意，电路如下图。该稳压电路由三部分构成，第一部分为恒流输出电路，由BG1BG4及D1、D2，R1、R2等构成，恒流电流由D1、R1、D2、R2的电压和电阻值确定，约160mA，足以驱动任何纯甲类前置放大器。第二部分由BG5BG12等构成误差电压放大电路。第三部分由BG13BG16组成分流控制电路。当输出电压发生变化时，由R11R14检测到的误差信号送到差分放大级放大后，由其集电极输出去控制BG15、BG16的分流电流，改变分流调整管的导通压降，达到稳压的目的。制作时，BG1、BG2、BG15、BG16要加上小型散热器，R1、R2、R17、R18用2W以上电阻，余下电阻用1/
6、4W的金属膜电阻即可，小功率三极管全部用Y档（在120240之间），不用配对，调整R12使正负电源对称，然后用固定电阻代替即可。14过压保护电路151A跟随器Linear Voltage Regulator介绍介绍工频（50/60Hz）变压器（AC-AC）开关电源（AC-DC）开关电源（DC-DC）线性调压电源（DC-DC）调压器种类（降压）功能框图调整管参考电平比较放大器ViVoR1R2反馈电压VoVref X(1R2/R1)-AMS1117,1084,1085系列VoVref X(1R1/R2)-TPS763xx系列过流保护过热保护调整管种类达林顿NPNPNPNPNPNPPMOSPMOS+
7、NMOS电路形式控制电路ViVoROIb调压器工作模式可以用NPN晶体管的电流特性曲线描述（如右图）。工作区间分为线性区和饱和导通区。正常工作时使用的是饱和导通区正常工作时使用的是饱和导通区。等效电路VoRORiVoROIbIbu 在线性区，等效一个可变电阻u 在饱和区，等效一个受控的电流源电流源：*Ib工作原理：正常工作区（饱和调整区间）工作点P0对应工作输出电流为Ic2 当负载变大，输出电流增加到Ic3时，P0移动到P2 在P2工作点的时候，如果这个时候输入电压Vi增大，而输出电压不变，Vce就会相应增大，因此，工作点由P2移动到P2 同理在P2状态下，输入电压Vi减小，工作点将由P2移动
8、到P1 如果输入电压进一步下降，会使得控制环路无法正常调整，输出电压将随输入电压下降而下降。跌落区工作原理：跌落区（线性调整区）输出电压跌落区可以定义为稳压器的输输入电压过低，使得内部调整电路无法正常工作输出电压随着输入电压的降低而降低。Ib1对应线性区Rj等效电阻Vce/Ic最大 Ib7对应线性区Rj等效电阻Vce/Ic最小 右图工作点由P1移动到P2后，输入电压进一步降低，P2开始进入跌落区 进入跌落区后，输入电压进一步减小，Ib也会相应减小，工作点移动到P3 输入电压再进一步减小，工作点达到Pto输出电压关闭输入电压特性 右图是输入电压/输出电压关系坐标图（以TPS76333 3.3VL
9、DO为例）2.3V以下为关断区2.3V到3.6V为跌落区 3.6V到10V为正常调节区性能参数1.Dropout Voltage（最小工作压差）：调压器正常工作所必须的输入输出之间的电压差。它由调整管类型，拓扑结构决定。a）达林顿NPN：Vdropout=Vce(sat)+2*Vbe1.62.5Vb）PNPNPN：Vdropout=Vce(sat)+Vbe0.91.3Vc）PNP：Vdropout=Vce(sat)0.150.4Vd）PMOS，PMOSNMOS：Vdropout=Io*Ron35350mV b),c)和d)又称为LDO(Low Dropout Voltage Regulator
10、)2.Quiescent Current（静态电流）：越小越好越小越好静态电流输入电流输出电流，IqIiIo静态电流包括偏置电流，调整管驱动电流（没有流出电压输出管脚的部分）。它由调整管类型，拓扑结构，温度决定。晶体管是电流驱动型，MOS管是电压驱动型，MOS的Iq比晶体管小。性能参数3.效率：越高越好越高越好 效率Io*Vo/(Io+Iq)*Vi)*100 压差越小，效率越高 静态电流越小，效率越高参数达林顿NPNPNPNMOSPMOS最大输出电流Io大大大中中静态工作电流Iq中中大小小最小压差Vdrop1.62.50.91.30.150.40.0350.350.0350.35速度 Spee
11、d快快慢中中5种常用的调整管参数对比性能参数4.Line Regulation（线性调整率）：越小越好越小越好 Line Regulation指的是在相同负载，不同输入电压时，输出端电压的稳定能力。物理公式：Vo/Vi=(1+R2/R1)/(*ga*(Ro+Rce):调整管的增益,ga:比较放大的增益 *ga:环路增益，提高环路增益，负载越小，调整管内阻越小，线性调整 性能越好。5.Load Regulation（负载调整率）：越小越好越小越好 Load Regulation指的是在不同负载，相同输入电压时，输出端电压的稳定能力。物理公式：Vo/Io=(1+R2/R1)/(*ga):调整管的增
12、益,ga:比较放大的增益 *ga:环路增益，提高环路增益，可以提高负载调整率。附：Line/Load Regulation测试方法：为了减小温度影响，保证结温恒定，测试时使用低占空比的测试信号。（60uS脉动周期，输入电压变化，输出负载变化）性能参数6.Thermal Regulation（热调整率）：越小越好越小越好 指在加固定输入电压，带固定负载后的t（通常几十mS）时间内，查看输出电压的变化率。测试结果扣除前60uS的Load/Line调整率。如：测试输入6V，负载Io=100mA,t10mS7.Temperature Stability（温度稳定度）：越小越好越小越好 指在正常工作的温
13、度范围内，在固定输入电压，带固定负载，输出电压的变化率 AMS1084：正常工作温度结温：0150度，稳定度0.5%8.Transient Response（瞬态反应）：越小越好越小越好 指在输出电流Io突变的时候，输出电压跳变的最大电压值。物理公式：Vtr,max=(Io,max*t1)/(Co+Cb)+Vesr t1:第一个脉冲宽度 Co：输出滤波电容 Vesr：Co的ESR产生的电压 Cb：退耦电容 减小滤波电容ESR，增大滤波电容，减短反应时间t1，提高瞬态反应性能性能参数9.Ripple Rejection（纹波抑制比）：越小越好越小越好 又称为电源抑制比，是指输入电压发生变化时，输
14、出电压的变化率，用dB表示。这个和前面的线性调整率有点相似。但是纹波抑制比加入了对输入电压变化的频率的定义。因此，更详细说是输入电压在不同按照不同频率变化时，输出电压的变化率。也就是说，提到纹波抑制比参数需要带频率参数。如：AP1122：在输入电压变化为120Hz时，纹波抑制比是60dB。右下图是纹波抑制比曲线图和线性调整率一样提高环路增益可以提高纹波抑制性能，另外使用大容值，低ESR滤波电容也可以提高性能。使用注意1.输出电容ESR（Tunnel of Death)：反馈：输出电压通过电阻分压采样后和内部的参考电压一起分别送入比较放大器的”-”,”+”端，比较放大器控制调整管，保证输出电压稳
15、定。为了保证器件工作稳定通常都是采用负反馈，也就是反馈信号和输出信号在极性相差180度。而使用中由于有相位偏移存在，实际很难保证完整的180度。一个稳定的电路，需要有20度的相位余量。由频域波特图分析外部滤波电容ESR对相位影响比较大，太大，太小都会影响器件稳定性。厂商会根据器件给出输出滤波ESR的范围（如右图）ESR取值范围在0.29欧姆。此外，容值建议Rref1,至少大两个数量级以上；Va=2*Vin；Vb近似为Vin故I=(Va-Vb)/Rref=Vin/Rref;ABRTD温度传感器供电电源42PT100铂电阻（RTD）供电电源设计，如右图未采用恒流源，不能体现恒流源输出阻抗无穷大的优
16、点，对于测量精度有影响；43增加了一级有源滤波器，可降低噪声V1V2(V2+Vref)/2=V1/2=V3;(V2+Vref)/2=V1/2=V3;V2-V1V2-V1=-Vref=-Vref;V3V3=(Vref+V2)/2V3=(Vref+V2)/2V2=2V3-Vref;V2=2V3-Vref;V1=2V1=2*V3;V3;I=(V1-V2)/R10I=(V1-V2)/R10=(2V3-2V3+Vref)/R10=(2V3-2V3+Vref)/R10=Vref/R10=Vref/R10Vout=Vref+Vc;I=(Vout-Vc)/R1;I=Vref/R1;AD8603的Vos大小及温
17、漂，Rail-Rail特性，偏置电流的大小及温漂；都会影响恒流源的温度特性；AD8276内部电阻温度特性一致，故增益随温度的变化改变极小，这也是差分放大器具备高共模抑制比的特性决定的。OP的反相端接近0V，必须选用轨至轨OPIo=(Vin+Vref)-Vref/R1=Vin/R149激光二极管驱动恒流源电路I=Vin/10/1mA;当Enable引脚大于1V时，Q2导通，将Q1的基极嵌位为0V，Q1不导通，当不增加上二极管时，运放输出为高，可能会有部分电流注入Q1使Q1关断不完整，有了上二极管，则将输入信号近似拉低为0.07V，而运放的反相端注入Enable电压，确保反相端高于同相端，运放输出
18、为负供电，保证Q1不会有基极电流50高效率恒流源2N3904提供关断功能；R5为检流电阻，LT1006为低电压工作的运放，用来放大R5两端的电压信号，R2，C4构成滤波器，滤除噪声；51大功率宽带压控恒流源，可用以驱动交流的氦光灯线圈等场合；LT1194为高速差分放大器，内部固定增益为10倍，无需外围电阻。不同于之前的LT1990，LT1990是增益可选，低带宽的全差分放大器；52高效率升压恒流源驱动白光LEDLT6100:固定增益可选的差分放大器53LT1635片内自带基准的运放；54Vout1=-I*Rs*5+VinVout2=-1/(1k*10nF)*Vout1只要Vout1不等于0，V
19、out2就持续变负，IRF9530导通程度加大，流过Rs电流变大，直到Rs的压降刚好等于Vin，Vout1才等于0，Vout2才不再变化，电路稳定；55数控恒流源（应用一）56开关电源的元件构成开关电源的元件构成开关电源的基本元件：开关电源的基本元件：有源开关有源开关(Switch)二极管二极管(Diode)电感电感(Inductor)电容器电容器(Capacitor)变压器变压器(Transformer)57开关电源的电路组成采样电采样电路路比较放大比较放大基准电源基准电源V/FV/F转转换换震荡器震荡器基极驱动基极驱动开关器件开关器件变压器变压器整流整流滤波滤波保护电保护电路路功率因素校功
20、率因素校正正滤波滤波整流整流浪涌抑浪涌抑制制输入电路输入电路变换电路变换电路输出电路输出电路控制电路控制电路58 T截止，截止，D导通，导通，uE UD；L 释放能量，释放能量，C 放电。放电。调整管二极管续流 滤波电路T、D 均工作在开关状态。均工作在开关状态。T饱和导通，饱和导通，D截止，截止，uE UI；L 储能，储能，C 充电。充电。uBUH时时uBUL时时59 波形分析及输出电压平均值IDoffIonO)(UUTTUTTU调整管二极管续流 滤波电路关键技术：大功率高频管，高质量磁性材料关键技术：大功率高频管，高质量磁性材料稳压原理：若某种原因使输出电压升高，则应减小占空比。稳压原理：
21、若某种原因使输出电压升高，则应减小占空比。60 稳压原理脉冲宽度调制式：脉冲宽度调制式：PWM电路作用：电路作用：UO Ton UO 其它控制方式：其它控制方式：脉冲频率调制式：脉冲频率调制式：UO T（脉宽不变）（脉宽不变）UO 混合调制式：混合调制式：UO T Ton UO 在串联开关型稳压电路中在串联开关型稳压电路中 UO 2*(Vi-Vo)*Ton/IomaxF=1/2pi*(LC)0.5Fpwm/1063非隔离型升压开关稳压电路（Boost电路）Uo/Ui=1/（1-）L=Vi*Ton*Toff/2*Io*(Ton+Toff)F=1/2pi*(LC)0.5Fpwm/1064非隔离型反
22、压电路（Cuk）UiIDUoIDSIDVDIDCIDLUo/Ui=-/（1-）L L为传输能量的器件为传输能量的器件 65自动升降压变换器（Buck-Boost）N2C1TC2L2RUoVDL1SUiUo/Ui=-/（1-）SEPIC拓扑结构开关电源66在很多时候，设计者们总是要面对一组非孤立存在的电源规格参数，其中输出电压介于输入电压的最大值与最小值之间。他们必须在SEPIC及反激式拓扑之间作出选择。通常，他们会选择反激式拓扑，主要原因是对SEPIC缺乏了解，而这种选择可能并不是最合理的；67 这种电路的电流和电压波形与连续电流模式(CCM)反向电路类似。开启Q1 时，其利用耦合电感主级的输
23、入电压，在电路中形成能量。关闭Q1 时，电感的电压逆转，然后被钳制到输出电压。电容C_AC 便为SEPIC 与反向电路的差别所在;Q1开启时，次级电感电流流过它然后接地。Q1 关闭时，主级电感电流流过C_AC，从而增加流经D1 的输出电流。相比反向电路，这种拓扑的一个较大好处是FET 和二极管电压均受到C_AC 的钳制，并且电路中很少有振铃。这样，我们便可以选择使用更低的电压，并由此而产生更高功效的器件。可采用耦合电感或者两个分立的电感；输入输出隔离，具备短路保护；SEPIC自动升降压电路68LTC1871 SEPIC自动升降压集成电源芯片同步整流电路设计70采用MOS管替代传统BUCK,BO
24、OST电路中的二极管；通过控制四个MOS管的不同工作状态可实现BUCK,BOOST功能的切换；优点：1.当输出电压低时，效率远高于传统结构；2.可大大改善开关电源的瞬态负载响应；3.降低自身发热，提高系统稳定性；缺点：静态功耗有所增加；成本增加；控制电路复杂；需要有完善的死区时间控制，否则有共态导通现象，增大损耗及不安全性；同步降压整流拓扑结构同步升压整流拓扑结构完整的可实现升降压功能的同步整流拓扑降压模式：Q4保持直通，Q3截止；Q1，Q2为互补对称的PWM导通；升压模式：Q1保持直通，Q2截止；Q3，Q4为互补对称的PWM导通；当Vin较低，譬如低于5V以下时,四个管子的导通驱动较为困难；
25、因此为了保证在Vin较大范围时电路都能自动升降压，需要对每个MOS管采用自举升压的高速驱动；设计分立的自举升压电路复杂度较高，电路面积大，因此可采用合适的集成驱动芯片，但可工作于低压范围的驱动芯片选型较难；为了保证较高的效率，通常要减小驱动PWM的频率，但也就相对来说要求选择较大的电感，电感饱和可能性变大，需要有足够余量；效率高，电感大，则需要较大的电容构成LC才能获得较低的纹波；基于TPS40190的同步降压整流集成芯片TL5001构成的分立同步降压整流DC-DC稳压电源75非隔离型降压开关电源应用电路76非隔离降压开关电源77非隔离升压应用电路78隔离型开关变换器S2S1LCRN1N1 N
26、2N2UiUoT1推挽型变换器S1和S2轮流导通，将在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L，C滤波，送给负载。由于电感L在开关之后，所以当变比为1时，它实际上类似于降压变换器。792半桥型变换器C2UiS2S1LRN1 N2N2UoTC1C2当S1和S2轮流导通时，一次侧将通过电源-S1-T-C2-电源及电源-C1-T-S2-电源产生交变电流，从而在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。803全桥型变换器CUiS3S2LRN1 N2N2UoTS4S1当S1、S3和S2、S4两两轮流导通时，一次侧将通过电源-S2-T-S4-电源
27、及电源-S1-T-S3-电源产生交变电流，从而在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。814正激型变换器TN3CLR N2UoSN1VD2VD3Ui当S导通时，原边经过输入电源-N1-S-输入电源，产生电流。当S断开时，N1能量转移到N3，经N3-电源-VD3向输入端释放能量，避免变压器过饱和。VD1用于整流，VD2用于S断开期间续流。825隔离型Cuk变换器 N2C12TC2L2RUoSN1VDUiL1C11当S导通时，Ui对L1充电。当S断开时，Ui+EL1对C11及变压器原边放电，同时给C11充电，电流方向从上向下。附边感应出脉动直流信号，通过V
28、D对C12反向充电。在S导通期间，C12的反压将使VD关断，并通过L2、C2滤波后，对负载放电。开关电源实例83运放U2A用来调节输出电压；U2B用来设定最大的恒流值；稳压二极管与三极管用来做过压保护；开关型恒流源8485直流电源的并联均流设计u 输出阻抗法；u 主从均流法；u 平均电流自动均流法；u 最大电流自动均流法；u 外加均流控制器法；最大电流均流法：在n个并联的模块中，输出电流最大的模块，将自动成为主模块，其余的模块则为从模块。各从模块的电压误差依次被整定，以校正负载电流分配的不均衡。采用这种方法可以较好地实现冗余，不会因某一个模块的故障而影响整个系统的运行。UCC29002则为采用
29、最大电流均流法的控制器；直流电源的并联均流设计86拟设计制作两路数控的直流稳压电源，两路电源可独立使用，也可以组合使用，在组合使用时可以选择并联/串联模式，在并联使用时自动均衡两路的输出电流，同时具有过流功能。方案一：分为主、从两个电路；主电路负责稳定输出电压，从电路检测主电路电压，并反馈稳定，保证两路输出电压相同；无法任意设置电流值、本质是电压反馈，不能保证均流；方案二：UCC29002专用均流芯片，均流值不可在线实时调节方案三：方案一的改进，通过采样主从电路的电流值，并比较两路电流之差来调节从电路的输出，始终保证两路输出电流相等。输出电压仍然取决于主电路。方案四：通过在两路DC/DC模块后
30、面分别串接一个MOS管，用STM32控制器产生两路互补的DPWM波控制MOS管的导通时间（即DPWM波的占空比）的比值从而控制两路DC/DC电源的分流比，最终达到稳定的均流。本方案中还采用了稳定输出电压的实时补偿技术，用以补偿在采样电阻上的压降，大大的提高了负载上电压的精确度和稳定性补偿采样电阻的压降如上图所示，分别在两路DC/DC模块后面串接一个MOS管，用STM32控制器产生两路高精度的、互补的DPWM信号，控制两路MOS管的导通时间，使得两路DC/DC模块进行间断导通，保证了每个时刻都有一路DC/DC模块为负载提供电流。通过控制DPWM信号的占空比，从而控制两路DC/DC模块的为负载提供
31、电流的时间长短，电流对时间积分的比值就等于两路电源输出的电流比，最终实现两路DC/DC模块提供给负载的电流比。在高速的开关切换的情况下，DC/DC模块就能不间断的为负载提供电流，并使用STM32内部自带的高速AD对电流实时采样。如果此时两路模块的电流比不是1:1，STM32控制器则在软件中通过PID程序算法5调节相应输出的DPWM信号占空比，控制两路模块的分流，最终到达稳定的均流。如果突然某一路DC/DC模块出现故障，则从这路DC/DC模块采样到的输出电压不是我们的期望值，STM32控制器就会关闭这一路DC/DC模块的输出，自动切换输出到另外的一路，从而保障了系统的供电的稳定性。采样电阻压降实
32、时消除电路电流采样输出到STM32的ADC通道MOS管高速驱动电路Vl和Vh为低、高端电源；Vl通常为PWM信号的逻辑电平电源，Vh通常为NMOS管驱动所期望的最高开启门电压电源；Vl必须小于等于Vh；Q1，Q2组成反置的图腾柱，用来实现隔离，同时确保驱动管Q3，Q4不会同时导通；R2，R3提供了PWM电压基准，通过改变这个基准，可以让电路工作在PWM信号比较陡峭的位置；Q3，Q4用来提供驱动电流，由于导通的时候，Q3，Q4相对于Vh和GND，最小都只有一个Vces饱和压降,一般为0.3V以内；R5，R6为反馈电阻，用于对Gate电压采样，采样后的电压通过Q5对Q1，Q2的基极产生一个强烈的负反馈，从而把gate电压限制在一个有限的数值，这个数字可以通过R5，R6来调节；最后R1提供了对Q3，Q4基极电流的限制，R4提供了对MOS管的Gate驱动电流的限制，必要的时候可以在R4两端并联加速电容，提高MOS管开启，关闭瞬间的速度；
