稳压电源设计是如何设计的

家用电器 的越来越多，人们对电器的使用越来越广泛。电源变压器的应用也越来越有必要。而电源变压器它的功能是功率传送、电压变换和绝缘隔离，也正因为电源变压器因具有这些功能所以它在电源技术等方面应用很是广泛。 电源变压器设计 很简单，但是根据电源变压器应用的场合的不同， 电源变压器设计 原理也会不同。下面不妨随我一起来了解下电源变压器的相关知识。

电源变压器简介

电源变压器的功能是功率传送、电压变换和绝缘隔离，作为一种主要的软磁电磁元件，在电源技术中和电力电子技术中得到广泛的应用。根据传送功率的大小，电源变压器可以分为几档：10kVA以上为大功率，10kVA～0.5kVA为中功率，0.5kVA～25VA为小功率，25VA以下为微功率。传送功率不同，电源变压器的设计也不一样，应当是不言而喻的。有人根据它的主要功能是功率传送，把英文名称“Power Transformers”译成“功率变压器”，在许多文献资料中仍然在使用。究竟是叫“电源变压器”，还是叫“功率变压器”好呢？有待于科技术语方面的权威机构来选择决定。

电源变压器型号

从外形识别 常用电源变压器的铁芯有E形和C形两种。E形铁芯变压器呈壳式结构(铁芯包裹线圈)，采用D41、D42优质硅钢片作铁芯，应用广泛。C形铁芯变压器用冷轧硅钢带作铁芯，磁漏小，体积小，呈芯式结构(线圈包裹铁芯)。

电源变压器工作原理

输出和输入共用一组线圈的特殊变压器.升压和降压用不同的抽头来实现.比共用线圈少的部分抽头电压就降低.比共用线圈多的部分抽头电压就升高。

其实原理和普通变压器一样的，只不过他的原线圈就是它的副线圈```一般的变压器是左边一个原线圈通过电磁感应，使右边的副线圈产生电压，自耦变压器是自己影响自己。

自耦变压器是只有一个绕组的变压器，当作为降压变压器使用时，从绕组中抽出一部分线匝作为二次绕组当作为升压变压器使用时，外施电压只加在绕组的—部分线匝上。通常把同时属于一次和二次的那部分绕组称为公共绕组，自耦变压器的其余部分称为串联绕组，同容量的自藕变压器与普通变压器相比，不但尺寸小，而且效率高，并且变压器容量越大，电压越高。这个优点就越加突出。因此随着电力系统的发展、电压等级的提高和输送容量的增大，自藕变压器由于其容量大、损耗小、造价低而得到广泛应用。

由电磁感应的原理可知,变压器并不要有分开的原绕组和副绕组,只有一个线圈也能达到变换电压的目的。在图1中,当变压器原绕组W1接入交流电源U1时,变压器原绕组每匝的电压降,电压平均分配在变压器原绕组1,2,变压器副绕组W2的电压等于原绕组每匝电压乘以3,4的匝数.在U1不变的下,变更W1和W2的比例,就得到不同的U2值。这种原,副绕组直接串联,自行偶合的变压器就叫自藕变压器,又叫单圈变压器。

电源变压器设计步骤

第一步,计算次级的功率P2,次级功率等于次级各组功率的和,也就是P2=U21*I21+U22*I22+┅+U2n*I2n.

第二步,计算变压器的功率p,算出P2后,考虑到变压器的效率是η,那么初级功率P1=P2/η,η一般在0.8～0.9之间,变压器的功率等于初,次级功率之和的一半,也就是P=(P1+P2)/2

第三步,查铁心截面积S。根据变压器功率,由式(2.1)计算出铁心截面积S,并且从国产小功率变压器常用的标准铁心片规格表中选择铁心片规格和叠厚。

第四步,确定每伏圈数N，根据铁心截面积S和铁心的磁通密度B,由式(2.2)得到初级线圈的每伏圈数N，铁心的B值可以这样选取:质量优良的硅钢片,取11000高斯一般硅钢片,取10000高斯铁片,取7000高斯，考到导线电阻的压降,次级线圈每伏圈数N'应该比N增加5%～10%,也就是N在1.05N～1.1N之间选取。

第五步,初次级线圈的计算。初级线圈N1=N*U1。次级线圈N21=N'*U21,N22=N'*U22┅,N2=N'*U2n。

第六步,查导线直径。根据各线圈的电流大小和选定的电流密度，由式(2.3)可以得到各组线圈的导线直径。一般电源变压器的电流密度可以选用3安/毫米

第七步,校核。根据计算结果,算出线圈每层圈数和层数,再算出线圈的大小,看看窗口是否放得下。如果放不下,可以加大一号铁心,如果太空,可以减小一号铁心。采用国家标准GEI铁心,而且舌宽a和叠厚b的比在1:1～1:1.7之间,线圈是放得下的。各参数的计算公式如下:ln(S)=0.498*ln(P)+0.22┅(2.1)

ln(N)=-0.494*ln(P)-0.317*ln(B)+6.439┅(2.2)ln(D)=0.503*ln(I)-0.221┅(2.3)

变量说明:

P:变压器的功率单位:瓦(W)

B:硅钢片的工作磁通密度。

单位:高斯(Gs)S:铁心的截面积.单位:平方厘米(cm2)N:线圈的每伏圈数。单位:圈每伏(N/V)I:使用电流。单位:安(A)D:导线直径。单位:毫米(mm)电源变压器简易设计(二)GEI铁心规格

电源变压器制作步骤

①制作木芯木芯是为了将线圈框架固定在绕线机上便于绕线的一种辅助工具。其长宽略大于铁心截面的长宽，高度大于铁心窗口的高度。木芯中间的固定孔一定要打正，免得绕线时晃动歪斜，影响绕线的速度和质量。木芯宜使用干燥的软质杨木加工。

②制作线圈框架线圈框架用0.5-1.Omm的绝缘纸板、塑料板或胶木板制作。为防止绕组塌落，在两端加装护线板。木芯和线圈框架结构如图5所示。其内径尺寸略大于铁心截面，高度略小于铁心窗口高度。

③选择绝缘材料剪裁一些层间和绕组间的绝缘纸，宽度与铁心的窗口高度相同，长度以能把各层线圈的全部导线包裹起来为度。一般绝缘材料用一层聚脂薄膜或两层电话纸，绕组间绝缘用两层电缆纸加一层聚脂薄膜

④选择漆包线绕制线圈的漆包线要选用高强度漆包线，不宜采用油基漆包线，防止线间、层间击穿。绕制时的各引出线及抽头之间的距离尽量远离，防止打火。

⑤绕线要求线圈要绕得紧密整齐，匝间无空隙，每匝绕完后要保持为矩形，不可重叠。

⑥绕线方法将术芯连同框架一起装在绕线机的轴上，两端用螺母紧固，然后在框架上包覆内层绝缘

⑦绕组的检查检查各绕组的直流电阻，不应有短路、断路现象有条件时，用线圈匝数测量仪检测绕组匝数，看是否符合设计要求用500-1000V兆欧表检查各绕组间的绝缘电阻，应在100-50OMΩ之间。

⑧烘干和浸漆把整个绕组(线包)放在烘干箱中，保持60-80℃温度烘烤3-5小时，取出后立即放入绝缘漆中浸渍1小时，之后风干备用。

⑨装配铁心要求:装配牢固才能满足铁心有效截面积计算要求，消灭额外发热和硅钢片抖动杂声

编辑总结：几乎在所有的电子产品中都要用到，它原理简单但根据不同的使用场合（不同的用途）变压器的绕制工艺会有所不同的要求。变压器的功能主要有：电压变换；阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）等。

要自制一个电源变压器，重要的是根据所需功率、电压、电流确定铁心的用量(截面积)和各个绕组的匝数、导线直径等参数。下面就带大家一起了解下 电源变压器设计 结构及原理的相关信息。

电源变压器的原理

开关电源变压器的最主要材料有：绝缘材料、导线材料、磁性材料。开关电源变压器同开关管共同构成了自激式或他激式的间歇震荡器，使直流电压调制成一个高频脉冲电压，最终起到能量传递和转换的作用。当把开关管导通时，变压器把电能转换成磁场能用以储存起来，当把开关管截止时就将其释放出来。在正激式电路中，当使开关管导通时，输入电压就会直接向负载供给并把能量储存于储能电感中。当开关管截止时,然后由储能电感进行续流向负载传递。更简单的说开关电源变压器的作用就是把输入的直流电压转换成我们使用中需要的各种低压。

电源变压器的设计

对于烧坏需要翻新的变压器，只需按照原样重绕即可。对于功率在1000W以下的电源变压器，常采用两种设计方法:计算法和图表法。前者计算麻烦但较为精确，后者简便但误差较大，本文只介绍计算法。计算法大致分5步。

①计算变压器的功率P1 先根据次级负载的大小确定次级功率P2，再根据η=100%xP2/P1确定P1,η取中间值85%，则P1=1.15P2。

②确定铁心截面积S 据经验公式S(1.0~2.0)P11/2(cm2)，系数的大小取决于铁心的质量。当P1

① 交流输入电压最小值umin

② 交流输入电压最大值umax

③ 电网频率Fl 开关频率f

④ 输出电压VO(V):已知

⑤ 输出功率PO(W):已知

⑥ 电源效率η:一般取80%

⑦ 损耗分配系数Z:Z表示次级损耗与总损耗的比值,Z=0表示全部损耗发生在初级,Z=1表示发生在次级.一般取Z=0.5

步骤2 根据输出要求,选择反馈电路的类型以及反馈电压VFB

步骤3 根据u,PO值确定输入滤波电容CIN、直流输入电压最小值VImin

① 令整流桥的响应时间tc=3ms

② 根据u,查处CIN值

③ 得到Vimin

确定CIN,VImin值

u(V) PO(W) 比例系数(μF/W) CIN(μF) VImin(V)

固定输入:100/115 已知 2~3 (2~3)×PO ≥90

通用输入:85~265 已知 2~3 (2~3)×PO ≥90

固定输入:230±35 已知 1 PO ≥240

步骤4 根据u,确定VOR、VB

① 根据u由表查出VOR、VB值

② 由VB值来选择TVS

u(V) 初级感应电压VOR(V) 钳位二极管反向击穿电压VB(V)

固定输入:100/115 60 90

通用输入:85~265 135 200

固定输入:230±35 135 200

步骤5 根据Vimin和VOR来确定最大占空比Dmax

① 设定MOSFET的导通电压VDS(ON)

② 应在u=umin时确定Dmax值,Dmax随u升高而减小

步骤6 确定初级纹波电流IR与初级峰值电流IP的比值KRP,KRP=IR/IP

u(V) KRP

最小值(连续模式) 最大值(不连续模式)

固定输入:100/115 0.4 1

通用输入:85~265 0.4 1

固定输入:230±35 0.6 1

步骤7 确定初级波形的参数

① 输入电流的平均值IAVG

② 初级峰值电流IP

③ 初级脉动电流IR

④ 初级有效值电流IRMS

步骤8 根据电子数据表和所需IP值 选择TOPSwitch芯片

① 考虑电流热效应会使25℃下定义的极限电流降低10%,所选芯片的极限电流最小值ILIMIT(min)应满足:0.9 ILIMIT(min)≥IP

步骤9和10 计算芯片结温Tj

① 按下式结算:

Tj＝[I2RMS×RDS(ON)+1/2×CXT×(VImax+VOR) 2 f ]×Rθ+25℃

式中CXT是漏极电路结点的等效电容,即高频变压器初级绕组分布电容

② 如果Tj>100℃,应选功率较大的芯片

步骤11 验算IP IP=0.9ILIMIT(min)

① 输入新的KRP且从最小值开始迭代,直到KRP=1

② 检查IP值是否符合要求

③ 迭代KRP=1或IP=0.9ILIMIT(min)

步骤12 计算高频变压器初级电感量LP,LP单位为μH

步骤13 选择变压器所使用的磁芯和骨架,查出以下参数:

① 磁芯有效横截面积Sj(cm2),即有效磁通面积.

② 磁芯的有效磁路长度l(cm)

③ 磁芯在不留间隙时与匝数相关的等效电感AL(μH/匝2)

④ 骨架宽带b(mm)

步骤14 为初级层数d和次级绕组匝数Ns赋值

① 开始时取d＝2(在整个迭代中使1≤d≤2)

② 取Ns=1(100V/115V交流输入),或Ns=0.6(220V或宽范围交流输入)

③ Ns=0.6×(VO+VF1)

④ 在使用公式计算时可能需要迭代

步骤15 计算初级绕组匝数Np和反馈绕组匝数NF

① 设定输出整流管正向压降VF1

② 设定反馈电路整流管正向压降VF2

③ 计算NP

④ 计算NF

步骤16~步骤22 设定最大磁通密度BM、初级绕组电流密度J、磁芯的气隙宽度δ,进行迭代.

① 设置安全边距M,在230V交流输入或宽范围输入时M=3mm,在110V/115V交流输入时M=1.5mm.使用三重绝缘线时M=0

② 最大磁通密度BM=0.2~0.3T

若BM>0.3T,需增加磁芯的横截面积或增加初级匝数NP,使BM在0.2~0.3T范围之内.如BM<0.2T,就应选择尺寸较小的磁芯或减小NP值.

③ 磁芯气隙宽度δ≥0.051mm

δ＝40πSJ(NP2/1000LP-1/1000AL)

要求δ≥0.051mm,若小于此值,需增大磁芯尺寸或增加NP值.

④ 初级绕组的电流密度J=(4~10)A/mm2

若J>10A/mm2,应选较粗的导线并配以较大尺寸的磁芯和骨架,使J<10A/mm2.若J<4A/mm2,宜选较细的导线和较小的磁芯骨架,使J>4A/mm2也可适当增加NP的匝数.

⑤ 确定初级绕组最小直径(裸线)DPm(mm)

⑥ 确定初级绕组最大外径(带绝缘层)DPM(mm)

⑦ 根据初级层数d、骨架宽带b和安全边距M计算有效骨架宽带be(mm) be=d(b-2M)

然后计算初级导线外径(带绝缘层)DPM:DPM＝be/NP

步骤23 确定次级参数ISP、ISRMS、IRI、DSM、DSm

① 次级峰值电流ISP(A) ISP=IP×(NP/NS)

② 次级有效值电流ISRMS(A)

③ 输出滤波电容上的纹波电流IRI(A)

⑤ 次级导线最小直径(裸线)DSm(mm)

⑥ 次级导线最大外径(带绝缘层)DSM(mm)

步骤24 确定V(BR)S、V(BR)FB

① 次级整流管最大反向峰值电压V(BR)S V(BR)S＝VO+VImax×NS/NP

② 反馈级整流管最大反向峰值电压V(BR)FB V(BR)FB＝VFB+ VImax×NF/NP

步骤25 选择钳位二极管和阻塞二极管

步骤26 选择输出整流管

步骤27 利用步骤23得到的IRI,选择输出滤波电容COUT

① 滤波电容COUT在105℃、100KHZ时的纹波电流应≥IRI

② 要选择等效串连电阻r0很低的电解电容

③ 为减少大电流输出时的纹波电流IRI,可将几只滤波电容并联使用,以降低电容的r0值和等效电感L0

④ COUT的容量与最大输出电流IOM有关

步骤28~29 当输出端的纹波电压超过规定值时,应再增加一级LC滤波器

① 滤波电感L=2.2~4.7μH.当IOM<1A时可采用非晶合金磁性材料制成的磁珠大电流时应选用磁环绕制成的扼流圈.

② 为减小L上的压降,宜选较大的滤波电感或增大线径.通常L=3.3μH

③ 滤波电容C取120μF /35V,要求r0很小

步骤30 选择反馈电路中的整流管

步骤31 选择反馈滤波电容

反馈滤波电容应取0.1μF /50V陶瓷电容器

步骤32 选择控制端电容及串连电阻

控制端电容一般取47μF /10V,采用普通电解电容即可.与之相串连的电阻可选6.2Ω、1/4W,在不连续模式下可省掉此电阻.

步骤33选定反馈电路

步骤34选择输入整流桥

① 整流桥的反向击穿电压VBR≥1.25√2 umax

② 设输入有效值电流为IRMS,整流桥额定有效值电流为IBR,使IBR≥2IRMS.计算IRMS公式如下:

cosθ为开关电源功率因数,一般为0.5~0.7,可取cosθ＝0.5

步骤35 设计完毕

在所有的相关参数中,只有3个参数需要在设计过程中进行检查并核对是否在允许的范围之内.它们是最大磁通密度BM(要求BM=0.2T~0.3T)、磁芯的气隙宽度δ(要求δ≥0.051mm)、初级电流密度J(规定J=4~10A/mm2).这3个参数在设计的每一步都要检查,确保其在允许的范围之内.

现代开关电源设计有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。

开关电源内部结构

这里主要介绍的只是直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源（粗电），如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压（精电）。直流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。也就是说，直流开关电源的分类与DC/DC转换器的分类是基本相同的，DC/DC转换器的分类基本上就是直 流开关电源的分类。

直流DC/DC转换器按输入与输出之间是否有电气隔离可以分为两类：一类是有隔离的称为隔离式DC/DC转换器；另一类是没有隔离的称为非隔离 式DC/DC转换器。隔离式DC/DC转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。单管的DC/DC转换器有正激式（Forward）和反激式（Flyback）两种。双管DC/DC转换器 有双管正激（DoubleTransistorForward Converter），双管反激式（Double Transistr Flyback Converter）、推挽式（Push-Pull Converter） 和半桥式（Half-Bridge Converter）四种。四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。

非隔离式DC/DC转换器，按有源功率器件的个数，可以分为单管、双管和四管三类。

单管DC/DC转换器共有六种，即降压式（Buck）DC/DC转换器 ，升压式（Boost）DC/DC转换器、升压降压式（Buck Boost）DC/DC转换器、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/DC转换器。在这六种 单管DC/DC转换器中，Buck和Boost式DC/DC转换器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC转换器是从中派生出来的。双管DC/DC转换 器有双管串接的升压式（Buck-Boost）DC/DC转换器。四管DC/DC转换器常用的是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。

隔离式DC/DC转换器在实现输出与输入电气隔离时，通常采用变压器来实现，由于变压器具有变压的功能，所以有利于扩大转换器的输出应用 范围，也便于实现不同电压的多路输出，或相同电压的多种输出。

在功率开关管的电压和电流定额相同时，转换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比。所以开关管数越多，DC/DC转换器的输出功率越大，四管式比两管式输出功率大一倍，单管式输出功率只有四管式的1/4。非隔离式转换器与隔离式转换器的组合，可以得到单个转换器所不具备的一些特性。

按能量的传输来分，DC/DC转换器有单向传输和双向传输两种。具有双向传输功能的DC/DC转换器，既可以从电源侧向负载侧传输功率，也可 以从负载侧向电源侧传输功率。

DC/DC转换器也可以分为自激式和他控式。借助转换器本身的正反馈信号实现开关管自持周期性开关的转换器，叫做自激式转换器，如洛耶尔 （Royer）转换器就是一种典型的推挽自激式转换器。他控式DC/DC转换器中的开关器件控制信号，是由外部专门的控制电路产生的。

按照开关管的开关条件，DC/DC转换器又可以分为硬开关（Hard Switching）

开关电源和软开关（Soft Switching）两种。硬开关DC/DC转换器的开关器件 是在承受电压或流过电流的情况下，开通或关断电路的，因此在开通或关断过程中将会产生较大的交叠损耗，即所谓的开关损耗（Switching loss）。当转换器的工作状态一定时开关损耗也是一定的，而且开关频率越高，开关损耗越大，同时在开关过程中还会激起电路分布电感和寄生 电容的振荡，带来附加损耗，因此，硬开关DC/DC转换器的开关频率不能太高。软开关DC/DC转换器的开关管，在开通或关断过程中，或是加于 其上的电压为零，即零电压开关（Zero-Voltage-Switching，ZVS），或是通过开关管的电流为零，即零电流开关（Zero-Current·Switching，ZCS）。这种软开关方式可以显着地减小开关损耗，以及开关过程中激起的振荡，使开关频率可以大幅度提高，为转换器的小型化和模块化创造 了条件。功率场效应管（MOSFET）是应用较多的开关器件，它有较高的开关速度，但同时也有较大的寄生电容。它关断时，在外电压的作用下， 其寄生电容充满电，如果在其开通前不将这一部分电荷放掉，则将消耗于器件内部，这就是容性开通损耗。为了减小或消除这种损耗，功率场 效应管宜采用零电压开通方式（ZVS）。绝缘栅双极性晶体管（Insu1ated Gate Bipo1ar tansistor，IGBT）是一种复合开关器件，关断时的电流拖 尾会导致较大的关断损耗，如果在关断前使流过它的电流降到零，则可以显着地降低开关损耗，因此IGBT宜采用零电流（ZCS）关断方式。IGBT在 零电压条件下关断，同样也能减小关断损耗，但是MOSFET在零电流条件下开通时，并不能减小容性开通损耗。谐振转换器（ResonantConverter ，RC）、准谐振转换器（Qunsi-Tesonant Converter，QRC）、多谐振转换器（Mu1ti-ResonantConverter，MRC）、零电压开关PWM转换器（ZVS PWM Converter）、零电流开关PWM转换器（ZCS PWM Converter）、零电压转换（Zero-Vo1tage-Transition，ZVT）PWM转换器和零电流转换（Zero- Vo1tage-Transition，ZVT）PWM转换器等，均属于软开关直流转换器。电力电子开关器件和零开关转换器技术的发展，促使了高频开关电源的发展。

工作原理

开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。

脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。

控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。

开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。

为您的电源选择正确的工作频率

为您的电源选择最佳的工作频率是一个复杂的权衡过程，其中包括尺寸、效率以及成本。通常来说，低频率设计往往是最为高效的，但是其尺寸最大且成本也最高。虽然调高频率可以缩小尺寸并降低成本，但会增加电路损耗。接下来，我们使用一款简单的降压电源来描述这些权衡过程。

我们以滤波器组件作为开始。这些组件占据了电源体积的大部分，同时滤波器的尺寸同工作频率成反比关系。另一方面，每一次开关转换都会伴有能量损耗；工作频率越高，开关损耗就越高，同时效率也就越低；其次，较高的频率运行通常意味着可以使用较小的组件值。因此，更高频率运行能够带来极大的成本节约。

图1.1显示的是降压电源频率与体积的关系。频率为100kHz时，电感占据了电源体积的大部分(深蓝色区域)。如果我们假设电感体积与其能量相关，那么其体积缩小将与频率成正比例关系。由于某种频率下电感的磁芯损耗会极大增高并限制尺寸的进一步缩小，因此在此情况下上述假设就不容乐观了。如果该设计使用陶瓷电容，那么输出电容体积(褐色区域)便会随频率缩小，即所需电容降低。另一方面，之所以通常会选用输入电容，是因为其具有纹波电流额定值。该额定值不会随频率而明显变化，因此其体积(黄色区域)往往可以保持恒定。另外，电源的半导体部分不会随频率而变化。这样，由于低频开关，无源器件会占据电源体积的大部分。当我们转到高工作频率时，半导体(即半导体体积，淡蓝色区域)开始占据较大的空间比例。

该曲线图显示半导体体积本质上并未随频率而变化，而这一关系可能过于简单化。与半导体相关的损耗主要有两类：传导损耗和开关损耗。同步降压转换器中的传导损耗与MOSFET的裸片面积成反比关系。MOSFET面积越大，其电阻和传导损耗就越低。

开关损耗与MOSFET开关的速度以及MOSFET具有多少输入和输出电容有关。这些都与器件尺寸的大小相关。大体积器件具有较慢的开关速度以及更多的电容。图1.2显示了两种不同工作频率(F)的关系。传导损耗(Pcon)与工作频率无关，而开关损耗(PswF1和PswF2)与工作频率成正比例关系。因此更高的工作频率(PswF2)会产生更高的开关损耗。当开关损耗和传导损耗相等时，每种工作频率的总损耗最低。另外，随着工作频率提高，总损耗将更高。

但是，在更高的工作频率下，最佳裸片面积较小，从而带来成本节约。实际上，在低频率下，通过调整裸片面积来最小化损耗会带来极高成本的设计。但是，转到更高工作频率后，我们就可以优化裸片面积来降低损耗，从而缩小电源的半导体体积。这样做的缺点是：如果我们不改进半导体技术，那么电源效率将会降低。

如前所述，更高的工作频率可缩小电感体积，所需的内层芯板会减少。更高频率还可降低对于输出电容的要求。有了陶瓷电容，我们就可以使用更低的电容值或更少的电容。这有助于缩小半导体裸片面积，进而降低成本。

原理：

变压器变压出双15v，整流出±18V,钽电解滤除高频纹波，2200uF滤除工频纹波。7815正15V稳压，7915负15V稳压。0.1uF电容消除高频干扰，1000uf电容二次滤波。

值得注意的并联在整流二极管两端的0.1uf电容对消除电源噪声十分重要。

能为负载提供稳定直流电源的电子装置。直流稳压电源的供电电源大都是交流电源，当交流供电电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直流输出电压都会保持稳定。 直流稳压电源随着电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性的方向发展，对电子设备的供电电源提出了高的要求。

一、设计要求

电源变压器只做理论设计，合理选择集成稳压器，合理设置保护电路，完成全电路理论设计、安装调试、绘制电路图，自制印刷板。

主要技术指标

1、同时输出±15V电压、输出电流为2A。

2、输出纹波电压小于5mV，稳压系数小于5×10-3；输出内阻小于0.1Ω。

3、加输出保护电路，最大输出电流不超过2A。

二、基本原理

1． 直流稳压电源的基本原理

直流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如图1所示。各部分电路的作用如下：

图1 直流稳压电源基本组成框图

（1） 电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压ui。

（2）整流滤波电路

整流电路将交流电压ui 变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除纹波，输出直流电压Ui。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波、倍压整流滤波电路如图

（b）桥式整流电容滤波电路

各滤波电容C满足：RL1C=（3~5）T/2

式中T为输入交流信号周期；RL1为整流滤波电路的等效负载电阻。

（3） 三端集成稳压器

常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器（均属电压串联型），下面分别介绍其典型应用。

① 固定三端稳集成压器

正压系列：78XX系列，该系列稳压块有过流、过热和调整管安全工作区保护，以防过载而损坏。一般不需要外接元件即可工作，有时为改善性能也加少量元件。78XX系列又分三个子系列，即78XX、78MXX和78LXX。其差别只在输出电流和外形，78XX输出电流为1.5A，78MXX输出电流为0.5A，78LXX输出电流为0.1A。

负压系列：79XX系列与78XX系列相比，除了输出电压极性、引脚定义不同外，其他特点都相同。

② 可调式三端集成稳压器

正压系列：W317系列稳压块能在输出电压为1.25V~37V的范围内连续可调，外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。其芯片内有过流、过热和安全工作区保护。最大输出电流为1.5A。

其典型电路如图7-2-4所示。其中电阻R1与电位器RP组成电压输出调节电器，输出电压U0的表达式为：

U0≈1.25(1+RP/R1)

式中，R1一般取值为（120~240Ω），输出端与调整压差为稳压器的基准电压（典型值为1.25V）。所以流经电阻R1的泄放电流为5~10mA/。

负压系列：W337系列，与W317系列相比，除了输出电压极性、引脚定义不同外，其他特点都相同。

图7-2-4 可调式三端稳压器的典型应用

2． 稳压电源的性能指标及测试方法

稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标。包括允许的输入电压、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。用来衡量输出直流电压的稳定程度。包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、温度系数及纹波电压等。测试电路如图7-2-6所示，可简述如下：

图7-2-6 稳压电源性能指标测试电路

⑴ 波电压

纹波电压是指叠加在输出电压U0上的交流分量。用示波器观测其峰-峰值。△Uopp一般为毫伏量级。也可以用交流电压表测量其有效值。但因△U0不是正弦波，所以用有效值衡量其纹波电压，存在一定误差。

⑵稳压系数及电压调整率

稳压系数：在负载电流、环境温度不变的情况下，输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化。

电压调整率:输入电压相对变化±10%时的输出电压相对变化量,即

Ku=△U0/U0

稳压系数Su和电压调整率Ku均说明输入电压相对变化对输出电压的影响,因此只需测试其中之一即可.

⑶输出电阻及电流调整率

输出电阻：放大器的输出电阻相同,其值为当输入电压不变时,输出电压变化量与输出电流变化量之比的绝对值,即

ro＝|△U0|/|I0|

电流调整率:输出电流从0变到最大值ILmax时所产生的输出电压相对变化值,即

Ki=△U0/U0

输出电阻r0和电流调整率Ki均说明负载电流变化对输出电压的影响,因此也只需测试其中之一即可.

四.设计指导

直流稳压电源的一般设计思路为:由输出电压U0、电流I0确定稳压电路形式,通过计算极限参数(电压、电流和功率)选择器件有稳压电路所要求的直流电压(Ui)、直流电流(Ii)输入确定整流滤波电路形式,选择整流二极管及滤波电容并确定变压器的副边电压Ui的有效值、电流Ii(有效值)即变压器功率.最后由电路的最大功耗工作条件确定稳压器、扩流功率管的散热措施.

下图为集成稳压电源的典型电路.其主要器件有变压器Tr、整流二极管VD1～VD4、滤波电容C、集成稳压器及测试用的负载电阻RL.

图7-2-7 集成稳压电源的典型电路

下面介绍这些器件的一般原则.

1.集成稳压器

稳压电路输入电压Ui的确定：

为保证稳压器在电网量低时仍处于稳压状态,要求

UI≥Uomax +(UI-U0)min

式中(UI-U0)min 是稳压器的最小输入输出压差,典型值为3V.按一般电源指标的要求,当输入交流电压220V变化±10%时,电源应稳压.所以稳压电路的最低输入电压

U1min≈[Uomax+(UI-U0)min]/0.9.

另一方面，为保证稳压器安全工作，要求 UI≤Uomin +(UI-U0)max式中(UI-U0)max是稳压器允许的最大输入输出压差,典型值为35V.

2.电源变压器

确定整流滤波电路形式后,由稳压器要求的最低输入直流电压Uimin计算出变压器的副边电压Ui 、副边电流Ii.

五.按指标设计电路图

1. 器件选择

电路参数计算如下:

⑴确定稳压电路的最低输入直流电压Uimin

Uimin≈[Uomax+(Ui-U0)min]/0.9

代入各指标,计算得:

Uimin≥(15+3)/0.9=20V

取值为20V.

⑵确定电源变压器副边电压、电流及功率

Ui≥Uomax/1.1. I1≥Iimax

所以我们取I1为1.1A.UI≥20/1.1=18.2V ，变压器副边功率P2≥20W

变压器的效率 =0.7，则原边功率P1≥28.6W.由上分析,可选购副边电压为19V,输出1.1A,功率30W的变压器.

⑶选整流二极管及滤波电容

因电路形式为桥式整流电容滤波，通过每个整流哦极管的反峰电压和工作电流求出滤波电容值。已知整流二极管1N5401 ,其极限参数为URM=50V,ID=5A.

滤波电容：C1≈(3～5)T×Iimax/2U1min=(1650～2750)μF

故取2只2200μF/25V的电解电容作滤波电容。

2.压电源功耗估算

当输入交流电压增加10%时，稳压器输入直流电压最大，即

Uimax=1.1×1.1×19=22.99V

所以稳压器承受的最大压差为：22.99-5≈18V

最大功耗为：Uimax×Iimax=18×1.1=19.8W

故选用散热功率≥19.8W的散热器.

3.其他措施

如果集成稳压器离滤波电容C1较远时，应在W317靠近输入端处接上一只0.33μF的旁电路C2。接在调整端和地之间的电容C3，是用来旁电路电位器RP两端的纹波电压。当C3的电容电量为10μF时，纹波抑制比可提高20dB,减到原来的1/10.另一方面,由于在电路中接了电容C3,此时一旦输入端或输出端发生短路,C3中储存的电荷会通过稳压器内部的调整管和基准放大管而损坏稳压器.为了防止在这种情况下C3的放电电流通过稳压器,在R1两端并接一只二极管VD2.

W317集成稳压器在没有容性负载的情况下可以稳定的工作.但当输出端有500～5000pF的容性负载时,就容易发生自激.为了抑制自激,在输出端接一只1μF钽电容或25μF的铝电解电容C4.该电容还可以改善电源的瞬态响应.但是接上该电容后,集成稳压器的输入端一旦发生短路.C4将对稳压器的输出端放电,其放电电流可能损坏稳压器,故在稳压器的输入与输出端之间,接一只保护二极管VD1。

六.电路安装与指标测试

1.安装整流滤波电路

首先应在变压器的副边接入保险丝FU,以防电源输出端短路损坏变压器或其他器件,整流滤波电路主要检查整流二极管是否接反,否则会损坏变压器.检查无误后,通电测试(可用调压器逐渐将入交流电压升到220V),用滑线变阻器作等效负载,用示波器观察输出是否正常.

2.安装稳压电路部分

集成稳压器要安装适当散热器,根据散热器安装的位置决定是否需要集成稳压器与散热器之间绝缘,输入端加直流电压UI(可用直流电源作输入,也可用调试好的整流滤波电路作输入),滑线变阻器作等效负载,调节电位器RP,输出电压应随之变化,说明稳压电路正常工作.注意检查在额定负载电流下稳压器的发热情况.

3.总装及指标测试

将整流滤波电路与稳压电路相连接并接上等效负载,测量下列各值是否满足要求:

① UI为最高值(电网电压为242V), U0为最小值(此例为+5V),测稳压器输入、输出端压差是否小于额定值,并检查散热器的温升是否满足要求(此时应使输出电流为最大负载电流).

② UI为最低值(电网电压为198V), U0为最大值(此例为+15V)测稳压器输输出端压差是否大于3V,并检查输出稳压情况.

如果上述结果符合设计要求,便可按照前面介绍的测试方法,进行质量指标测试.

七、综合总结

通过本次设计,让我们更进一步的了解到直流稳压电源的工作原理以及它的要求和性能指标.也让我们认识到在此次设计电路中所存在的问题而通过不断的努力去解决这些问题.在解决设计问题的同时自己也在其中有所收获.我们这次设计的这个直流稳压电源电路采用了电压调整管(uA723)外加调整管(2SC3280)来实现电压的调整部分还通过单片机(89C51)来实现电路的控制,也实现了扩充多功能而稳流部分可调式三端稳压电源管来实现。

八、参考文献资料

◆<<电子线路基础>>,华东师范大学物理系万嘉若,林康运等编著,高等教育出版社.。

◆<<电子技术基础>>,华中工学院电子学教研室编,康华光主编,高等教育出版社。

◆<<电子线路设计>>,(第二版)华中科技大学谢自美主编,华中科技大学出版社。

图可能出不来，自己另外在百度上搜图。（我也是网上找的，修改了一下）