稳压电源设计原理范文

稳压电源设计原理篇1

关键词：无级；可调直流电压源；晶振测试

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）05-0235-02

The Design of Stepless DC Regulated Power Supply with Crystal Test

ZHENG Qi ， SHANG Dong-mei ， BAI Yun ， AN Jing-yu ， HAN Juan

（Xi'an University of Science and Technology，Engineering Training Center， Xi'an 710000， China）

Abstract： As an important part in quality-oriented education of undergraduate education practice， our school is a compulsory training course in science and engineering， electrical and electronic design in this course， with no exception of adjustable regulated power supply is used， as well as the crystal vibration tester. In order to meet the urgent needs of the electrical and electronic training courses in our school， has been developed with the test crystals stepless adjustable dc regulated power supply. This paper mainly introduces the stepless adjustable with the test crystals is main part of dc regulated power supply， working principle and application.

Key words： stepless. adjustable dc voltage source； crystal vibration test

作为理工科类大学生锻炼动手能力的最基础的电工电子实训课程-电工电子设计实训课程是我校面向理工类本科生的必选基础实训课程，覆盖面大、学生多、工作量大。提供给学生选择及要求学生选做的多个实训套件需要的电源不同。为了能够提供实训中不同套件的电源，需要具有可调直流电源。本文所述电源分为无级可调直流稳压电源及测试晶振两个模块。基于该实训课程需要的所购的可调直流稳压电源成本较高，数量有限，故研制该仪器以解决现存问题。该带测试晶振的无级可调直流稳压电源比专门的仪器相比，体积小巧，价格低廉、使用方便。晶振测试可用于51单片机12MHZ晶振的测试，市面上测试晶振的仪器比较少、且价格较高，51单片机的晶振经测试后再焊，可避免焊上坏的导致不易拆除、更换。

1 带测试晶振的无级可调直流稳压电源的主要性能

可调直流稳压电源能够任意输出1.3-36V以内的直流电压，误差达到10%左右；实训所用晶振的测试误判率5%左右。

2 电原理图、方案及设计

2.1 无级可调直流稳压电源模块

电路主要应用了LM317。LM317是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。其输出电压范围是1.2V-37V，最大负载电流为1.5A。使用时只需外接两个电阻即可设置输出电压。它的线性调整率和负载调整率比标准的稳压器好。LM317过载保护、输出短路保护、安全区保护等多种保护电路。使用输出电容能改变瞬态响应。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高得多的纹波抑制比。典型线性调整率0.01%，典型负载调整率0.1%。80dB纹波抑制比。输出短路保护，过流、过热保护，安全区保护。标准三端晶体管封装。

Vout≈1.25V*（1+R3/R2）

用LM317制作可调稳压电源，常因电位器接触不良使输出电压升高而烧毁负载。如果增加一只三极管（如下图所示），在正常情况下，T1的基极电位为0，T1截止，对电路无影响；而当W1接触不良时，T1的基极电位上升，当升至0.7V时，T1导通，将LM317T的调整端电压降低，输出电压也降低，从而对负载起到保护作用。

2.2 晶振测试模块

主要通过三极管和周边元件构成电路满足“巴克豪森准则”（即公式a），（环路增益不能太大，否则也不起振，）形成震荡，使晶振起振，如果不起振，那么晶振就是坏的，从而鉴别晶振的好坏。

|H（jω0）|R1

2.3 仪器设备硬件设计电原理图

2.3.1晶振测试模块电路原理图如图1所示。 印制板为PCB板1。

2.3.2可调直流电压源模块电原理图如图2所示。印制板为PCB板2。

3 带测试晶振的无级可调直流稳压电源的应用及使用

3.1 带测试晶振的无级可调直流稳压电源的应用

该设备可作为需要直流电压源套件的电源：收音机电源、门铃电源、报警器电源、功放电源、收音机电源、51单片机电源，另外晶振测试模块可用于51单片机晶振测试。

3.2 带测试晶振的无级可调直流稳压电源的使用

输出端正极（红鳄鱼夹）接电路正极，输出端负极（黑鳄鱼夹）接电路负极。将220V的电源线插头插在市电插座上。打开开关1，直流电压源指示灯（红）亮，调节旋钮，输出电压变化，其值显示在电压表头上；另外，打开开关K2，测试晶振，晶振电源指示灯（红）亮，如果晶振是好的，晶振质量绿指示灯亮，否则绿指示灯不亮。

3.3 带测试晶振的无级可调直流稳压电源的调试

调试过程：测试晶振的电源指示灯串联的限流电阻阻值1.8K，原先过于偏低，发光二极管发烫，经过多次试验最终选定合适值为5.1K；无级可调直流电压源原先设计的可调电位器（用于调节输出电压）为4.7K，电压输出偏低，经过调试，最终确定为6.8K，电压输出符合要求；LM317选用铁壳封装，否则温度过高容易高温损坏。

参考文献：

[1] 姜爱婷，杨毅，杨静. 高频开关直流屏的设计[J]. 山东工业技术，2013（12）：41-38.

[2] 王国雨. 客运专线通信电源系统的设计[J]. 铁道勘测与设计， 2010（5）：122-125.

稳压电源设计原理篇2

关键词：变频器 多功能电源开关设计

中图分类号：S611文献标识码： A

前言：作为变频器的多功能电源开关，必须具有多路稳定的直流电压输出，以确保电源开关供电安全，UC3842作为变频器用多功能电源开关中应用最为广泛的芯片，其作用非常巨大，通过精确且科学的运算方法以及设计原理，使电源开关能够同时提供给主控系统、驱动系统以及通信系统多路稳定隔离直流电源，从而确保开关正常工作。

一、设计要求

多功能开关电源要求为变频器逆变器 3 个上桥臂的 IGBT 提供驱动电压, 并为其他部分提供电源,具体指标如下:输入 直流 250 V±40 %, 即 150～350 V;输出 3 路 24 V、2 A独立输出, 2 路 ±15 V、0.2 A共地输出; 1 路 5 V、1 A 输出。由于逆变器 3 个上桥臂每一时刻最多有 2 个同时导通, 所以输出总功率为 110 W。

二、芯片选择

多功能开关电源选用一种开关电源设计专用芯片 UC3842, 该芯片是美国Unitorde 公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器片,UC3842 可专门用于控制占空比适应负载变化造成的输出电压变化, 负载调整率好, 较适合该电源的应用场合。电路中开关管选择 N 沟道场效应管 K1358, 其额定参数为 900 V /9 A, 有充分的裕量保证系统的安全运行。

1、UC3842 内部结构和引脚功能

双列直插式封装, 其内部结构见图 1。

2、 UC3842 管脚功能

1 脚(COMP): 误差放大器的输出端。

2 脚(VFB): 误差放大器的反相输入端

3 脚(ISEN) : 电流检测端。流过开关管的电流被检测电阻转换为电压信号并被送

入此脚, 用来控制PWM锁存器, 调整输出电压大小。并且当该脚电

压超过 1 V 时, UC3842 即关闭输出脉冲, 从而保护开关管不致因

过流而损坏。

4 脚(RT / CT): 内接振荡电路, 外接 RC 定时元件, 定时电阻 R 接在 4 脚和

8 脚之间, 定时电容 C接在 4 脚到地, 振荡频率为 f=1.72 /

(RC) 。其振荡频率最高可达 500 kHz。

5 脚(GND): 电源电路与控制电路的接地端。

6 脚(OUT): 推挽输出放大器的输出端。为推拉式输出, 可直接驱动场效应管,

驱动电流的平均值可达 200 mA, 最大可达 1 A 峰值电流, 输出的

低电平为 1.5 V, 输出的高电平为 13.5 V。

7 脚 (Vcc): 电源输入端。外接电源电压 Vcc,UC3842 的开启电压为 16 V, 关

断电压为 10 V, 其内部有一个 34 V 的稳压管, 可以保证内部电

路工作在34 V 以下。该电源电压经内部基准电压电路的作用产生

5V 基准电压, 作为 UC3842 的内部电源使用, 并经衰减得到2.5

V 电压作为内部比较器的基准电压。

8 脚(VREF): 参考电压(+5 V) 输出端。可提供参考电压。

三、硬件电路设计

1、工作原理

根据芯片功能的介绍, 所设计的电路图如图 2 所示。当电源通电时, 输入电压通过电阻 R3对电容C4充电, 当 UC3842 的 7 脚(Vcc 端) 达到导通门槛电压(16 V) 后, UC3842 开始工作, 此后芯片由反馈线圈供电, 电压维持在 13 V 左右。

开关变压器的反馈绕组 Ns 两端电压经 VD2、R2、C3、VD3、C4整流滤波后再经过 R9、R10分压后, 从 2 脚送入 UC3842 的误差放大器反相输入端, 反馈电压与基准电压(2.5 V）经误差放大器比较放大后, 调整 PWM输出脉冲的宽度, 从而稳定输出电压。主回路电流由电阻 R5进行取样, 取样电压经 3 脚加到 UC3842 内的电流比较器的一个输入端, 与误差电压放大器的输出进行比较, 当该取样电压等于误差电压( 最大值为 1 V)时, UC3842 的输出脉冲被中断, 从而实现限流保护。

该电源用UC3842 的 PWM输出直接驱动开关管, R7的作用是限制峰值驱动电流。当直流输入电压变化时, 以变大为例, 此时反馈电压也会相应变大, 也就使得 UC3842 电压误差放大器的输出变小, 也就使得 PWM输出脉冲的占空比减小, 从而使输出电压保持稳定。

2、电路功能模块设计

a.输入滤波电容 C1: 可以滤除输入电压中的高频干扰, 得到较为稳定的输入

电压。

b. 启动电路设计: 启动电路由限流电阻 R3和电容 C4组成。在 UC3842 启

动正常工作之前, 启动电流在 1mA以内,7 端(Vcc)电压升至 16V时, 芯片

开始工作, 此时消耗电流为15 mA。所以 R3>16 V÷1 mA=16kΩ, 功率最好

在 1-2W。C4储存的能量要能满足电源开始正常工作的需要, 最好在 100 μ

F 以上。

c. 缓冲吸收电路设计: 开关管在关断的瞬间会产生很高的电压尖峰脉冲, 这不

仅很容易使开关管由于电压急剧升高而损坏, 而且使电流采样和输出电压的

波形出现很尖的脉冲, 影响系统的稳定工作。为此, VD4、R4、C5组成 RCD 缓

冲吸收电路, 同时对于反激变压器, R1、VD1、C2组成的缓冲电路, 也具有

同样的作用, 形成双重保护。

d. 反馈电路设计: 由于该电源的输出为多路, 不适合仅仅对某一路进行反馈调

节, 故采用反馈线圈Ns 来输出一个反馈电压, 对多路输出同时进行控制。

VD2、R2、C3、VD3、C4为整流滤波电路, 得到一个稳定的反馈电压, 该电压同时

也作为 UC3842 正常工作时的供电电压。

e. 电流取样和过流保护: 电流的取样由取样电阻 R5完成, 其峰值电流由误差

放大器控制, 为 Is=(Ue- 1.4) / (3Rs)( 其中 Is为主电路峰值电流, Ue

为UC3842 内部电压误差放大器输出电压, Rs为采样电阻) 。由于电流测定

比较器的反向输入端钳位电压为 1 V, 故最大电流限制在 Is=1V /Rs, 当电

流超过这个值时, UC3842 自动闭锁输出, 以保护电路。R6、C6为滤波电路,

用以滤除开关管开通电流尖峰, 防止误触发, RC 滤波器的时间常数应接近

于电流尖峰的持续时间, 通常为几百纳秒。取 R6=1 kΩ, C6=470 pF,则时间

常数τ=RC=470 (ns)。

f. 误差放大器的补偿电路: R11和 C7, 改善误差放大器闭环增益和频率特性。

g. 振荡电路: 由 R12、C9设定振荡频率, 取 R12=13 kΩ, C9=3.3 nF, 则振荡

频率为f=1.72×103/ (13×3.3) =40 (kHz)

h. 旁路瓷介电容: C8、C10, 用以滤除高频叠加信号。

i. 变压器设计: 变压器有多种工作方式, 在此采用单端反激工作方式。其基本

工作原理是当开关管受控导通时, 高频变压器将电能变为磁能储存起来;而

在开关管受控截止时, 变压器就将原先储存的磁能变为电能, 通过二极管向

输出电容充电, 再由电容向负载供电。若PWM 工作的占空比为D, n 为原副

边匝数比, 则输出电压 Uo=DUi/ [ n( 1 - D) ] 。关于变压器的设计在后面

再详细说明。

j. 输出滤波电路: 每一路电压输出都有整流二极管和电容组成的滤波电路,

如 VD5、C11组成 +5 V输出的整流滤波电路, 然后通过三端稳压器 LM7805

来滤除纹波, 得到一个较为稳定的电压, 也可以起到消除纹波的作用, 见图

2, 其他几路输出也是如此。

四、变频器开关电源的变压器设计

针对于变频器开关电源的变压器设计，要依照一定的步骤进行：

1、设计参数工作频率 fs=40 kHz, 工作周期 Ts=25 μs; 效率η=0.85; 输入直流电压 250 V±40 %, 即 150～350 V;输出功率 110 W。

2、 设计步骤

步骤 1 选择磁芯

考虑到变压器损耗和整流管损耗, 输入功率 PM=Po/ η=110 / 0.85=130(W) (Po为输出功率), 再由经验公式, 磁芯截面积为 SJ=0.15 PM=1.71 (cm2)。查表后可选择磁芯 EE42 /21 /15, 外形结构如图 3所示。

其磁芯截面积为SJ=173 mm2, a=42 mm,b =21 mm, c=15 mm, d、e、f 可查表得到。磁芯材料选择PC40 铁氧体磁芯, 其优点是电阻率高、交流涡流损耗小、价格低。

步骤 2 计算 ton和最低输入直流电压 Us,min

由于 UC3842 属于峰值电流控制芯片, 在没有斜坡补偿的情况下, 其稳定工作的占空比范围是 D

步骤 3 选择工作时的磁通密度

对于 PC40 材料的磁芯, 其 100 ℃ 时的最大磁感应强度 Bmax= 390 mT, 振幅取其一半, 交变磁通密度 ΔBac=0.5 Bmax=195 mT=0.195 T。

步骤 4 计算原边线圈匝数

步骤 5 对于+5V，匝数计算

对于+5V, 考虑到整流管压降,U2=5+0.6=5.6(V),而原边绕组每匝伏数 =Us,min/N1=150 /50=3 (V/匝),故而可算得 N2=5.6 /3≈1.867, 取 N2=2 匝。则新的每匝反激电压=5.6 /2=2.8 (V /匝), 原边匝数 N1=150 /2.8≈53.57, 取 N1=54 匝。

对±12 V 的直流输出电压 U3=12+1=13(V), N3=13 /2.8=4.64, 取 N3=5 匝。对+24 V 的直流输出电压 U4=24+1=25(V), N4=25 /2.8=8.93, 取 N4=9 匝。

由于电源输出接负载时会发生一定的电压跌落,所以在变压器设计时每一路输出多设计一匝, 得到一个稍高的输出电压, 然后通过三端稳压器 LM7805,LM7812, LM7824 分别得到+5 V+12 V、+24 V 电压, - 12 V 由 LM7912 得到, 如图 3 所示。所以在此对+5 V 取 3 匝, ±12 V 取 6 匝, +24 V 取 10 匝。对于反馈线圈, U=13+0.6×2=14.2 V, Ns=14.2÷2.8=5.07, 取 Ns=5 匝。

步骤 6 确定气隙的大小

设变压器工作在电流连续工作方式, 原边线圈电流 Ip如图 4 所示。原边电感 Lp=UsΔt /Δi, Ip2=3 Ip1,则 ton时间内流过电流的平均值 Iav=Ip2- Ip1=2 Ip1。在周期 Ts内的平均输入电流 Is=P /Us,min=1对±12 V 的直流输出电压 U3=12+1=13(V), N3=13 /2.8=4.64, 取 N3=5 匝。对+24 V 的直流输出电压 U4=24+1=25(V), N4=25 /2.8=8.93, 取 N4=9 匝。

由于电源输出接负载时会发生一定的电压跌落,所以在变压器设计时每一路输出多设计一匝, 得到一个稍高的输出电压, 然后通过三端稳压器 LM7805,LM7812, LM7824 分别得到+5 V、+12 V、+24 V 电压, - 12 V 由 LM7912 得到, 如图 3 所示。所以在此对+5 V 取 3 匝, ±12 V 取 6 匝, +24 V 取 10 匝。对于反馈线圈, U=13+0.6×2=14.2 V, Ns=14.2÷2.8=5.07, 取 Ns=5 匝。

步骤 7 校验

0N1Ip1/g=4π×10- 7×54×1.745 /(0.72×10- 3) =903×10- 4(T) =90.3 (mT) (Bdc为直流作用的磁感应强度) ; Bmax=0.5 ΔBac+Bdc=190.3 (mT)

五、计算结果分析

根据精确地运算制作出实物，需进行相应调试，并测算结构。图 5 是 UC3842 自身振荡器的波形, 图 6 是 PWM驱动输出的波形, 图 7 是电流取样电阻上的波形, 也就是 UC3842 的 3 脚的波形, 从波形上看, 虽然采取了滤波电路,仍然存在着尖峰脉冲, 这说明缓冲电路还有改进的空间。

结语：综上所述，基于对变频器用多功能开关电源的设计原理、计算方法以及设计步骤等的详细阐述，精确的计算以及科学的设计方法能够从根本上保障变频器多功能开关电源的正常稳定工作，为人们的生产生活提供安全的供电保障，并且随着我国电力事业的不断发展，对于变频器多功能开关电源的研发还将越来越科学，越来越先进。

参考文献:

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西安: 西安电子科技大学出版社, 2005.

[2] 李定宣. 开关稳定电源的设计与应用[M]. 北京: 中国电力出版社, 2006.

[3] 张占松, 蔡宣三. 开关电源的原理与设计[M]. 北京: 电子工业出版社,

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[4] 曲学基, 王增福, 曲敬铠. 新编高频开关稳定电源[M]. 北京: 电子工业出

版社, 2005.

[5] 周志敏, 周纪海, 纪爱华. 开关电源实用电路[M]. 北京: 中国电力出版社,

稳压电源设计原理篇3

【关键词】单片机;直流稳压电源;数控

电源技术是一种应用功率半导体器体，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术，而直流稳压电源更是电子领域重要的设备之一。从20世纪90年代末起，随着对系统更高效率和更低功耗的需求，直流电源转换器向着更高灵活性和智能化方向发展。本文设计一种输出电压在0.0V到9.9V之间并且可以任意设定输出电压的电压精准调整的数控直流稳压电源电路，该稳压电源不仅能克服传统电源输出电压难以精确调整的缺陷，而且还对系统的性能方面、系统的升级方面以及系统的可靠性方面进行了改善。

1.系统功能

本文设计的直流稳压电源输出电压在在0.0V到9.9V之间并且可以任意设定输出电压，主要由STC89C52RC单片机、LCD1602显示电压模块、D/A转换模块、稳压输出电路模块、电压模块和数据采集模块等部分组成。其中在电源模块方面采用键盘设定的输入方式，可用快点慢点的方式对报警和电压输出的阈值进行设置，其各种工作状态都可由LCD1602来显示，同时用STC89C52RC对输出的电压进行采样并与先前设置的目标值进行比较，一旦出现偏差可立即进行调整或发出报警信号。

2.系统的整体设计

使用STC89C52单片机最小系统为控制单元，通过DAC0832芯片的数据采样和LM324的电压放大调整可以改变系统输出电压的大小，然后进行数据处理及送LCD1602显示;使用运算放大器对电压的比较放大，这样不仅可以输出直流电平，而且只要预先生成产生波形的量化数据，便可以输出多种波形;采用LCD1602，它具有两行显示，每行显示16个字符，采用单+5V供电，系统模块的整体设计如图1所示。

图1 系统模块的整体设计图

3.系统硬件设计

3.1 稳定电压输出模块

稳定电压输出控制模块采用的是有14引脚的 LM324芯片，其作用是将通过前面的数模转换模块后出来的电压给转换成用户所需的指定的稳定电压。该模块的工作原理是将所需的输出电压以下面图2中的DAC0832芯片的第11引脚的输出为参考做出一个比值，并采用串联式反馈的电路使得输出始终为所需的稳定输出电压，其具体的电路图如图2所示，在图2中U5A―LM324为比较放大器，U5B―LM324为运算放大器，D/A转换电路的输出电压OUT2接到U5A―LM324的同向端（LM324的第2脚），U5A―LM324运放的输出端（LM324的第5脚）输出的电压一边送到运放U6A―LM324的同向端（LM324的第1脚），一边反馈回DAC0832的RFE1基准电压。变位器R5作为U6A―LM324反馈电路中的反馈电阻。经数模转换模块后出来的电压在这里经过了DAC0832和LM324的比较运算放大后再经过LM324第1引脚的调整，使得输出的电压始终和LED显示器上显示的一致。

图2 电压输出原理图

3.2 按键控制模块

按键控制模块的电路图如图3所示。在该电路图中，K1-K9分别对应着0-9，且每个按键都是一脚接地一脚接在STC89C52RC的各个引脚上，K00是位数选择键（按下为十位），K11则是为选定所需电压无误后需按下的确认键。

图3 键盘控制电路图

3.3 D/A转换控制部分

在该设计中，采用DAC0832来进行模数转换，并将经过该模数转换后出来的电压作为后面稳压输出反馈回路的参考电压。8位的D/A数据口分别与单片机的P0口相连，DAC0832的片选信号和写信号分别由单片机的P32脚和P36脚控制，8位字长的D/A转换器具有256种状态。

4.系统的软件部分的设计

此设计中需用到核心单片机STC89C52RC的功能包括：键盘的扩展，程序的中断，I/O的控制。系统软件包括一个主程序、四个中断服务程序、电压处理子程序、调用写电压子程序、DAC0832处理子程序。主程序在初始化过程中，首先对单片机进行复位，然后读入数据，控制开关电路进行显示.初始化完成以后开中断，如果有外部中断请求，则首先响应中断，进入中断服务程序，如果没有中断请求，则要调用键盘扫描程序进行数据采集和处理，同时，利用对按键进行消抖。主程序流程图如图3所示。

图3 主程序流程图

5.结束语

本文设计并实现了一个基于STC89C52RC单片机的数控直流稳压电源，它具备输入方便、输出精确度高、结构紧凑、电路简化等优点，经过测试，用此单片机来控制设备的电压时，输出的响应良好，LED能正确清晰地显示，误差小，输出的范围为0到9.9v。

参考文献

[1]宋开军，杨国渝.智能稳压电源设计[J].电子技术，2003（10）：

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[2]冯泽虎，朱相磊，滕春梅.基于单片机的可编程直流稳压电源设计[J].中国高新技术企业，2009（21）：36-37.

[3]高松.基于单片机的数控直流稳压电源[J].陶瓷研究与职业教育，2008（2）：43-44.

稳压电源设计原理篇4

关键词： 直流开关电源；开关电源；设计

1 直流稳压电源概述

直流稳压电源在一个典型系统中担当着非常重要的角色。从某种程度上可以看成是系统的心脏。电源的系统的电路提供持续的、稳定的能源，使系统免受外部的干扰，并防止系统对其自身产生的伤害。如果电源内部发生故障，不应造成系统的故障，而确保系统安全可靠运行。因此，人们非常重视系统直流电源的设计或选用。直流稳压电源通常分为线性稳压和开关稳压两种类型。

1.1 线性稳亚电源

线性稳压电源是指起电压调整功能作用的器件始终工作在线性放大区的直流稳压电源，期工作原理如图1。

它由50 工频变压器、整流器、滤波器以及串联调整稳压器组成。

线性稳压电源的优点是具有优良的纹波及动态响应特性。但同时存在以下缺点：输入采用50 工频变压器，体积庞大且和很重；电压调整器件工作在线性放大区内，损耗大，效率低；过载能力差。

线性电源主要应用在对发热和效率要求不高的场合，或者要求成本及设计周期短的情况。线性电源作为板载电源广泛应用于分布电源系统中，特别是当配电电压低于40V时。线性电源的输出电压只能低于输入电压，并且每个线性电源只能产生一路输出。线性电源的效率在百分之三十五到百分之五十之间，损耗以热的形式耗散。

1.2 PWM开关稳压电源

一般将开关稳压电源简称开关电源，开关电源与线性稳压电源不同，它是起电压调整功能作用的器件，始终工作在开关状态。开关电源主要采用脉宽调制技术。

开关电源的优点；

1）功耗小、效率高。电源中开关器件交替地工作在导通-截止和截止-导通的开关状态，转换速度快，这使得开关管的功耗很小，电源的效率可以大幅度提高，可达到百分之九十到百分之九十五。

2）体积小、重量轻。开关电源效率高，损耗小，则可以省去较大体积的散热器；隔离变压用高频变压器取代工频变压器，可大大减小体积，降低重量；因为开关频率高，输出滤波电容的容量和体积大为减小。

3）稳压范围宽。开关电源的输出电压由占空比来调节，输入电压的变化可以通过调节占空比的大小来补偿，这样在工频电网电压变化较大时，它仍然能保证有较稳定的输出电压。

4）电路形式灵活多样。设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同的应用场合的开关电源。

开关电源的缺点主要是：存在开关噪声大。在开关电源中，开关器件工作在开关状态，它产生的交流电压和电流会通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采用一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重影响整机的正常工作。此外，这些干扰还会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备、和家用电器收到干扰。因此设计开关电源时，必须采取合理的措施来抑制其本身产生的干扰。

PWM开关电源在使用时比线性电源具有更高的效率和灵活等特点。因此，在便携式产品、航空和自动化产品、仪器仪表以及通讯系统等，要求高效率、体积小、重量轻和多组电源电源输出的场合，得到了广泛的应用。但是开关电源的成本高，而且需要开发周期较长。

2 开关电源的设计

2.1 开关电源的工作原理

开关电源主要采用直流斩波技术，即降压变换、升压变换、变压器隔离的DC/DC变换电路理论和PWM控制技术来实现的。具有输入、输出隔离的PWM开关电源工作原理框图，如图2所示。

50Hz单相交流220V电压或三相交流220V/380V电压经EMI防电磁干扰电源滤波器，直接整流滤波；然后再将滤波后的直流电压经变换电路变换为数十千赫或数百千赫的高频方波或准方波电压，通过高频变压器隔离并降压（或升压）后，再经高频整流、滤波电路；最后输出直流电压。通过取样、比较、放大及控制、驱动电路，控制变换器中功率开关管的占空比，便能得到稳定的输出电压。在直流斩波控制中，有定频调宽、定宽调频和调频调宽3种控制方式。定频调宽是保持开关频率（开关周期T）不变，波形如图3所示。

通过改变导通时间高。而定宽调频则是保持导通时间T on不变，通过改变开关频率，来达到改变占空比的一种控制方式。由于调频控制方式的工作频率是不固定的，造成滤波器设计困难，因此，目前绝大部分的开关电源均采用PWM控制。

2.2 开关电源的主要性能指标

开关电源的质量好坏主要由其性能指标来体现。因此，对于设计者或使用者来讲，都必须对其内容有一个较全面的了解。一般性能指标包括电气指标、机械特性、适用环境、可靠性、安全性以及生产成本等。这里仅介绍常见的电气指标。

2.2.1 输入参数

输入参数包括输入电压、交流或直流、频率、相数、输入电流、功率因数以及谐波含量等。

1）输入电压：国内应用的民用交流电源电压三相为380V，单相为220V；国外的电源需要参出口国电压标准。目前开关电源流行采用国际通用电压范围，即单相交流85～265V，这一范围覆盖了全球各种民用电源标准所限定的电压，但对电源的设计提出了较高的要求。输入电压范围的下限影响变压器设计时电压比的计算，而上限决定了主电路元器件的电压等级。输入电压变化范围过宽，使设计中必须留过大裕量而造成浪费，因此变化范围应在满足实际要求的前提下尽量小。

2）输入频率：我国民用和工业用电的频率为50Hz，航空、航天及船舶用的电源经常采用交流400Hz输入，这时的输入电压通常为单相或三相115V。

3）输入相数：三相输入的情况下，整流后直流电压约是单相输入时的1.7倍，当开关电源的功为3～5kW时，可以选单相输入，以降低主电路器件的电压等级，从而可以降低成本；当功率大于5kW时，应选三相输入，以避免引起电网三相间的不平衡，同时也可以减小主电路中的电流，以降低损耗。

4）输入电流：输入电流通常包含额定输入电流和最大电流2项，是输入开关、接线端子、熔断器和整流桥等元器件的设计依据。

5）输入功率因数和谐波：目前，对保护电网环境、降低谐波污染的要求越来越高，许多国家和地区都已出台相应的标准，对用电装置的输入谐波电流和功率因数做出较严格的规定，因此开关电源的输入谐波电流和功率因数成为重要指标，也是设计中的一个重点之一。目前，单相有源功率因数校正（FPC）技术已经基本成熟，附加的成本也较低，可以很容易地使输入功率因数达到0.99以上，输入总谐波电流小于5%。

2.2.2 输出参数

输出参数包括输出功率、输出电压、输出电流、纹波、稳压精度、稳流精度、输出特性以及效率等。

1）输出电压：通常给出额定值和调节范围2项内容。输出电压上限关系到变压器设计中电压比的计算，过高的上限要求会导致过大的设计裕量和额定点特性变差，因此在满足实际要求的前提下，上限应尽量靠近额定点。相比之下，下限的限制较宽松。

2）输出电流：通常给出额定值和一定条件下的过载倍数，有稳流要求的电源还会指定调节范围。有的电源不允许空载，此时应指定电流下限。

3）稳压、稳流精度：通常以正负误差带的形式给出。影响电源稳压、稳流精度的因素很多，主要有输入电压变化、输出负载变化、温度变化及器件老化等。通常精度可以分成。3项考核：① 输入电压调整率；② 负载调整率；③ 时效偏差。同精度密切相关的因素是基准源精度、检测元件精度、控制电路中运算放大器精度等。④ 电源的输出特性：与应用领域的工艺要求有关，相互之间的差别很大。设计中必须根据输出特性的要求，来确定主电路和控制电路的形式。⑤ 纹波：开关电源的输出电压纹波成分较为复杂，通常按频带可以分为3类： 高频噪声，即远高于开关频率 的尖刺；开关频率纹波，指开关频率 附近的频率成分； 低频纹波，频率低于的 成分，即低频波动。

对纹波有多种量化方法，常用的有纹波系数、峰峰电压值、按3种频率成分分别计量幅值以及衡重法。⑥ 效率：是电源的重要指标，它通常定义为η=Po/Pi×100%。式中，Pi为输入有功功率；Po为输出功率。通常给出在额定输入电压和额定输出电压、额定输出电流条件下的效率。对于开关电源来说，效率提高就意味着损耗功率的下降，从而降低电源温升，提高可靠性，节能的效果明显，所以应尽量提高效率。一般来说，输出电压较高的电源的效率比输出低电压的电源高。

2.2.3 电磁兼容性能指标

电磁兼容也是近年来备受关注的问题。电子装置的大量使用，带来了相互干扰的问题，有时可能导致致命的后果，如在飞行的飞机机舱内使用无线电话或便携式电脑，就有可能干扰机载电子设备而造成飞机失事。电磁兼容性包含2方面的内容：

电磁敏感性、电磁干扰分别指电子装置抵抗外来干扰的能力和自身产生的干扰强度。通过制定标准，使每个装置能够抵抗干扰的强度远远大于各自发出的干扰强度，则这些装置在一起工作时，相互干扰导致工作不正常的可能性就比较小，从而实现电磁兼容。

因此，标准化对电磁兼容问题来说十分重要。各国有关电磁兼容的标准很多，并且都形成了一定的体系，在开关电源设计时应考虑相关标准。

3 开关电源的设计步骤

开关电源的设计一般采用模块化的设计思想，其设计步骤是：

1）首先从明确设计性能指标开始，然后根据常规的设计要求选择一种开关电源的拓扑结构、开关工作频率确定设计的难点，依据输出功率的要求选择半导体器件的型号；

2）变压器和电感线圈的参数计算，磁性材料设计是一个优质的开关电源设计的关键，合理的设计对开关电源的性能指标以及工作可靠性影响极大；

3）设计选择输出整流器和滤波电容；

4）选择功率开关的驱动控制方式，最好选用能实现PWM控制的集成电路芯片，也可利用单片机实现PWM控制；

5）设计反馈调节电路；

6）根据设计要求设计过电压、过电流和紧急保护电路；

7）根据热分析设计散热器；

8）设计实验电路的PCB板和电源的结构，组装、调试，测试所有的性能指标；

9）根据调试结果进一步优化设计；

稳压电源设计原理篇5

【关键词】带隙基准；曲率补偿；高稳定性

1.引言

基准电路包括基准电压源和基准电流源，在电路中提供电压基准和电流基准，是模拟集成电路和混合集成电路中非常重要的模块[1]。随着集成电路规模的不断增大，特别是芯片系统集成（SOC）技术[2]的提出，使基准电路被广泛使用[3]的同时，也对其性能提出了更高的要求。

基准电压源是指被用作电压参考的高精确、高稳定度的电压源，理想的基准电压是一个与电源、温度、负载变化无关的量[4]。基准电压源是现代模拟电路极为重要的组成部分，它对高新模拟电子技术的应用与发展具有重要作用。在许多模拟电路中，如数模转换器（DAC）、模数转换器（ADC）、线性稳压器和开关稳压器中都需要高精度、高稳定度的电压基准源。特别是在精密测量仪器仪表和现代数字通信系统中，经常把集成电压基准源作为系统测量和校准的基准。鉴于此，国外许多模拟集成电路制造厂商相继推出许多种类的高精度集成电压基准产品。随着电路系统结构的进一步复杂化，对模拟电路基本模块提出了更高的精度和速度要求，这样也就意味着系统对其中的基准电压源模块提出了更高的要求。

本论文在分析研究宽电压源、高精度、低温度系数集成电压基准源的电路结构的基础上，探索设计出一种输出电压为2.5V的最佳的电路结构，以实现电路宽电源电压范围（3V～36V）、低温度漂移系数（≤10ppm/℃， -40℃～+85℃）、高精度的设计指标。

2.宽电源电压集成电压基准源设计

2.1 传统的带隙基准源[5][6]

基准电压源经历了电阻分压式基准电压源、PN结基准电压源、击穿二极管基准电压源、自偏置电路电压源的发展。以上各种基准电压源中，电阻或有源器件直接分压形成的基准不能独立于电源，精度非常低。

1971年，Robert Widlar提出了一种带隙参考电压源技术。该技术可得到一种不依赖电源并几乎与温度无关的独立基准，可在低电源电压下工作，并与标准CMOS工艺兼容这些优点使其获得了广泛的研究和应用，也是本次设计采用的技术。图1是带隙基准电源的基本原理图。

利用热电压VT的正温度系数与双极型晶体管的基极-发射极电压VBE的负温度系数相互补偿，以减小温度漂移。其中VBE的温度系数在室温时大约-2mV/℃；而热电压VT=KT/q，其温度系数在室温下大约为+0.085mV/℃。将电压VT乘以常数K以后与电压VBE相加，便可得到输出电压VREF为：

即理论值K≈23.26，它使得带隙基准电压的温度系数值在理论上为零。由于VT与电源电压无关，而VBE受电源电压变化的影响很小，故VREF受电源电压的影响也很小。

带隙基准电压源经历了从Widlar带隙基准电压源、Brokaw带隙基准电压源、传统典型的带隙基准电压源及基于PTAT（proportional to absolute temperature）的带隙基准电压源、CMOS带隙电压基准源电路的发展，能够输出比较精确的电压，但其电源电压高，其基准输出范围及各项性能有限，故要得到高精度低漂移的宽电源电压集成电压基准源，就必须对以上电路在结构上进行改进和提高。

2.2 宽电源电压集成电压基准源的设计

图2所示为带隙基准电压源电路基本结构框图，它主要由五部分组成[7]：

1）带隙电压内部环路—主要功能是产生带隙电压。

2）运算放大器—使带隙电压内部环路中两个需要具有相同电压的点稳定在相同的电压。

3）输出级—用来产生最终的带隙基准参考电压和电流。

4）启动电路—主要功能是确保电路在上电的时候能够进入正常的工作状态。

5）偏置电路—为运算放大器的工作提供偏置电流。

本文所涉电路采用6μm标准双极型工艺实现，实现了一种基于曲率补偿，具有高稳定性的带隙基准电路。本文在分析比较各种基准电压源性能的前提下，最终选择了以基于PTAT（与绝对温度成正比）改进的带隙基准源电路作为设计的基础，并对其原理进行了详细的分析。为了进一步提高基准电压源的性能，在深入研究温度和电源电压的变化对带隙基准电路稳定性影响的基础上，指出基极一发射极电压与温度的非线性关系是造成基准不稳定的主要原因，针对这种情况，采用了环路补偿方法来进行高阶温度补偿：利用环路补偿电流（INL）的非线性特性去补偿基射结电压（VBE）的非线性。并且将补偿电流（INL）和与绝对温度成正比的电流（IPTAT）直接相加实现了很好的补偿。不仅结构简单还获得了较好的温度系数。另外，对所采用的运算放大器、启动电路和温度保护电路也进行了研究，并设计了优化合理的电路结构。分块对带隙基准核心电路、曲率补偿电路、运算放大器电路、偏置电路、启动电路进行设计并仿真。所设计的整体电路图如图3所示。

其中（a）为带隙基准核心电路，（b）为运算放大器电路，（c）为曲率补偿电路，（d）为偏置电路，（e）为启动电路，（f）为输出级。

3.仿真结果及分析

在Cadence设计平台下的Spectre仿真器中基于6μm标准双极型工艺模型对电路进行了仿真。得到电路的直流电压特性曲线、温度特性曲线、电源电压抑制比曲线、负载调整率曲线、噪声特性曲线、启动时间曲线，如同4所示。

4.结论

本文通过对带隙基准电压源深入的理论研究，完成了全双极性带隙基准电压源的设计，该基准电压源基于双极型工艺，通过Spectre验证，温度系数仅为6ppm/℃，并具有78?V/V的电源电压调整率以及高达78dB的交流PSRR，高精度，低噪声和驱动能力强等特性。其中各项设计指标完全达到预期要求，具有一定的优点和实用价值。

参考文献

[1]孟波，邹雪城，孟超.一种高性能CMOS基准电压源电路设计[J].微电子学与计算机，2003（8）：161-162.

[2]孙顺根，吴晓波，王旃等.一种高精度CMOS能隙基准电压源[J].微电子学，2003，33（2）：157-159.

[3]彭增发，黄晟，毛友德等.一种新型的高噪声抑制比及高温度稳定性的基准电压产生器[J].微电子技术，2003，33 （3）：51-55.

[4]P.E.Allen，D.R.Holberg.CMOS Analog Circuits Design[M].（2nd）.NewYork，USA：Oxford University Press：2002.

[5]Philip E.Alen Douglas R.Holberg.CMOS Analog Circuit Design[M].Publishing House of Electronics In dustry，2005.

[6]Paul R.Gray.Analysis and Design of Analog Integrated circuits.Higher Education Press.2005.

稳压电源设计原理篇6

1 电力系统安全稳定运转电网规划原则

1.1 以科学性为根本

在电网规划当中，电压层级是最基本的构成要素，同样也可以将其称之为一种规划方式。当然，电压层级在一定程度上还关系到电网规划的全面性，决定电网规划的质量与适用性。因此，以科学性为根本强调的则是保障电压层级的科学性。电压层级选取与规划的过程中，应该避免过大或者过小情况的出现，过大的电压将会对整个电路产生严重的负荷，而过小的电压也将导致整个电网项目的实施建设不符合设计需求。通常来说，为保障电压合理性以及安全稳定的运转，电压层级要尽量简化，减弱变压次数已达到电压层次的选取任务目标。

1.2 以合法性为核心

实行电网的规划，必须要以合法性为原则，例如，在电网规划过程中，其中电网规划条例必须符合我国《电网规划设计标准》相关法律条文，充分保证在电网规划中每项电网项目的安全性和稳定性，在我国法律中对电网规划有N-1、N-2两种标准，而电网规划中必须要符合这两项标准，在N-1标准内容中要求，电网运转过程中，对电力体系的相关电力设施故障的原因和安全性以及稳定性提出需求，规定电网规划的方式必须依照电网运转过程中的安全性以及稳定性，保证电网在运转过程中，设备出现故障、运转出现问题的情况下，电压和频率依然可以保证其安全，在可以控制的范围里。

2 电力系统安全稳定运转设计准则

2.1 110kV变电站安全稳定电力设计

一般来说，110kV变电站的电力设计范围内，要实际且全面考察所在地区现实的用电需求，详细了解实际情况之后再去设计符合当地用电需求的设计方案，同时，还要考虑在电力设计的过程中耗费的资本以及保障电网运转过程的的安全性和稳定性的整体需求，电力设计方案中必须要体现，在用电资源薄弱的情况下能够充分保证电力提供的需求，保证电网在运转中的稳定性以及稳固性。在110kV变电站的电力设计过程中，还要全面的考虑到电网安全运转框架建立中，每个线路的方式，供电电源的种类、线路径的准确数据，保证上述条件的科学性以及合理性。例如，首先，110kV变电站在电子设计中需使用双绕组的变压器设施，并采用110kV/35kV的两级电压方式。还有在110kV变电站的电力设计方案中，进行接线选取的方法里，一般会用双电源径并且有上桥式的接线方式。最终完成连接线路工作。

2.2 220kV变电站安全稳定电力设计

220kV变电站主要负责电力能源的输送，因此在220kV变电站的电力设计方案中要全面的提高整体的设计水平，能够保障在电网安全运转过程中，满足电网设定容量以及电力能源输送频率的条件[2]。一般来讲，最少两个或者两个以上的电源用电方式、变电设施在二到三台左右才能达到220kV变电站的建成程度，而变电站在运转过程中的容量要保证在150MVA或180MVA之间的范围里。以便有效的保证220kV变电站能够满足电网正常运转的需求，杜绝电压层级不稳定因素的存在，避免发生危险。在220kV变电站的电力设计过程中，对于安全和节能方面的技能要多加考虑，而从保证庞大的电网系统在运行的过程中具备更好的安全性和能源节约性，可以充分提高电力系统运转过程中的安全系数和能源的节约，有利于加固电网运转的稳固性和安全性。通常情况下，220kV变电站的电网设计方案中，包含无功补助、谐波政治等多种技术方法，要充分保证两种技能在电力设计中的科学、适用性。

3 完善电力系统安全运转的基本准则

3.1 完善电力系统安全标准建议

深入探究电压稳定以及动态稳定的理念、特征和影响因素，科学判断对于电网中电压的长期稳定性以及电压的动、静等各种工作状态，对其进行实用性的评价，完善电力系统安全标准建议准则，有效的对电力系统的运转起到参考、指导作用。根据电力系统发展的需求，及时调整在电网运转中不合理规定，对于设计方案中不符合安全性和稳定性原则的措施和配置以及故障划分等多项内容进行合理和修改、调整。让电力系统安全运转准则更加完善、具体化。对于电力设计方案和国家规定准则之间认真分析、研讨，保证每项设计方案符合国家规定，两者互相协调整理，从而保证两者不冲突，规范电力系统安全运转准则，为电网的安全稳定运转提供了明确的指导方向[3]。

3.2 完善电力系统运行控制标准建议

在规定的电力系统安全稳定控制的技术指导之外，首先，要根据具体情况适当添加控制设施、配置协调的原则性的指导规定，仔细分析每一项控制措施之后，采取一些成熟的、可靠的、能够有效促进经济发展的控制措施，从而渐渐替代影响经济发展的控制措施，将其转移台后暂且备用。其次，根据实际情况增添相应条例，对于相对成熟的控制技术的应用给出实质性的指导，从而促进相关系统的发展、扩大其应用范围，进一步实现系统控制水平的高效提升。

稳压电源设计原理篇7

引言

近年来，变频器与变频电机组成的拖动系统在生产中发挥着重要的作用。然而在使用中经常发现变频器与变频电机不能很好地匹配，这个问题严重困扰着变频器及变频电机的生产厂家。因此有必要研发SPWM稳频稳压电源，使电源频率可调范围为0～500Hz，电压可调范围为0～420V（基波）。且能显示电机实际响应的SPWM波的电压(Vpwm)、电流、频率和功率等。这样，变频器的生产厂家就可以该电源为标准，测量出与之配套的变频电机真实使用的电压值、电流值、频率值，来调校变频器的矢量控制参数或v/f控制参数。而电机生产厂家也可根据该标准电源来调整电机的参数，使其与变频器匹配。

图1

1 工作原理及测量系统分析

如图1所示，SPWM稳频稳压电源主电路与市面上成熟的SPWM逆变电源类似。当交流电机和一个脉宽调制变频器一起被用于变频调速时，设计Vpwm是为了测量交流电机有效电压。这种类型的变频器首先从交流源产生一个直流电压E，被称为直流链电压。然后利用电力电子变换技术，采用脉宽调制来变换直流链电压，可以得到一个三相电源系统，例如：通过IGBT在数ms内将直流电压开关数百次，来创建频率可调的三相电压。然而输出电压并不是正弦波，而是一个恒幅值的高频斩波波形，如图2所示。这种电压被送给电机，由于电机是一个大的感性负载，主要对电源电压低频部分作出响应，故电流波形仅具有少量的高频成分，近似为一个正弦波。对于系统设计者和使用者，能够测量出电机实际接收到的电压Vpwm，检查电机的矢量参数或v/f是否超出范围是非常重要的。如果长时间超出电机的标称v/f值（例如，电机在高频、低速下运转），电机将会发热，甚至损坏，而产生严重后果。然而需要注意的是，用电压表测量该斩波波形的电压是有效值Vrms，而电机响应的实际有效电压Vpwm与图2的脉宽调制波的有效值Vrms之间存在非常大的误差。例如某系统，当Vpwm=144V时，Vrms=192V，误差率为（192－144）/144=33.3％

    采样经检测系统将数据送给控制系统。控制系统通过计算基频的整个周期的绝对平均电压的有效值即均方根值检测出VPWM。

例如，当载波比N=ωc/ωs取3的奇整倍数时，线电压uab的傅立叶级数表达式为

式中：M为调制度；

m与n分别为相对于载波和调制波的谐波次数；

ωc，ωs分别为载波和调制波的角频率。

同样可推导出线电压ubc及uca的方程式。显然幅值很高的载波成分被消除掉了；载波谐波也被消除；它们的上下边频中的零序谐波成分也不存在了；上式中sin是消除m和n的同时为偶数或同时为奇数时的那些项。表1为uab中谐波的通用值。

表1 uab中谐波的通用值

km±n

M

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1

0.122

0.245

0.267

0.490

0.612

m±2

0.010

0.037

0.080

0.135

0.195

m±4

0.005

0.011

2m±1

0.116

0.200

0.227

0.192

0.111

2m±5

0.008

0.020

3m±2

0.027

0.085

0.124

0.108

0.038

3m±4

0.007

0.029

0.064

0.096

4m±1

0.100

0.096

0.005

0.064

0.042

4m±5

0.021

0.051

0.073

4m±7

0.010

0.030

图3所示的是在信号中存在高频成分时谐波和基波相迭加的情景。谐波的次数越高对平均值的影响越小。

    采用图1的测量系统，取输出信号的基频和测量基频的整数个周期，将有关数据传送给控制系统，控制系统通过计算基频波的均方根值（有效值），最终显示出电机实际响应的Vpwm值。

2 稳压稳频系统设计方法

在稳频稳压SPWM电源设计前?须明确系统要求的技术指标，根据这些指标进行系统的静态和动态设计，从而明确各单元电路应达到的主要技术指标。合理地分给各个单元，然后进行参数计算。正确的参数被送给数字电路进行程序设计来控制频率与电压。由图4稳幅原理框图，得到图5闭环系统结构图。

    2.1 静态设计

由图5可推导出静态特征方程

Uo=KUnUi/(1＋αK1K2Ui)   （2）

则静态结构图如图6所示。

根据静态特征方程和系统的技术指标，可确定各单元电路的技术指标。

2.2 动态设计

    由于各单元电路均可能存在延时，它们将影响系统的动态性能，并可能引起系统振荡。设总延时为Ts，功放是闭环系统中延时最大的环节，其传递函数为

K2/(1＋Tss)    （3）

积分乘法器的传递函数为

Ui(1＋Ts)/Ts    （4）

反馈电路因有滤波环节，其传递函数为

α/(1＋Tns)   （5）

则得系统的动态结构图如图7所示。根据系统的最终校正即可确定系统开环放大倍数。

2.3 保护设计

SPWM稳频稳压电源的保护与UPS、变频器保护一样，具有过流、过压保护；di/dt、du/dt限制保护。建议采用目前已相当成熟的软开关技术来实现。

3 结语

稳压电源设计原理篇8

关键词：电子束曝光机； 高压电源； 制版精度； 复合补偿

中图分类号：TN710-34； TM46 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)24-0014-04

A Precision High-voltage Power Supply with Compound Regulation Mode

CHEN Zhen-sheng1, LIU Bo-qiang2, YIN Shu-xia1, QI Shuang1

(1. Shandong Kaiwen College of Science & Techlology, Jinan 250200, China;

2. Shangdong University, Jinan 250061, China)

Abstract： In order to ensure the high static accuracy and the high dynamic stability of high-voltage power supply used for elctron beam exposure apparatus, two schemes of compound regulation (in combination with direct regulation and indirect regulation) and compound compensation (in combination with centralized compensation and dispersed compensation) are adopted in the high-voltage powe supply. Some reasonable circuit design items and effective processing measures are used to guarantee the achievement of high stabiliy and the low ripple voltage. The testing of the performace indexes and the practical usage show that the power supply can satisfy the high precision requivements of the electron beam exposure apparatus. All of its performance indexes can reach or exceed the original design reqirements.

Keywords： elctron beam exposure apparatus; high-voltage power supply; plate making accuracy; compound compensation

由于电子束曝光机的高压电源波动对曝光机的束流大小、束斑直径及扫描尺寸都有直接影响，因而提高高压电源的稳定性和可靠性，降低高压电源的纹波，是保证电子束曝光图形高精度的必要措施［1］。为了满足新型电子束曝光机对高压电源高精度的要求，在电源系统的设计中，采用了直接调整和间接调整相结合的系统调整方案，还采用了集中补偿和分散补偿相结合的系统补偿方式，对关键技术采取了针对性的有效措施，研制出了输出电压高达30 kV的精密高压稳压电源。

1 主要设计特点

30 kV精密高压电源原理框图如1所示。主要设计特点体现在以下几个方面。

1.1 采用交流预稳与直流预稳

如图1所示，220 V工频电压经稳压变压器交流预稳压后再给高压电源系统各单元电路进行交流供电。稳压变压器的电压调整率小于等于1%，负载稳定度小于等于2%，它对甚低频、音频和高频干扰都有比较强的抑制作用。稳压变压器还有过载保护特性，当输出电流达到保护值时，输出电压急聚下降。稳压变压器的采用，对电源系统的稳定性、抗干扰性和可靠性起到重要的保证作用。

图1 30 kV精密高压电源原理框图本电源系统有5个前级稳压电源，分别为各相应单元电路提供直流电源。这些稳压电源必须有足够高的稳定性，才能保证高压输出高技术指标要求。其中，基准电压源和前置放大器K1的工作电源性能指标要求最高，电压调整率小于等于2×10-4,负载调整小于等于5×10-4,纹波电压有效值小于等于1 mV,温度系数小于等于5×10－5 ℃-1。

1.2 采用复合调整方案

复合调整方案指直接调整和间接调整相结合的电源系统调整方案。直接调整是在高压回路内进行的直接调整方式。它的调整闭合环路由图1中的取样分压器、比较放大器（K1，K2，K3）、补偿网络Ⅰ、倍压整流滤波器和调整管组成。直接调整具有调整速度快，动态稳定性好的优点，可在高环路增益和具有交流负反馈的情况下不自激，从而有利于实现高静态精度的要求［2］。间接调整是调整器件设置在低压侧的调整方式，调整闭合环路由取样分压器、比较放大器、补偿网络Ⅱ、跟随器、5 kHz振荡器和倍压整流滤波电路等组成。间接调整通过调整5 kHz正弦振荡器的输出幅度，进而使倍压整流滤波器的输出电压得到前级预稳，使直接调整环路中调整管有一个尽可能低的管压降设计值。这样既能改善系统性能，又能延长调整管的使用寿命。间接调整环路是一个大闭环系统，为防止自激，保证系统的稳定性，间接调整环路增益应适当低。

1.3 采用复合补偿电路方案

复合补偿是指集中补偿和分散补偿相结合的电路结构，其目的是为了解决因直接调整环路的高增益设计而带来的动态稳定问题。集中补偿是通过将放大器K2设计为PID放大器而实现的，电路见图2所示。为了减小各参数之间的影响，使C2C1,R1R2,PID放大器的传输函数为［3］：G1(s)≈(T1s+1)(T2s+1)T0s

(1)式中:T1，T2为微分时间常数， T1＝C1R1 ，T2＝C2R2；T0为积分时间常数，T0＝C1R0。

图2 PID放大器原理图分散补偿是指在比较放大器的输出端（K2的输出端）分别对两调整环路设置两个电路结构相同，但参数不同的补偿网络，其电路如图3所示。网络的传输函数为:G2 (s)≈T1′s + 1T2′s + 1

(2)式中:T1′为微分时间常数，T1′＝R2C ；T2′为积分时间常数，T2′＝（R1+R2）C。

1.4 逆变器选用5 kHz正弦振荡器

通常，高压电源均采用高效率的饱和式逆变器，但它不适合高精度高压稳压电源，原因是输出波形中有大的尖峰脉冲，会使高压输出呈现出很大的纹波电压［4］ 。为此，采用5 kHz正弦振荡器，将700 V直流电压变换为振幅高达320 V的5 kHz正弦电压。正弦电压再经升压变压器升压、倍压整流滤波器后，可获得33 kV的高电压。由于正弦振荡器输出不存在尖峰脉冲，这就有效地降低了高压输出中的纹波电压。

图3 分散补偿网络结构1.5 采用交流平衡器

为了抑制高压电源输出工频纹波，采用了交流平衡器，它可输出幅度和相位均可调的工频电压。该电压经比较放大器放大后，传递到电源输出端，可有效地抑制抵消输出端的工频纹流电压。

1.6 采用双通道放大器作为比较放大器

直流通道由K1，K2构成，交流通道由K3，K2构成。采用双通道放大器可兼顾直流增益和交流增益的不同要求，使电源系统既有高的静态精度和好的动态稳定性，又能有效地降低输出纹波电压。

2 提高稳定度的措施

稳压电源的精密度和稳定性主要取决于基准电压的精度、比较放大器的增益高低及其稳定性、取样分压比的稳定性［5］。为此，采取了以下针对性措施。

2.1 比较放大器的增益核定

由于电源系统采取前级交流预稳和直流预稳，并且比较放大器前置级和基准电压源都置于电磁屏蔽恒温槽内，再加上采样电阻采用绝缘油冷脚，因此输出电压受输入工频电压和温度的影响可以忽略。这样放大器的增益仅由电源的负载效应核算即可。根据直接调整环路Ⅰ，可得图4所示的信号流图。

图4 调整环路Ⅰ信号流图图中：Rd为调整管内阻；Ri为整流滤波器内阻；ΔUo为输出电压变化量；μ为调整管放大系数；n为取样分压比；K为比较放大器增益绝对值；P为补偿网络的衰减系数；ΔUg为调整管栅阴电压变化量；ΔIh为负载电流变化量；ΔId为整流电路输出电流变化量；图4中，μKnPμ1，RiRd。由图4可推出：K≈Ri|ΔIh|μnPUo|ΔUo|/Uo

(3) 设计要求在|ΔIh|=100 μA时， |ΔUoUo|≤2×10－5,K应满足下式：K≥Ri|ΔIh|2×10－5μnP|Uo|

(4) 由式（4）计算出输出电压为20 kV的K值应满足K≥3×105。为留有余量，K的设计值为6×105。

2.2 比较放大器前置级设计

对多级直流放大器来说，零点漂移、噪声系数、增益稳定性等重要技术指标主要由前置级决定，并且前置级增益越高，其决定作用就越强［6-7］。因此前置级放大器的精密度对比较放大器的精度起决定作用。前置放大器电路如图5所示。电路中运算放大器选用目前精密极高的斩波稳零集成运放ICL7650［8］,其失调电压温漂小于等于0.01 μV/℃,输入失调电流大于等于0.5 pA，开环增益大于等于5×106,共模抑制比小于等于1×106。电路所用电阻均用精度为0.01%的Rx700.5 W型高精密电阻。前置级增益设定值应尽可能高，设定值为2×104。把前置级电路置于电磁屏蔽恒温槽内，以减小增益温漂和电磁干扰。

2.3 采用精密电压基准源

采用REF102型高精度电压基准源，其输出电压10 V，温漂小于等于2.5 PPM/℃,长时间稳定为10 PPM/100 h，在0.1～10 kHz频段内，噪声电压小于等于6 μV［9］。对REF102的电路进行严格的低温漂、低噪声设计，并将整个电压基准电路设置在电磁屏蔽恒温槽内，进一步减小基准电压的温漂和电磁干扰［10］。

2.4 保证取样分压比的稳定性

取样分压器的高压臂电阻全部选用4 MΩ，2 W的Rx70型精密电阻，并将其全部镶入密封的有机玻璃圆筒内，再把圆筒放入绝缘油箱内。低压臂电阻选用0.5 W的Rx70型精密电阻。低压臂电阻全部放入电磁屏蔽恒温槽内。分压器高压端电阻的电晕放电将严重影响分压比的稳定性和可靠性。为防止分压器电晕放电发生，在分压器的高压端装有直径为400 mm,表面光洁度在7以上的椭圆球，使高压端的最大场强小于2.6 kV/cm。这一措施，切实有效地消除了电晕放电发生，保证了分压比的稳定性。

3 技术指标测试与测试结果

测试电路如图6所示。图中负载电阻RL的电流用来模拟电子束曝光机电子枪的束流。调整RL可调节高压电源负载电流。μA表用来检测电源负载电流；自耦变压器用来调整设定高压电源工频输入电压。

图6 性能指标测试电路3.1 技术指标测试

（1） 纹波电压测试

电源输入电压Ei维持220 V不变,在额定负载电流100 μA情况下，高压输出经过0.035 μF，35 kV的高压电容隔直后，其交流分量耦合到10 MΩ电阻上，用LM400型示波器测量其上的纹波电压。

纹波的主要成份为5 kHz分量，其次是50 Hz分量。考虑高压电容的容抗以及示波器的输入阻抗，根据上述情况可由测得的4 MΩ上的纹波电压换算出输出纹波系数。

（2） 电压调整率的测量

维持额定负载电流100 μA不变，输入工频电压Ei改变±10%。输出高压经分压器分压得一低值电压。用7位半数字电压表HD3455A测量这一低值电压。由此可换算出电压调整率。

（3） 负载调整率的测量

维持输入的工频电源电压Ei为220 V不变，改变负载电流100 μA,用数字电压表测量分压器的输出电压，由此换算出负载调整率。

（4） 长期稳定度的测量

维持工频输入电压不变和额定负载电流不变。用数字电压表HD3455A连续测量9 h，由此测算出长时间稳定度。

3.2 测得技术指标

输出电压：20 kV,25 kV,30 kV。

输出电流：额定值100 μA,最大值300 μA。

电压调整率(～220 V＋10%)：

20 kV :≤3.5×106；

25 kV :≤2×106；

30 kV :≤3×106。

负载调整率（负载电流变化100 μA）:

20 kV :≤2×106；

25 kV :≤4×106；

30 kV :≤3×106。

纹波系数（负载电流为100 μA）:

P-P/Uo≤5×10－6

长期稳定度（负载电流为100 μA）:

≤2.5×105／h；

≤4×105／4h。

3.3 高压电源的实际应用

高压电源给电子束曝光机电子枪提供加速电压。高压输出的正级与电子枪阳极相接、负极与电子枪阴极相接。投入实际应用1年多以来，性能稳定，效果良好，提高了电子束曝光机的制版精度。对于4 mm×4 mm的扫描场，因高压电源波动引起的扫描场波动仅有0.01 μm，精度可达0.3×105。由于加速电压的长期稳定性好，大大提高了电子束曝光机长时间工作时的制版合格率。

4 结 语

本文提出了既采用直接调整与间接调整相结合，又采用集中补偿与分散补偿相结合，使实现高压稳压电源系统既有高静态精度，又有高动态稳定性的切实有效的设计方案。对前置级放大器、基准电压源和取样分压器的高精度设计是提高高压电源精密度的关键措施。采用交流平衡器、交流负反馈和交直流前级预稳，是实现低纹波输出的强有力措施。

参 考 文 献

［1］ 顾文琪.电子束曝光微纳加工技术［M］.北京：北京工业大学出版社，2004.

［2］ 樊生文，王泽庭，李正熙.基于移相全桥的电子束焊机高压电源研制［J］.电力电子技术，2010,18（3）：84-86.

［3］ 胡寿松.自动控制原理［M］.北京：科学出版社，2007.

［4］ 丛艳娟，李敏远.基于模糊自整定控制的400 Hz逆变电源系统［J］.电力电子技术，2011，45（5）：95-97.

［5］ 王增福.新编线性直流稳压电源［M］.北京：电子工业出版社，2004.

［6］ 史瑞超，刘红星，郁健，等. 压电信号采集中放大电路前置级的设计［J］.现代电子技术，2011，34（10）：179-181.

［7］ 蔡建新，张唯真.生物医学电子学［M］.北京：北京大学出版社，1997.

［8］ 张国雄.测控电路［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［9］ 杨振江，蔡德芳.新型集成电路使用指南与典型应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社,2000.

［10］ 管佳伟，吴虹，孙伟峰.无电阻低压温漂的CMOS基准电压源［J］.电子设计工程，2010,18(3):84-86.

作者简介: 陈振生 男，1946年出生，山东东平人，教授。从事电子技术应用及精密高压电源的研究工作。

刘伯强 男，1956年出生，山东枣庄人，博士研究生，教授。从事电工电子技术及计算机控制技术的研究工作。

殷淑霞 女，1976年出生，山东微山人，实验师。从事电工电子技术的教学与研究工作。