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阻容降压的稳压电路设计

2015/10/23 阅读:

随着科技的发展,计算机技术、数字化技术以及信息技术应用于传统家电,使家电具备智能化和信息网络功能,即智能家电,智能家用电器体现了家用电器最新技术面貌。另外,智能家电的节能和环保功能也成为了智能家电发展的一个趋势。为了实现智能家电的智能功能,就需要用到实现这些功能的专用芯片(ASIC),因此给这些专用集成芯片提供电源,成为一个至关重要的问题。阻容降压稳压电源设计简单,元件少,制造和使用都较可靠,在家电、照明等行业大量应用[1,2]。早期稳压电源电路包括:降压变压器、整流二极管或整流桥、滤波电容及稳压环节组成[3]。由于其消耗有色金属,体积大,价格高,安装不便,为克服这些缺陷,出现了阻容降压稳压电路。如图1所示,阻容降压稳压电路节省了大体积的变压器,因此体积、重量及成本都大大降低。

1阻容降压稳压电路的设计与分析

1.1阻容降压稳压电路设计本文所设计的阻容降压稳压电路如图2所示,Fuse为保险丝,参数选取为1A/250V,当输入端流入大电流,保险丝熔断,从而保护阻容降压稳压电路器件不被损坏。压敏电阻R0选取14D471K,用来防浪涌,能够起到保护作用;限流电阻R1、泄放电阻R2和限流电容C1构成阻容降压电路;D1半波整流二极管,D2在市电的负半周时给C1提供放电回路;D3、R6为初级稳压电路,R3、C2组成滤波电路,R4、Q1、D4构成串联稳压电路。

1.2阻容降压及整流电路原理及分析虽然利用变压器降压,可以得到稳定的电压与较高的效率,由于变压器包含绕制线圈,会占用很大的空间,在实际布线与安装时就会造成一定的困难;另一方面,对于企业来说,利用变压器降压,成本也会增加;阻容降压的核心元件是一个电阻和电容并联,实际上就是利用容抗限流。而电容器起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色,限流(降压)电容器C1一定要选择耐压高的,通常要大于两倍的电源电压,因为当阻容降压电路空载时,输出电压只有三十多伏,市电220V电压大部分都加到电容C1上。R2为泄放电阻,当正弦波在最大峰值时刻被切断时,电容C1上残存电荷无法释放,会长久存在,如果人体接触到C1的金属部分,就会有强烈的触电可能,而电阻R2的存在,能够将残存的电荷泄放掉,从而保证人、机安全。泄放电阻的阻值和电容的大小有关,一般电容的容量越大,残存的电荷越多,泄放电阻的阻值就要选小一些的。经验数据如表1所示。D1为半波整流二极管,虽然半波整流效率仅是全波整流的一半,但不推荐使用桥式整流,因为在电路中总希望整个电路只有一个公共参考点即接地点。当采用阻容降压方式进行交直流转换时,如果采用桥式整流,在交流端和直流端不可能只有一个公共参考点,当交流端的零线和火线反接时,直流端的参考点可能会带电,因此这种做法不安全。当采用半波整流时,可以保证交直流端的参考点都接到交流端的零线上,在电路调试时可以保证相对安全一些,这非常重要,因此使用半波整流电路。

1.3稳压电路分析本文所设计的初级稳压电路模型如图3所示,在图3中,R为限流电阻,rZ为稳压管的内阻,RL为等效负载。在初级稳压电路中,利用稳压管的电流调节作用,通过限流电阻R上电压或电流的变化进行补偿,达到稳压的目的。为使Sr数值小,需增大R;但在Uo和负载电流确定的情况下,若R的取值大,则Ui的取值也会变大,这样导致Sr变大。因此初级稳压电路的Sr值一般在0.01左右,初级稳压后输出电压的纹波系数比较大,因此初级稳压性能较差。初级稳压后输出的纹波系数较大,不能满足后级芯片输入电压的要求,引入串联稳压电路,如图4所示,该电路中引入深度电压负反馈使输出电压稳定,达到输出电压Uo在Ui变化或负载电阻RL变化时,输出电压基本不变。对于图4所示的串联稳压电路,当电网电压波动引起Ui增大,或负载电阻RL增大时,输出电压Uo将随着增大,晶体管T发射极电位UE升高;由于稳压管DZ端电压保持不变,晶体管T的UBE减小,晶体管基极电流Ib减小,发射极电流Ie也减小,从而使Uo减小;当电网电压波动引起Ui减小,或负载电阻RL减小时,输出电压Uo将随着减小,晶体管T发射极电位UE降低;由于稳压管DZ端电压保持不变,晶体管T的UBE增加,晶体管基极电流Ib增大,发射极电流Ie也增大,从而使Uo增大;因此可以保持输出电压Uo保持不变。

2电路仿真和测试

本文采用NI公司的Multisim软件对阻容降压的稳压电路进行设计和仿真。图5~图7为整个阻容降压稳压电路的瞬态分析仿真结果,瞬态分析扫描时间为1.5s。图5为市电220V经阻容降压和半波整流后的输出电压仿真波形,可以看出输出电压的纹波比较大,交流分量大(即脉动大);并且会随负载电流的变化发生很大的波动,因此只适用于对脉动要求不高的场合。图6为初级稳压输出的仿真图,可以看出,经过初级稳压后,电压纹波变小,但稳压系数仍较大,电压稳定在24V左右,仅能满足对稳压性能要求不高的场合。图7为阻容降压稳压电路最终输出电压仿真情况,稳压电路输出电压纹波消失,输出电压最终稳定在5.0859V,同时该阻容降压稳压电路的从上电到稳压的时间约为241.7062ms,满足高性能电路的稳压需要。根据阻容降压稳压电路的原理图2,实际的阻容降压稳压电路的测试结果如图8所示,图8(a)为电路上电瞬间的输出波形,由于电路从上电到稳压的时间很短,所以波形很陡。图8(b)为最终稳压电路的输出电压,输出稳压的平均值为5.04V,最大值为5.12V,最小值为4.96V,与稳压电路仿真结果5.0859V仅相差0.0459V,因此稳压性能很好,满足对输入电压为5V专用芯片(ASIC)供电要求。

3结论

本文介绍阻容降压稳压电路的基本原理,设计出实用的稳压电路,通过具体的仿真分析和对实际电路的测试,结果表明该阻容降压稳压电路能够输出稳定电压为5.04V;与仿真分析的理想数值仅相差0.0459V,同时,该电路结构简单,制造成本比较低,工作性能良好,可靠性高,在输入电压、负载、环境温度等参数发生变化时仍能保持输出电压恒定,能为ASIC芯片提供稳定电源电压,目前该阻容降压稳压电路已经广泛应用于具体电子产品中。

作者:翟明静 徐建刚 刘广陵 单位:常州工学院  英特曼电工(常州)有限公司

阻容降压的稳压电路设计

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