2022年电源电路设计 .pdf

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1、1第三章 单元电路训练内容提要本章介绍了电子设计用到的基本单元电路设计与制作，内容包含有集成直流稳压电源电路、信号放大电路、信号产生电路、信号处理电路、声音报警电路、传感器及其应用电路、功率驱动电路、显示电路、A/D与 D/A电路。知识要点：直流稳压电源，信号放大、产生与信号，报警，传感器，功率驱动，显示，A/D 与 D/A。根据实验条件，每一节完成23 电路的实际设计制作，要求完成电原理图、印制板图、装配图、实际制作、电路调试、设计总结报告。其余电路可以通过实验设备与电子仿真设计软件（Multisim等）的结合来完成。显示电路、A/D 与 D/A 等电路的设计制作可以结合单片机和 FPGA的

2、训练进行。3.1 集成直流稳压电源的设计直流稳压电源是电子设备的能源电路，关系到整个电路设计的稳定性和可靠性，是电路设计中非常关键的一个环节。本节重点介绍三端固定式（正、负压）集成稳压器、三端可调式（正、负压）集成稳压器以及DC-DC 电路等组成的典型电路设计。3.1.1直流稳压电源的基本原理直流电源电路一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成。如图3.1.1 所示。图 3.1.1 直流稳压电源基本组成框图电源变压器的作用是将电网220V 的交流电压变成整流电路所需要的电压U1。整流电路的作用是将交流电压U1变换成脉动的直流U2，它主要有半波整流、全波整流方式，可以由整流二极管构成整流桥

3、堆来执行，常见的整流二极管有IN4007、 IN5148 等，桥堆有 RS210 等。滤波电路作用是将脉动直流U2滤除纹波， 变成纹波小的U3，常见的电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 12 页 - - - - - - - - - 2有 RC 滤波、 KL 滤波、型滤波等，常用的选RC 滤波电路。其中它们的关系为：1nUUi=其中，n 分别为变压器的变比。12)2.11 .1(UU=每只二极管或桥堆所承受的最大反向电压12UURM=对于桥式整流电路，每只二

4、极管的平均电流RUIIRAVD1)(45.021=RC 滤波电路中， C 的选择应适应下式，即RC 放电时间常数应满足：RC=（35）T/2式中 T 为输入交流信号周期；R 整流滤波电路的等效负载电阻。稳压的作用是将滤波电路输出电压经稳压后， 输出较和稳定的电压。常见的稳压电路有三端稳压器、串联式稳压电路等。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3.1.2。RUCTUi+-RUC+-TRUC+-T（a）全波整流电容滤波电路（b）桥式整流电容滤波电路（c）二倍压整流电容滤波电路OOOLLLUiUiUi+/2/2图 3.1.2 常见整流滤波电路3.1.2 三端固定式正

5、压稳压器国内外各厂家生产的三端（电压输入端、电压输出端、公共接地端）固定式正压稳压器均命名为 78 系列， 该系列稳压器有过流、过热和调整管安全工作区保护，以防过载而损坏。其中 78 后面的数字代表稳压器输出的正电压数值（一般有05、06、08、09、10、12、 15、18、20、24 伏共 9 种输出电压），各厂家在78 前面冠以不同的英文字母代号。78 系列稳压器最大输出电流分100mA 、500mA 、1.5A 三种，以插入78 和电压数字之间的字母来表示。插入 L 表示 100mA 、M 表示 500mA ，如不插入字母则表示1.5A。此外， 78（L、M） 的后面往往还附有表示输出

6、电压容差和封装外壳类型的字母。常见的封装形式有TO-3 金属和TO-220 的塑料封装，如图3.1.3 所示。金属封装形式输出电流可以达到5A。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 12 页 - - - - - - - - - 3（a）金属封装（b）塑料封装图 3.1.3 常见三端稳压器的封装形式三端固定式稳压器的基本应用电路如图3.1.4 所示，只要把正输入电压UI加到 MC7805的输入端， MC7805 的公共端接地，其输出端便能输出芯片标称正电压UO。实

7、际应用电路中，芯片输入端和输出端与地之间除分别接大容量滤波电容外，通常还需在芯片引出脚根部接小容量（ 0.1 F 10F）电容 Ci、Co到地。 Ci用于抑制芯片自激振荡，Co用于压窄芯片的高频带宽，减小高频噪声。Ci和 Co的具体取值应随芯片输出电压高低及应用电路的方式不同而异。132VVGNDINOUTMC7805Ci0.33 FCo0.1 FUU+-+-IO图 3.1.478 系列三端稳压器基本应用电路3.1.3 三端固定式负压稳压器三端固定式负压稳压器命名为79 系列，79 前、后的字母、 数字意义与78 系列完全相同。图 3.1.5所示为 79 的基本应用电路（以MC7905为例）。

8、图中芯片的输入端加上负输入电压UI，芯片的公共端接地，在输出端得到标称的负输出电压UO，电容 Ci用来抑制输入电压UI中的纹波和防止芯片自激振荡，Co用于抑制输出噪声。D为大电流保护二极管，防止在输入端偶然短路到地时，输出端大电容上储存的电压反极性加到输出、输入端之间而损坏芯片。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 12 页 - - - - - - - - - 4Ci0.33 FCo0.1 FUU+-231VVGNDINOUTMC7905+-DOI图 3.1.5

9、79 系列三端稳压器基本应用电路3.1.4 三端可调式稳压器三端（输入端、输出端、电压调节端）可调式稳压器品种繁多，如正压输出的317（217/117）系列、 123 系列、138 系列、140 系列、150 系列；负压输出的337 系列等。 LM317和 LM337的封装形式和引脚如图3.1.6所示。LM317系列稳压器能在输出电压为1.25V37V的范围内连续可调，外接元件只需一个固定电阻和一个电位器。其芯片内也有过流、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3.1.7（a）所示。其中电阻R1与电位器 RP组成电压输出调节电位器，输出电压UO的表达式为：UO=1.25（

10、1+Rp/Rl）式中，R1一般取值为（ 120240） ，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510mA 。（a）LM317 塑料封装形式（b）LM337 塑料封装形式图 3.1.6常见三端可调稳压器的封装形式与 LM317系列相比， 负压输出的LM337系列除了输出电压极性、引脚定义不同外、其他特点都相同 , 典型电路如图3.1.7 （b） 。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 12 页 - - - -

11、- - - - - 5Vin2ADJ1+Vout3LM317Vin3ADJ1-Vout2LM3370.11R1240RP0.11R1240RP-+UUUU（a）可调正压输出（b）可调负压输出+0.010.01IOOI图 3.1.7可调式三端稳压器的应用电路3.1.5正、负输出稳压电源正、负输出稳压电源能同时输出两组数值相同、极性相反的恒定电压。图 3.1.8所示为正、 负输出电压固定的稳压电源。它由输出电压极性不同的两片集成稳压器 MC7815和 MC7915构成，电路十分简单。两芯片输入端分别加上20V的输入电压， 输出端便能输出 15V 的电压，输出电流为1A。图中 D1 、D2 为集成稳

12、压器的保护二极管。当负载接在两输出端之间时，如工作过程中某一芯片输入电压断开而没有输出，则另一芯片的输出电压将通过负载施加到没有输出的芯片输出端，造成芯片的损坏。接入D1 、D2 起的箝位作用，保护了芯片。0.330.1UU+0.330.1U-Vin1GND2+15V3MC7815Vin2GND1-15V3MC7915GND-UD2D1+20V-20V= -15V= +15VI1I2+-+O2O1图 3.1.8正、负输出固定稳压电源图 3.1.9所示是由 LM317和 LM337组成的正、 负输出电压可调稳压电源，输出电压调节范围为 1.2V20V，输出电流为1A。名师资料总结 - - -精品

13、资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 12 页 - - - - - - - - - 6Vin2ADJ1+Vout3LM317Vin3ADJ1-Vout2LM3370.11%120?10101%120?-+UU2K2K0.1+25V-25V1.220V-1.2-20V1k? /1WR0.1T1IN5402 4L1+1k? /1W R0.1T2IN5402 4L1+22002200+220V/50Hzo1o2-+图 3.1.9正、负输出可调稳压电源3.1.6斩波调压电源电路MC33063A/M

14、C34063A/MC35063A 是单片 DC/DC变换器控制电路，只需配用少量的外部元件，就可以组成升压、降压、电压反转DC/DC变换器。该系列变换器的电压输入范围为340V，输出电压可以调整，输出开关电流可达1.5A；工作频率可达100kHz，内部参考电压精度为 2。本系列电路还有电流限制功能，以下是MC34063A 的几种使用方法。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 12 页 - - - - - - - - - 7图 3.1.10MC34063A 内部电

15、路结构图 3.1.10为 MC34063A 内部电路结构。它是由带温度补偿的参考电压源(1.25V) 、比较器、能有效限制电流及控制工作周期的振荡器、驱动器及大电流输出开关等组成的。其主要参数为：电源电压为40V(直流) ；比较器输入电压范围为 -0.3-40V( 直流) ；开关发射极电压为 40V(直流) ； 开关集电极电压为40V(直流) ； 驱动集电极电流为100mA ；开关电流为1.5A。图 3.1.11是由 MC34063A 组成的升压式DC DC变换器。电路的输入电压为+12V ，输出电压为+28V ，输出电流可达175mA 。电路中的电阻Rsc 为检测电流，由它产生的信号控制芯片

16、内部的振荡器，可达到限制电流的目的。输出电压经R1 、R2 组成的分压器输入比较器的反相端，以保证输出电压的稳定性。本电路的效率可达892。如果需要，本电路在加入扩流管后输出电流可达1.5A 以上。图 3.1.11MC34063A 组成的升压式DC DC 变换器图 3.1.12MC34063A 组成的降压式DC DC 变换器电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 12 页 - - - - - - - - - 8图 3.1.13MC34063A 组成的电压反转式

17、DC DC变换器图 3.1.12是由 MC34063A 组成的降压式DC DC变换器电路。电路的输入电压为25V，输出电压为5V500mA 。电路将1、8脚连接起来组成达林顿驱动电路，如果外接扩流管，则可把输出电流增加到1.5A。当电路中的电阻Rsc 选择 0.1 时，其限制电流为1.1A。本电路的效率为82。5。图 3.1.13是由 MC34063A组成的电压反转式DC DC变换器。输入电压为 4.5 6.0V， 输出电压为 -12V100mA 。 此电路的限制电流为910mA 。外接扩流管可将输出电流增加到1.5A 以上。电路效率为64.5。它的输出电压决定于：12/25. 1RRUo=，

18、1.25 为芯片内部产生的参考电压。通过计算，选取适当的R1和 R2值，就可得到不同的电压输出范围。3.1.7 精密稳压电源电路利用三端稳压器MC7805 ，配合可编程精密电压基准TL431,可以组成简单的精密高压可调压电路。如图3.1.14所示。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 12 页 - - - - - - - - - 9Vin1GND2+5V3MC7805R2R1+-231TL431IOUU图 3.1.14精密可调电源电路这个电路的输出电压可以用下式

19、计算：UO=（1+R1/R2 ）2.5V。最小输出电压2.5V， 最大输出电压40V。从电路输出电压表达式可以看到：当电路中可调电阻R1为零时， 即 TL431的参考端与阴极相接时，输出电压为2.495V。3.1.8DC-DC 电源电压利用单位增益缓冲器BUF634 ，可以组成 +24V 变成 12V 的对称电源。 如图 3.1.15所示。图 3.1.15正负对称电源变换电路由于 BUF634的供电范围为 2.25V18V， 故该电路可将 +4.5+36V 电源电压转换为上述电压。两个10K电阻要精密匹配。在正负负载不对称时，在输入电压过高的应用中，正负输出电流之差不应超过250mA 。3.1

20、.9 受控稳压电源集成稳压器外接各种形式的开关电路可构成各种类型的受控稳压电源。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 12 页 - - - - - - - - - 10图 3.1.16所示为LM117和模拟开关CC4051构成的程控电源。设LM117的基准电压Vr=1.25V, CC4051的导通电阻为400，关断电阻为无穷大，其它元件参数如图所示，因而三位并行数字码取不同值时，电源可输出2V、5V、12V、15V、18V、24V、30V 等 8种电压值。Vin

21、2ADJ1+Vout3LM117A B CCC4051R11.5kR23.4kR34.9kR46.4kR57.9kR610.9kR713.9kR620?UUOI+-图 3.1.16程控电源3.1.10LCD显示器用负压电源多数 LCD需要一个负的驱动电压UEE及一个对比度调节电压UADJ, 有的要求达 18V 甚至24V以上，而一般的小型微机电源仅能通过12V或15V 的负电压，不能满足要求。这里介绍一种用 MAX749来产生 LCD负电压的方法。 MAX749是美国 MAXIM 公司生产的数字调节LCD负偏压发生器，仅需2V6V 的输入，就可以输出 100V 甚至更低，且可进行数字调节或电位

22、计调节。 MAX749的主要特征如下：输入电压低： 2V6V；输出电压可调： 64 步数字调节或电位计调节；设定输出电压范围：仅用一个电阻即可；静态电流极低：最大60A，关闭模式下仅15A；图 3.1.17MAX749 管脚图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 12 页 - - - - - - - - - 11转换频率高：可达80以上。MAX749的管脚图如图3.1.17所示。U+: 输入电压端， 2V6V。ADJ: 调节逻辑输入端，当 CTRL为高时， A

23、DJ的一个上升脉冲使MAX749内部计数器加1；当CTRL为低且 ADJ为高时，计数器复位到中间值；当ADJ为低时，计数器不变化（不管CTRL是什么状态）。表 3.1.1输入逻辑真值表CTRL ：控制逻辑输入端，当CTRL和 ADJ均为低时， MAX749关闭，输出电压为零，但计数器不复位；当 CTRL为低 ADJ为高时，计数器复位到中间状态。CTRL 为高时电流总是处在工作状态。输入逻辑真值表，如表3.1.1所示。FB：设置最大输出电压的反馈输入端，()=-20maxFBOUTRU,电流调整时应有UFB0V。GND ：0V,参考地。DLOW ：输出驱动低端，当使用P 沟道 MOSFET 驱动

24、时连至DHI ，当使用 PNP 晶体管驱动时，从该端连接一个电阻RBASE至 PNP 管的基极以设置最大基极电流。DHI ：输出驱动高端，连至P 沟道 MOSFET 的门极，或连至PNP 晶体管的基极。CS：电流敏感输入端，当电流通过RBASE时外部晶体管关断，使CS 比 U低 140mV 。注意：真值表中，关闭状态下输出为0，而复位状态下计数器为中间值32，此时输入为Umin而非零。ADJCTRL结果00关闭状态10计数器复位到中间值1工作状态011计数器加1名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - -

25、 - - - - - 第 11 页，共 12 页 - - - - - - - - - 12用 MAX749 产生负电压时，外部电路可以用P 沟道 MOSFET 管驱动；也可以用PNP晶体管驱动；输入电压可以利用数值调节，也可以利用电位计进行调节。下面以用 PNP 三极管驱动、 电位计调节输出为例来说明。从 成 本 方 面 考 虑 ， PNP 管 比MOSFET 经济，而电位器可以实现输出电压的连续调节，其电路图如图3.1.18所示。如果系统要求输出电压范围为UmaxUmin，则可根据下式确定R1、R2的值即=33.13min1UR1max233.13RUR-=当电位计值为0 时，对应 Umin

26、；当电位计值为R2时，对应Umax。可见用电位计也很方便地实现输出电压的调节。在使用 MAX749 产生负电压时要注意元件的选择，这里特别说明几点：（1）晶体管：可以使用PNP 管也可使用MOSFET 管。前者经济、使用简单；后者能提供更大电流，且转换频率高，但往往需要较高的输入电压（通常要求5V 或 5V 以上）。如使用 8550 三极管，它可以提供较大的输出电流。（2）RSENSE:RSENSE是一个小电阻， 可以用一小段电阻丝代替，但不能直接短路。RSENSE的大小与输出电流成反比关系，因此可根据电流需要确定RSENSE的最大值，但为了保证转换效率，又不宜取得过小。一般在输出电压为24V

27、 的情况下，要求输出电流为0.5A 左右时，可取 RSENSE0.25；输出电流为0.8A 左右时，可取RSENSE0.2。（3）RBASE:RBASE应足够小以保证晶体管能处在饱和状态，但RBASE小又降低了转换效率，通常取 160 470之间。（4）其它：电感 L 在 22H100H 之间， 通常去 47 H，为提高效率， 电感的内阻要小，最好在 300m以下；二极管可用IN5817 IN5822 系列； CCOMP取决于 RFB及电路布局， 通常在 100pF10nF 之间。图 3.1.18LCD显示器用负电源名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 12 页 - - - - - - - - -