如何实现线性直流稳压电源的设计？方案详解

直流稳压电源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。

线性稳定电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间的电压降来稳定输出。由于调整管静态损耗大，需要安装一个很大的散热器给它散热。而且由于变压器工作在工频(50Hz)上，所以重量较大。　该类电源优点是稳定性高，纹波小，可靠性高，易做成多路，输出连续可调的成品。缺点是体积大、较笨重、效率相对较低。这类稳定电源又有很多种，从输出性质可分为稳压电源和稳流电源及集稳压、稳流于一身的稳压稳流(双稳)电源。从输出值来看可分定点输出电源、波段开关调整式和电位器连续可调式几种。从输出指示上可分指针指示型和数字显示式型等等。

一、 设计任务

1、课题名称：线性可调直流稳压电源

2、设计要求

①输出电压：Vo=4.5～12.0V;

②最大输出电流：Iomax≥1A;

③输出纹波：VP-P≤10mV;

④电压调整率：Ku≤5%(最大输出电流时);

⑤电流调整率：Ki≤3%。(输出为12V时)。

二、 硬件设计

1、 直流稳压电源设计思路

(1)电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。

(2)降压后的交流电压，通过整流电路变成单向脉动直流电，但其幅度变化大(即脉动大)。

(3)脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。

(4)滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给电压表。

2、 直流稳压电源原理

(1)直流稳压电源

直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。

①电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。

②整流电路：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电

③滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。

④稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。

(2)整流电路

①直流电路常采用二极管单相全波整流电路

②工作原理

设变压器副边电压u2=错误!未找到引用源。U2sinωt，U2为有效值。 在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止;u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。

在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即 电路中的每只二极管承受的最大反向电压为 (U2是变压器副边电压有效值)。

(3)滤波电路——电容滤波电路原理图

采用滤波电路可滤除整流电路输出电压中的交流成分，使电压波形变得平滑。常见的滤波电路有电容滤波、电感滤波和复式滤波等。

在整流电路的输出端，即负载电阻RL两端并联一个电容量较大的电解电容C，则构成了电容滤波电路，如图4所示电路，由于滤波电容与负载并联，也称为并联滤波电路。

从图3可以看出，当u2为正半周时， 电源错误!未找到引用源。通过导通的二极管VD1、VD3向负载RL供电，并同时向电容C充电(将电能存储在电容里，如t1～t2)，输出电压

u0=uc≈u2;错误!未找到引用源。达峰值后u2减小，当u0≥u2时，VD1、VD3提前截止，电容C通过RL放电，输出电压缓慢下降(如t2～t3)，由于放电时间常数较大，电容放电速度很慢，当uc下降不多时u2已开始下一个上升周期，当u2>u0时，电源u2又通过导通的VD2、VD4向负载RL供电，同时再给电容C充电(如t3～t4)，如此周而复始。电路进入稳态工作后，负载上得到如图中实线所示的近似锯齿的电压波形，与整流输出的脉动直流(虚线)相比，滤波后输出的电压平滑多了。

线性稳压电源是一种常见的电源，其设计相对简单，应用范围广泛。本文将介绍如何实现线性稳压电源的设计，并提供一些应用方案。

线性稳压电源的作用是将输入的交流电转化为稳定的直流电，以满足各种电子设备的需要。线性稳压电源的优点包括效率高、噪声低、稳定性好等，适用于各种需要直流电源的场合。但是，线性稳压电源也有一些缺点，如体积较大、成本较高、纹波较大等，需要在实际应用中进行权衡和选择。

在进行线性稳压电源设计时，需要确定设计目标。具体来说，需要考虑输出电压精度、输出纹波大小、效率等指标。根据不同的应用场景和需求，选择合适的拓扑结构和元器件参数。下面介绍线性稳压电源的设计步骤：

步骤1：确定设计目标

首先需要明确设计目标，例如输出电压精度为±5%，纹波小于5mV等。这些目标需要根据实际应用场景来确定。

步骤2：选择合适的拓扑结构

根据设计目标，选择合适的拓扑结构。线性稳压电源通常分为串联型和并联型两种拓扑结构。串联型稳压电源具有较高的输出电压精度和纹波抑制能力，但效率较低;而并联型稳压电源则具有较高的效率和良好的负载响应，但输出电压精度和纹波抑制能力相对较差。根据实际需求进行选择。

步骤3：确定元器件参数

根据所选拓扑结构，确定电阻、电容、二极管等元器件的参数。例如，选用精密电阻来提高输出电压精度，选用低噪声电容来减小纹波等。这些元器件的参数需要根据电路的实际情况来确定。

步骤4：编写电路图

利用电路设计软件，如Altium Designer、Eagle等，绘制线性稳压电源的电路图。在电路图中，需要将各个元器件按照其实际数值和规格进行标注，并按照一定的连接方式进行连接。

步骤5：测试和优化

根据测试结果进行优化，例如减小电路板空间、提高电压精度等。测试时需要用到各种测试仪器和设备，例如万用表、示波器、电子负载等。通过测试来验证电路的性能是否达到了设计目标，并对不满足设计目标的电路进行优化和改进。