第5章 輔助電路設(shè)計

5.1信號發(fā)生電路前面所研究的電路都可以歸于信號處理電路，因為它們都是對已有信號進行處理的；這一章要介紹的信號發(fā)生電路、基準源和穩(wěn)壓電源電路，它們本身就是用來產(chǎn)生信號，或用來提供電路工作所需能量的，因此我們把這些電路歸類于“系統(tǒng)輔助電路”。第5章輔助電路設(shè)計略直流穩(wěn)壓電源是電子系統(tǒng)中不可缺少的部分，除了用電池供電的便攜式設(shè)備外，絕大多數(shù)電子系統(tǒng)都是采用直流穩(wěn)壓電源供電；電力部門所提供的電源是220V或380V的交流市電，一般需要經(jīng)過降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓，才能獲得穩(wěn)定度很高的直流穩(wěn)壓電源。5.2直流穩(wěn)壓電源整流濾波穩(wěn)壓降壓交流輸入直流輸出在小功率直流穩(wěn)壓電源中，常用的整流電路有單相半波整流電路、單相全波整流電路和單相橋式整流電路三種；單相半波整流電路：只需要用一只整流二極管，但電路效率低、輸出紋波大，通常用在負載電流小，對紋波要求不高的場合；單相全波整流電路：需要用兩只整流二極管，且要求電源變壓器次級具有中心抽頭，而且整流二極管的耐壓必須高于變壓器輸出電壓峰值的兩倍；單相橋式整流電路使用了四只整流二極管，每只二極管流過的平均電流只有負載電流的一半。橋式整流電路的應(yīng)用最為廣泛，特別是在無電源變壓器的開關(guān)穩(wěn)壓電源中，都是采用橋式整流電路做交流/直流變換的。一、整流與濾波電路整流電路整流后的電壓含有較大的脈動成分，通常還需濾除交流諧波分量，從而得到平滑的直流電壓；常見的濾波電路有電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波電路；在小功率直流穩(wěn)壓電源中，主要采用橋式整流和電容濾波電路；紋波電壓的大小與RLC時間常數(shù)有關(guān)，當RL（或iO）一定時，C越大，vO波形的脈動就越?。挥上率娇梢怨浪愠鎏囟ㄘ撦d下濾波電容的大小。濾波電路【例】+5V直流穩(wěn)壓電路中，變壓器一次側(cè)輸入為220V±10％VN，二次側(cè)額定輸出v2=9V，負載電流iO=1A，求濾波電容的容值?！窘狻靠紤]變壓器一次側(cè)最小輸入電壓時，二次側(cè)輸出電壓為v2（min）=8.1V，則vO（max）=1.4v2（min）=11.34V；設(shè)穩(wěn)壓器最小輸入電壓為vO（min）=5V+2.5V=7.5V，則紋波電壓vrP-P=vO（max）-vO（min）=11.34-7.5=3.84V；代入式（5-38）得：C≈1/(2×50×3.84)=2.60×10-3F，取C=3300μF。集成穩(wěn)壓器分為線性和開關(guān)型兩類；線性集成穩(wěn)壓器的優(yōu)點是：外圍電路簡單、輸出電阻小、輸出紋波電壓小、瞬態(tài)響應(yīng)好；缺點是：功耗大、效率低；一般多用在輸出電流5A以下的穩(wěn)壓電路中。二、線性集成穩(wěn)壓器1.主要技術(shù)指標集成穩(wěn)壓器的主要技術(shù)指標分為性能參數(shù)和工作參數(shù)兩類，性能參數(shù)是衡量穩(wěn)壓器質(zhì)量優(yōu)劣的重要依據(jù)，工作參數(shù)是穩(wěn)壓器安全穩(wěn)定工作的條件；集成穩(wěn)壓器的主要技術(shù)指標有：電壓調(diào)整率SV

：當負載和溫度不變時，輸出電壓的變化量與引起的輸出電壓變化的輸入電壓變化量之比；負載凋整率又稱為輸出電阻RO

：當負載變化（即輸出電流變化）而輸入電壓不變的條件下，穩(wěn)壓器維持預(yù)定輸出電壓的能力；落差電壓VDO

：穩(wěn)壓器正常工作時，VI和VO之間的最小差值稱為落差電壓，即：VDO=VI（min）-VO；最大輸入電壓VI(max)

：最大允許輸入電壓；最大輸出電流IO(max)：能夠向負載提供的最大電流。78/79系列集成穩(wěn)壓器內(nèi)部集成了穩(wěn)壓電路所需要的元件，因而大大地簡化了電源的設(shè)計與應(yīng)用；只有輸入、輸出和公共三個引出端，故名三端式穩(wěn)壓器；穩(wěn)壓器內(nèi)部有較完善的過流、過壓、過熱保護功能，工作安全可靠；具有體積小、外圍元件少、調(diào)整簡單、性能好等特點，已成為世界通用系列，成為用途最廣、銷量最大的集成穩(wěn)壓器。特點2.固定輸出三端集成穩(wěn)壓器78/79系列主要參數(shù)管腳排列參數(shù)名稱單位7805780678087812781578207824輸出電壓VOV56812152024電壓調(diào)整率SV％0.180.220.320.580.851.61.7負載凋整率ROmV/A53668093106133160溫度系數(shù)STmV／℃0.60.71.01.51.82.53.0落差電壓VDOV2222222最大輸入電壓VI（min）V35353535354040最大輸出電流IO(max)A1.51.51.51.51.51.51.5能同時輸出正、負壓的穩(wěn)壓電源。應(yīng)用電路圖中：Ci用于改善紋波特性，Co用于消除芯片自激振蕩和改善瞬態(tài)響應(yīng)。如果需要非標稱電壓或者要輸出電壓連續(xù)可調(diào)，則可采用可調(diào)三端集成穩(wěn)壓器117/137系列。117系列是正電壓輸出的三端集成穩(wěn)壓器，137系列是負電壓輸出的三端集成穩(wěn)壓器；117/137系列內(nèi)部有一個穩(wěn)定性很高的基準源，其電壓VR=1.25V，當輸入電壓為40V時，輸出電壓可在1.25~37V范圍內(nèi)調(diào)整；117/137系列集成穩(wěn)壓器的電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率都優(yōu)于78/79系列。特點3.可調(diào)輸出117/137系列應(yīng)用電路Iadj=50μA，可忽略不計，+(1.25～22)V-(1.25～22)V傳統(tǒng)的串聯(lián)調(diào)整式線性集成穩(wěn)壓器，要求輸入—輸出壓差不得低于2V，這就大大限制了它在低壓供電領(lǐng)域的應(yīng)用；按照落差電壓的大小，低壓差線性穩(wěn)壓器可分為準低壓差線性穩(wěn)壓器、低壓差線性穩(wěn)壓器和超低壓差線性穩(wěn)壓器三種。4.低壓差線性穩(wěn)壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（a）為傳統(tǒng)的標準線性穩(wěn)壓器，它的調(diào)整管采用NPN型達林頓管，落差電壓VDO=2VBE+VCES，其值超過2.0～3V；圖（b）為準低壓差線性穩(wěn)壓器，由于調(diào)整管采用PNP型達林頓管，落差電壓VDO=VBE+VCES，其值可減小到0.9V～1.5V；圖（c）為低壓差線性穩(wěn)壓器，調(diào)整管僅為一個普通PNP管，落差電壓VDO=VCES，其值僅為0.3～0.6V；圖（d）為由P溝道MOS管構(gòu)成的超低壓差線性穩(wěn)壓器，落差電壓VDO=RDS(ON)×IO，其值可降至100mV左右；圖（e）為由N溝道MOS管構(gòu)成的超低壓差線性穩(wěn)壓器，落差電壓VDO=RDS(ON)×IO，其值可低至幾十毫伏?；驹碛休^高的電源效率；低壓差線性穩(wěn)壓器的落差電壓VDO遠低于標準型線性穩(wěn)壓器，因此能顯著降低功耗，大大提高穩(wěn)壓電源的效率；例如，當VI

>5.1V時HT7550即可正常穩(wěn)壓，效率為98％；而7805只有當VI

>7.0V時才能正常穩(wěn)壓，其效率只有71.4％。適用于電池供電的便攜式電子產(chǎn)品；例如手機中常常需要將1.5V電池電壓降至1.2V，甚至還要將1.2V電壓降至1.1V，這是其他類型穩(wěn)壓器所無法實現(xiàn)的，只能采用超低壓差線性穩(wěn)壓器。有完善的保護功能；新型低壓差線性穩(wěn)壓器內(nèi)部具有完善的保護功能，如電池極性反接保護、限電流保護、具有滯后特性的過熱保護和反向電流保護等功能。有優(yōu)越的性能指標；低壓差線性穩(wěn)壓器穩(wěn)壓性能好、噪聲低、響應(yīng)速度快，具有優(yōu)越的性能指標。主要特點低壓差線性穩(wěn)壓器與標準型線性穩(wěn)壓器、開關(guān)穩(wěn)壓器的指標比較如表5?8所示；性能指標穩(wěn)壓器類型標準線性穩(wěn)壓器低壓差及超低壓差穩(wěn)壓器開關(guān)穩(wěn)壓器電壓調(diào)整率（％）0.02～0.050.01～0.050.05～0.1負載調(diào)整率（％）0.02～0.10.02～0.10.1～1.0輸出紋波電壓（mV）0.5～20.1～110～100靜態(tài)工作電流（mA）5～200.01～1≤10落差電壓（V）2～30.1～0.63電源效率（％）40～5580～9570～90功率密度（W/cm3）0.030.10.12～0.61瞬態(tài)恢復(fù)時間（μs）5020300延遲時間（ms）2234準低壓差線性穩(wěn)壓器SPX1117；屬于三端固定輸出或可調(diào)輸出準低壓差線性穩(wěn)壓器，最大輸入電壓是20V，輸出電壓范圍是1.25～18.5V，額定輸出電流為0.8A；分固定輸出和可調(diào)輸出兩種類型。固定輸出有6種規(guī)格：1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V和3.3V；輸出電壓精度為1％，滿載時的落差電壓典型值為1.1V；有4種封裝形式：SOT-223，TO-252，TO-220和TO-263；典型應(yīng)用電路如圖。典型產(chǎn)品SPX1117Vi VoADJ++C210μC14.7μR2R1VREFIADJ50μAViVo超低壓差線性穩(wěn)壓器HT75xx-1系列；HT75xx-1系列包括HT7530-1、HT7533-1、HT7536-1、HT7544-1和HT7550-1，共5種型號，標稱輸出電壓分別為3.0V、3.3V、3.6V、4.4V和5.0V，輸出電壓精度均為3％；最高輸入電壓為24V，最大輸出電流分別為100mA或150mA（HT7550-1），落差電壓典型值為100mV；采用TO-92、SOT-89或SOT-25封裝；典型應(yīng)用電路如圖。開關(guān)電源又稱為低損耗電源，最突出的優(yōu)點是電源具有很高的效率。目前中功率以上的穩(wěn)壓電源都是開關(guān)型穩(wěn)壓，而且迅速地延伸到小功率穩(wěn)壓電源領(lǐng)域；開關(guān)電源具有以下一些特點：功耗小、效率高，效率一般在70％～85％之間，最高可達90％以上，而大多數(shù)線性穩(wěn)壓電源（不含低壓差線性穩(wěn)壓電源）的效率只能達到30％～40％；省掉體積笨重的工頻變壓器，使電源的體積大大縮小，外形尺寸僅為線性穩(wěn)壓電源的1/4；不僅有降壓型，還有升壓型和反極性電壓輸出型等多種形式；線路設(shè)計復(fù)雜，輸出電壓的穩(wěn)定性較差，輸出紋波較大，對負載變化的瞬態(tài)響應(yīng)能力較差，不能用作精密穩(wěn)壓電源。三、開關(guān)電源及開關(guān)型集成穩(wěn)壓器1.開關(guān)電源的特點串聯(lián)型脈沖寬度調(diào)制式開關(guān)穩(wěn)壓電路工作原理：當功率開關(guān)管飽和導(dǎo)通時，VI向負載提供電流，同時電感儲存能量；當功率開關(guān)管截止時，電感的電流不能突變，向負載釋放能量，維持負載電流基本不變；電路輸出電壓的高低與控制脈沖的占空比有關(guān)，功率開關(guān)管導(dǎo)通時間長時，輸出電壓就高，調(diào)整脈沖的占空比，就可以控制電源電壓的高低；輸出電壓VO經(jīng)采樣電路取樣后，送至誤差放大器，與基準電壓VREF進行比較，得到誤差電壓，再用誤差電壓的幅度去控制脈寬調(diào)制器的輸出信號占空比。最后，經(jīng)過功率開關(guān)管和電感，使輸出VO保持不變。2.開關(guān)電源的基本原理功率開關(guān)管脈寬調(diào)制振蕩器誤差放大器采樣電路基準電壓ViVo＋＋－－開關(guān)型穩(wěn)壓電路分為脈沖寬度調(diào)制式（PWM）、脈沖頻率調(diào)制（PFM）式和混合調(diào)制式三類；LM2576LM2576是高效率、3A大電流輸出、降壓式穩(wěn)壓器；LM2576性能特點：最大輸出電流為3A；最高輸入電壓為40V，輸出電壓分5種：3.3V、5V、12V、15V和ADJ（1.23～37V可調(diào)）；轉(zhuǎn)換效率可達75％～88％，在許多情況下甚至可不加散熱片；外圍電路非常簡單，作固定輸出時僅需4個外部元件；不僅能構(gòu)成降壓式穩(wěn)壓器，還可構(gòu)成反極性電壓輸出式穩(wěn)壓器；具有完善的保護電路，包括過電流保護及過熱保護。3.開關(guān)型集成穩(wěn)壓器開關(guān)型集成穩(wěn)壓器將脈寬調(diào)制器、功率輸出級、保護電路等集成在一個芯片中，用戶只需要提供少量的外圍器件，就能實現(xiàn)性能優(yōu)越的開關(guān)穩(wěn)壓電路；引腳功能：LM2576系列產(chǎn)品有3種封裝形式：TO-220（直腳排列），TO-220（雙排互相錯位的直腳排列），TO-263（表貼封裝）；第1腳為直流電壓輸入端Vin，第2腳為穩(wěn)壓輸出端Output，第3腳為接地端Gnd，第4腳為反饋端Feedback，第5腳為通/斷控制端ON/OFF。典型應(yīng)用：固定電壓輸出可調(diào)輸出將R1=2.0kΩ、R2=6.12kΩ代入式中，得到Vout=5.00V反極性輸出電路的特點是Gnd端不接地，而是將反饋端接地，利用自舉電路把穩(wěn)壓器原來的地變成負電壓輸出端，輸出電壓就被穩(wěn)定在-12V上，此時最大輸出電流約為700mA。MC34063MC34063簡介：MC34063是一種微功耗的集成穩(wěn)壓器，只需要外接少量元件，就可以組成DC/DC變換電路，不僅效率高，而且具有降壓、升壓和反轉(zhuǎn)極性電壓輸出等多種功能；MC34063輸入直流電壓范圍為3～40V，輸出電壓可調(diào)，輸出峰值電流為1.5A；MC34063采用8腳DIP或SOP封裝。典型應(yīng)用降壓電路MC34063的輸出電壓經(jīng)R1、R2組成的分壓器衰減后輸入電壓比較器的反相端，可以調(diào)整輸出電壓的大小，并保證輸出電壓的穩(wěn)定；輸出電壓由下式確定：升壓電路輸入電壓Vin為12V，經(jīng)直流變換升壓后，直接升至28V輸出Vout。反極性電路芯片接地端（4腳）和定時電容CT的接地端均未接到地電位上，而是懸浮在輸出端電位上；電感L上端的負電壓可通過二極管VD送至輸出端，從而獲得負極性輸出電壓。電壓基準和穩(wěn)壓電源的功能都是從一個稍欠穩(wěn)定的輸入電源VI中獲得一個穩(wěn)定的直流輸出電壓VO；作為電壓基準，VI通常是已經(jīng)穩(wěn)定到某種程度的電壓，因此其基準的作用就是要產(chǎn)生一個更加穩(wěn)定的電壓VO，以用作其他電路的參考標準；電壓基準主要的技術(shù)指標是它的精確度和穩(wěn)定性；電壓基準通常具有較小的電流輸出能力，一般為幾毫安至幾十毫安量級。5.3電壓基準根據(jù)電壓基準內(nèi)部產(chǎn)生穩(wěn)壓的原理和結(jié)構(gòu)不同，電壓基準分為溫度補償齊納二極管基準和能隙電壓基準兩類；根據(jù)外部應(yīng)用電路的結(jié)構(gòu)不同，電壓基準還可分為串聯(lián)型和并聯(lián)型兩類。串聯(lián)型電壓基準與三端穩(wěn)壓器類似，基準電壓與負載串聯(lián)連接；串聯(lián)型電壓基準的優(yōu)點在于，只要求輸入電源提供芯片的靜態(tài)電流，并在負載存在時提供負載電流；并聯(lián)型電壓基準與穩(wěn)壓管類似，基準電壓與負載并聯(lián)連接；并聯(lián)型電壓基準的優(yōu)點在于，能夠滿足很寬的輸入電壓范圍，而且適合做懸浮式的電壓基準。一、電壓基準分類在對基準電壓指標要求不高的場合，通?？梢赃x用穩(wěn)壓二極管作為基準電壓源；穩(wěn)壓管的擊穿特性并不相同，以8V左右的特性最硬（動態(tài)電阻約4～15Ω）；環(huán)境溫度變化時穩(wěn)壓管的擊穿特性還會產(chǎn)生漂移，6V左右穩(wěn)壓管的溫度系數(shù)最??；應(yīng)盡可能選用擊穿特性較硬、溫度系數(shù)最小的6V穩(wěn)壓管。二、穩(wěn)壓二極管并聯(lián)型電壓基準對外可等效成一個穩(wěn)壓二極管，但其擊穿電壓精確度、溫度漂移和動態(tài)內(nèi)阻都遠優(yōu)于普通的穩(wěn)壓二極管；并聯(lián)型電壓基準需要串聯(lián)電阻后接電源，以限制流過電壓基準和負載的總和電流；器件本身的工作電流與負載電流密切相關(guān)，負載電流越大，器件自身消耗的電流就越小，負載電流為零時，器件自身電流達到最大；并聯(lián)型電壓基準允許流過的電流比較大，通常都在十幾個mA數(shù)量級；常用的并聯(lián)型電壓基準有：LM385、LM336、LM199/399等。三、并聯(lián)型電壓基準LM336的典型應(yīng)用電路基本電路增加了一個10kΩ電位器對輸出電壓進行微調(diào)增加了兩個二極管，對電壓基準進行溫度補償，使其輸出具有更高的溫度穩(wěn)定性串聯(lián)型電壓基準具有三個端子：VIN、VOUT和GND，相當于一個高精度、高穩(wěn)定度、小電流輸出的串聯(lián)型線性穩(wěn)壓器件；串聯(lián)型電壓基準有固定電壓輸出、可調(diào)電壓輸出和多電壓輸出三種輸出形式，但輸出電壓一定低于輸入電壓；這類電壓基準自身工作電流極小，負載電流與自身的工作電流沒有直接的對應(yīng)關(guān)系；相對于并聯(lián)型電壓基準，串聯(lián)型電壓基準通常具有更好的初始精度和溫度系數(shù)。四、串聯(lián)型電壓基準AD581及典型應(yīng)用電路AD581是一款三引腳、溫度補償式單芯片能隙基準電壓源，可以利用12V至30V的未調(diào)節(jié)輸入電平提供精密的10.00V輸出；器件的靜態(tài)電流典型值為0.75mA，可提供10mA輸出電流，短路電流最大可達30mA；AD581L初始誤差5mV，保證溫度系數(shù)為5ppm/℃；典型應(yīng)用電路如圖：+10V輸出-10V輸出按照“水溫控制系統(tǒng)”的總體方案論證，系統(tǒng)的供電電源至少需要有3路穩(wěn)壓電源輸出：+5V和±15V；根據(jù)前向通道的設(shè)計要求，系統(tǒng)還需要提供一個+10V和一個+5V的電壓基準。5.4系統(tǒng)輔助電路設(shè)計實例一、供電電源設(shè)計穩(wěn)壓電源實現(xiàn)的方案有三種：采用開關(guān)穩(wěn)壓電源、采用線性穩(wěn)壓電源，或采用開關(guān)穩(wěn)壓電源加線性穩(wěn)壓電源的方案；從性能和成本考慮，可以選用線性穩(wěn)壓電源的方式。220V交流市電通過變壓器降壓、