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电源电路设计：详解线性电源和开关电源 本次就来简单介绍一下电源电路设计，让普通人也能对电源设计有一个大概的了解。 说起电路设计，可以单独拎出来的特别重要的一项就是电源设计了，毕竟，所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作。 那本次就来简单介绍一下电源电路设计，让普通人也能对电源设计有一个大概的了解。 对于电源，目前市场上主要有两种类型：线性电源和开关电源。 那么这两种电源有啥区别呢？ 线性电源的工作原理是先将220V或其他交流电压通过 变压器 转变为低压电（12V或其他小一点的AC交流电），然后再通过一系列的二极管进行矫正和整流，并且把AC交流电变为脉动电压。 得到脉动电压之后，就需要对脉动电压进行滤波，一般通过 电容 完成，然后将经过滤波后的低压交流电转换成 DC 直流电。 不过，此时的直流电还不够纯净，会有一定的波动（一般叫纹波），所以还需要 稳压二极管 或者电压整流电路进行矫正。 最后就可以得到比较稳定的DC直流电输出了。 这整个过程的进行就是线性电源的原理了。 那开关电源呢？ 不同于线性电源要先将高压交流电转换为低压交流电这一过程，开关电源是直接将220V交流输入端转换为直流电DC，然后在高频振荡电路的作用下，用开关管控制电流的通断，形成高频脉冲电流。 最后在电感（高频变压器）的帮助下，输出所需的稳定低压直流电。 对于电源电路设计来说，一般首先需要掌握的就是开关电源电路，从家用交流电压220V中获取电压，转换为直流稳定电压之后，再给电子设备主板供电。并且市场上大部分的电子产品如电脑，手机都是采用的开关电源。然后就是一个简单的开关电源例子了（缩减了交流转直流的这个过程）。 如下图所示，这是一个简单的开关电源，利用开关的不断闭合与断开，直流电的电压就会变化。 比如按照0.5s闭合0.5s断开的规律，这个12V的电压就可以变为6V，实现了降压效果。 那它是什么原理呢？ 事实上，当开关刚开始闭合时，12V直流电供电，此时二极管截止，电源开始给电感和电容储能，同时给负载供电，但是因为电感电流不能突变，所以电感为了阻值电流的增加，会感应一个与电源相反的电压，这个电感会抵消一部分电源电压，使得负载端的电压达不到12V，不过随着时间的增加，电感抵消效果会减弱，负载端的电压会慢慢达到12V。 然后当开关断开时，电感又产生了抵消作用，为了阻止电流突然变化，它会充当电源，给负载供电。所以开关断开之后，负载依然在短时间内是有电流的。 不过随着时间推移，电感抵消作用逐渐减弱，变成一根导线，不再供电。 所以，在这个连续的过程中，如果可以控制开关的断开和闭合时间差，在电流不变为零的情况下，反复开关，就可以得到一段在6V作用但不是特别稳定的DC直流电，有效值差不多接近6V。 所以为了得到稳定的电压，电容的作用不可忽视。 电容在这个电路中主要起到了储能和滤波的作用，如果没有它，波形会变得很尖锐。 最后就是电路中的开关，在实际电路中，一般用晶体三极管来充当开关的角色，它在1秒之内就可以开关上万次。 不要小看这个简单的开关电源，它的效率可达90%左右。其中它的主要损耗是电感，电容的等效 电阻 ；二极管的导通压降；以及晶体三极管的导通电阻。 买电子元器件现货上唯样商城 这就是一个简单的开关电源设计了，当然实际应用中开关电源的设计为了达到精度更高性能更稳定的等要求，电路也会更加复杂。

锂离子电池是目前市场上的主流可充电电池，具有充放电速度快，放电温度范围宽，自放电电流小，无记忆效应，无环境污染等特点。通过不同形式的组合，电池组可为电动工具、无绳真空吸尘器、机器人吸尘器、无人机、ESS、UPS、工业设备等应用提供电源，这就需要采用专业设计的锂离子电池充放电保护方案。 锂离子电池的保护 锂离子电池的保护重要包括过充电保护、过放电保护、过电流及短路保护等。对锂离子电池充电时，如果容量达到限定就需终止充电状态，以防止过充而产生意外。为此，保护器件需监测电池电压，达到电池过充电压时激活过充电保护功能，中止充电过程。 图1 . 多节电池串联用保护电路拓扑 同样，当锂离子电池电压低于过放电电压检测点时，即刻激活过放电保护，中止放电状态，并将电池保持在低静态电流的待机模式。 在充放电过程中，如果锂离子电池的放电电流过大或出现短路情况，保护器件将激活过电流保护功能。 由于单体锂离子电池的额定电压为3.6V，不能满足医疗、工业和IT设备的供电要求，要将多节锂离子电池串联使用，这就需要采用多节锂离子电池（电池组）保护芯片级联方案。 保护芯片级联方案 为了让3～12节锂离子电池串联工作，电源管理方案厂商开发了各种多节锂离子电池（电池组）保护芯片。例如，S-8245A/C系列保护IC直接控制外部FET，以保护电池免于发生过充电或过放电。除常见的过充电、过放电以及过流保护功能外，该IC还具有超温保护功能，使得电路配置更为安全，其省电功能可预防暗电流在运输过程中造成电池组容量损失。 S-8245A/C系列的串联功能可为6芯或6芯以上的电池配置保护电路，以适应各种应用。该系列过充检测电压精度为±20mV，功耗低，最高值仅为20uA。开关管脚可用于保护3、4或5芯串联电池。 如果为10节串联的锂离子电池充电，可采用S-8245A系列设计成充放电路径通用型电路方案（图2），也可采用S-8245C系列设计成充放电路径分离型电路方案（图3）。 图2 . 采用S-8245A的10节电池串联用保护电路 图3 . 采用S-8245C的10节电池串联用保护电路 图2和图3中，两个保护芯片串联在一起，由2个N沟道MOSFET做控制开关，保护10节锂离子电池。这里，D1防止给CO端子施加VDD以上的电压，FET1防止给VM端子施加VDD以上的电压。 芯齐齐BOM分析 芯齐齐BOM工具显示，方案核心芯片S-8245A/C具有超温保护功能，可监测四种类型的温度，省电功能可解决暗电流造成的电量消耗。该IC由ABLIC开发，采用24引脚SSOP封装。 图4 . 10节电池串联用保护电路BOM表 BOM表中的三个MOS管均为N沟道FET，CFET作为充电快关，DFET用作放电开关。两个用于过热保护的NTC热敏电阻电阻值(25℃)为10kΩ±1%，最大电压5V，最大工作电流0.1mA，工作温度范围-40℃ to 125℃。

本汽车钥匙电源方案基于TL5001-Q1 PWM控制器，采用降压/升压电路结构和3V-5V输入，适用于Q-Temp汽车、HighRel汽车等应用。 方案特点 方案提供低成本的全套PWM电源控制，支持3.6V至40V的宽输入工作电压范围，在2.5A条件下可达到最高10V输出，可处理高达25W的功率。主要设计参数如下：Vin (Min)：3V Vin (Max)：5V Vout (Nom)：10V Iout (Max)：2.5A Output Power：25W Isolated/Non-Isolated：非隔离 输入类型：DC 拓扑：Boost-Non Sync 方案具有可变的处理时间可对整个范围进行控制，以及针对短路和欠压锁定电路的内部保护。其中，TL5001是具有宽输入电压范围的PWM控制器，在单个芯片上集成了脉冲宽度调制（PWM）控制电路所需的所有功能，振荡器频率通过使用外部电阻到GND来终止RT来设置，在低VCC条件下UVLO电路关闭输出，直到VCC恢复到正常工作范围。 TL5001的典型参考电压容差为±5％，误差放大器共模电压范围为0V至1.5V，错误的同相输入放大器连接到1V基准电压源。通过在DTC和GND之间连接一个外部电阻，可将死区控制（DTC）设置为提供0％至100％的死区时间。 芯齐齐BOM分析 方案共有33个BOM元器件。TL5001 宽输入PWM控制器主要用于电源控制，包含误差放大器、稳压器、振荡器，带死区时间控制输入的PWM比较器，欠压锁定（UVLO），短路保护（SCP）和集电极开路输出晶体管。 C3标号为470µF±20%、16V耐压的10x12.5mm径向引线铝电解电容器，工作温度为-40至105 ℃。 电阻元件中，除了R2、R3、R10采用5%容差外，其余采用1%级别的精密电阻器，所有电阻封装全部为0603规格。

前面介绍了电路图中的元器件的作用和符号。一张电路图通常有几十乃至几百个，它们的连线纵横交叉，形式变化多端，初学者往往不知道该从什么地方开始，怎样才能读懂它。其实电子电路本身有很强的规律性，不管多复杂的电路，经过分析可以发现，它是由少数几个单元电路组成的。好象孩子们玩的积木，虽然只有十 来种或二三十种块块，可是在孩子们手中却可以搭成几十乃至几百种平面图形或立体模型。同样道理，再复杂的电路，经过分析就可发现，它也是由少数几个单元电路组成的。因此初学者只要先熟悉常用的基本单元电路，再学会分析和分解电路的本领，看懂一般的电路图应该是不难的。   按单元电路的功能可以把它们分成若干类，每一类又有好多种，全部单元电路大概总有几百种。下面我们选最常用的基本单元电路来介绍。让我们从电源电路开始。   一、电源电路的功能和组成   每个电子设备都有一个供给能量的电源电路。电源电路有整流电源、逆变电源和变频器三种。常见的家用电器中多数要用到直流电源。直流电源的最简单的供电方法是用电池。但电池有成本高、体积大、需要不时更换（蓄电池则要经常充电）的缺点，因此最经济可靠而又方便的是使用整流电源。   电子电路中的电源一般是低压直流电，所以要想从 220 伏市电变换成直流电，应该先把 220 伏交流变成低压交流电，再用整流电路变成脉动的直流电，最后用滤波电路滤除脉动直流电中的交流成分后才能得到直流电。有的电子设备对电源的质量要求很高，所以有时还需要再增加一个稳压电路。因此整流电源的组成一般有四大部分，见图 1 。其中变压电路其实就是一个铁芯变压器，需要介绍的只是后面三种单元电路。 二、整流电路   整流电路是利用半导体二极管的单向导电性能把交流电变成单向脉动直流电的电路。   （ 1 ）半波整流   半波整流电路只需一个二极管，见图 2 （ a ）。在交流电正半周时 VD 导通，负半周时 VD 截止，负载 R 上得到的是脉动的直流电   （ 2 ）全波整流   全波整流要用两个二极管，而且要求变压器有带中心抽头的两个圈数相同的次级线圈，见图 2 （ b ）。负载 R L 上得到的是脉动的全波整流电流，输出电压比半波整流电路高。   （ 3 ）全波桥式整流   用 4 个二极管组成的桥式整流电路可以使用只有单个次级线圈的变压器，见图 2 （ c ）。负载上的电流波形和输出电压值与全波整流电路相同。   （ 4 ）倍压整流   用多个二极管和 电容器可以获得较高的直流电压。图 2 （ d ）是一个二倍压整流电路。当 U2 为负半周时 VD1 导通， C1 被充电， C1 上最高电压可接近 1.4U2 ；当 U2 正半周时 VD2 导通， C1 上的电压和 U2 叠加在一起对 C2 充电，使 C2 上电压接近 2.8U2 ，是 C1 上电压的 2 倍，所以叫倍压整流电路。   三、滤波电路   整流后得到的是脉动直流电，如果加上滤波电路滤除脉动直流电中的交流成分，就可得到平滑的直流电。   （ 1 ）电容滤波   把电容器和负载并联，如图 3 （ a ），正半周时电容被充电，负半周时电容放电，就可使负载上得到平滑的直流电。     （ 2 ）电感滤波   把电感和负载串联起来，如图 3 （ b ），也能滤除脉动电流中的交流成分。   （ 3 ） L 、 C 滤波   用 1 个电感和 1 个电容组成的滤波电路因为象一个倒写的字母“ L ”，被称为 L 型，见图 3 （ c ）。用 1 个电感和 2 个电容的滤波电路因为象字母“ π ”，被称为 π 型，见图 3 （ d ），这是滤波效果较好的电路。   （ 4 ） RC 滤波   电感器的成本高、体积大，所以在电流不太大的电子电路中常用电阻器取代电感器而组成 RC 滤波电路。同样，它也有 L 型，见图 3 （ e ）； π 型，见图 3 （ f ）。   四、稳压电路   交流电网电压的波动和负载电流的变化都会使整流电源的输出电压和电流随之变动，因此要求较高的电子电路必须使用稳压电源。   (1 ）稳压管并联稳压电路   用一个稳压管和负载并联的电路是最简单的稳压电路，见图 4 （ a ）。图中 R 是限流电阻。这个电路的输出电流很小，它的输出电压等于稳压管的稳定电压值 V Z 。       (2 ）串联型稳压电路   有放大和负反馈作用的串联型稳压电路是最常用的稳压电路。它的电路和框图见图 4 （ b ）、（ c ）。它是从取样电路（ R3 、 R4 ）中检测出输出电压的变动，与基准电压（ V Z ）比较并经放大器（ VT2 ）放大后加到调整管（ VT1 ）上，使调整管两端的电压随着变化。如果输出电压下降，就使调整管管压降也降低，于是输出电压被提升；如果输出电压上升，就使调整管管压降也上升，于是输出电压被压低，结果就使输出电压基本不变。在这个电路的基础上发展成很多变型电路或增加一些辅助电路，如用复合管作调整管，输出电压可调的电路，用运算放 大器作比较放大的电路，以及增加辅助电源和过流保护电路等。   （ 3 ）开关型稳压电路   近年来广泛应用的新型稳压电源是开关型稳压电源。它的调整管工作在开关状态，本身功耗很小，所以有效率高、体积小等优点，但电路比较复杂。   开关稳压电源从原理上分有很多种。它的基本原理框图见图 4 （ d ）。图中电感 L 和电容 C 是储能和滤波元件，二极管 VD 是调整管在关断状态时为 L 、 C 滤波器提供电流通路的续流二极管。开关稳压电源的开关频率都很高，一般为几～几十千赫，所以电感器的体积不很大，输出电压中的高次谐波也不多。   它的基本工作原理是 : 从取样电路（ R3 、 R4 ）中检测出取样电压经比较放大后去控制一个矩形波发生器。矩形波发生器的输出脉冲是控制调整管（ VT ）的导通和截止时间的。如果输出电压 U 0 因为电网电压或负载电流的变动而降低，就会使矩形波发生器的输出脉冲变宽，于是调整管导通时间增大，使 L 、 C 储能电路得到更多的能量，结果是使输出电压 U 0 被提升，达到了稳定输出电压的目的。   （ 4 ）集成化稳压电路   近年来已有大量集成稳压器产品问世，品种很多，结构也各不相同。目前用得较多的有三端集成稳压器，有输出正电压的 CW7800 系列和输出负电压的 CW7900 系列等产品。输出电流从 0.1A ～ 3A ，输出电压有 5V 、 6V 、 9V 、 12V 、 15V 、 18V 、 24V 等多种。   这种集成稳压器只有三个端子，稳压电路的所有部分包括大功率调整管以及保护电路等都已集成在芯片内。使用时只要加上散热片后接到整流滤波电路后面就行了。外围元件少，稳压精度高，工作可靠，一般不需调试。   图 4 （ e ）是一个三端稳压器电路。图中 C 是主滤波电容， C1 、 C2 是消除寄生振荡的电容 ,VD 是为防止输入短路烧坏集成块而使用的保护二极管。   五、电源电路读图要点和举例   电源电路是电子电路中比较简单然而却是应用最广的电路。拿到一张电源电路图时，应该： ① 先按“整流 — 滤波 — 稳压”的次序把整个电源电路分解开来，逐级细细分析。 ② 逐级分析时要分清主电路和辅助电路、主要元件和次要元件，弄清它们的作用和参数要求等。例如开关稳压电源中，电感电容和续流二极管就是它的关键元件。 ③ 因为晶体管有 NPN 和 PNP 型两类，某些集成电路要求双电源供电，所以一个电源电路往往包括有不同极性不同电压值和好几组输出。读图时必须分清各组输出电压的数值和极性。在组装和维修时也要仔细分清晶体管和电解电容的极性，防止出错。 ④ 熟悉某些习惯画法和简化画法。 ⑤ 最后把整个电源电路从前到后全面综合贯通起来。这张电源电路图也就读懂了。   例 1 电热毯控温电路   图 5 是一个电热毯电路。开关在“ 1 ”的位置是低温档。 220 伏市电经二极管后接到电热毯，因为是半波整流，电热毯两端所加的是约 100 伏的脉动直流电，发热不高，所以是保温或低温状态。开关扳到“ 2 ”的位置， 220 伏市电直接接到电热毯上，所以是高温档。     例 2 高压电子灭蚊蝇器   图 6 是利用倍压整流原理得到小电流直流高压电的灭蚊蝇器。 220 伏交流经过四倍压整流后输出电压可达 1100 伏，把这个直流高压加到平行的金属丝网上。网下放诱饵，当苍蝇停在网上时造成短路，电容器上的高压通过苍蝇身体放电把蝇击毙。苍蝇尸体落下后，电容器又被充电，电网又恢复高压。这个高压电网电流很小，因此对人无害。     由于昆虫夜间有趋光性，因此如在这电网后面放一个 3 瓦荧光灯或小型黑光灯，就可以诱杀蚊虫和有害昆虫。   例 3 实用稳压电源   图 7 是一个实用的稳压电源。输出电压 3 ～ 9 伏可调，输出电流最大 100 毫安。这个电路就是串联型稳压电源电路。要注意的是 :① 整流桥的画法和图 2 （ c ）不同，实际上它就是桥式整流电路。 ② 这个电路使用 PNP 型锗管，所以输出是负电压，正极接地。 ③ 用两个普通二极管代替稳压管。任何二极管的正向压降都是基本不变的，因此可用二极管代替稳压管。 2AP 型二极管的正向压降约是 0.3 伏， 2CP 型约是 0.7 伏， 2CZ 型约是 1 伏。图中用了两个 2CZ 二极管作基准电压。 ④ 取样电阻是一个电位器，所以输出电压是可调的。      

一：稳压电路 交流电网电压的波动和负载电流的变化都会使整流电源的输出电压和电流随之变动，因此要求较高的电子电路必须使用稳压电源。 (1）稳压管并联稳压电路 用一个稳压管和负载并联的电路是最简单的稳压电路，见下图 （a）。图中 R 是限流电阻。这个电路的输出电流很小，它的输出电压等于稳压管的稳定电压值 V Z 。 (2）串联型稳压电路 有放大和负反馈作用的串联型稳压电路是最常用的稳压电路。它的电路和框图见上图 （b）、（c）。它是从取样电路（ R3 、 R4 ）中检测出输出电压的变动，与基准电压（ V Z ）比较并经放大器（ VT2 ）放大后加到调整管（ VT1 ）上，使调整管两端的电压随着变化。如果输出电压下降，就使调整管管压降也降低，于是输出电压被提升；如果输出电压上升，就使调整管管压降也上升，于是输出电压被压低，结果就使输出电压基本不变。在这个电路的基础上发展成很多变型电路或增加一些辅助电路，如用复合管作调整管，输出电压可调的电路，用运算放 大器作比较放大的电路，以及增加辅助电源和过流保护电路等。 （3）开关型稳压电路 开关稳压电源从原理上分有很多种。它的基本原理框图见上图（d）。图中电感 L 和电容 C 是储能和滤波元件，二极管 VD 是调整管在关断状态时为 L 、 C 滤波器提供电流通路的续流二极管。开关稳压电源的开关频率都很高，一般为几～几十千赫，所以电感器的体积不很大，输出电压中的高次谐波也不多。 它的基本工作原理是 : 从取样电路（ R3 、 R4 ）中检测出取样电压经比较放大后去控制一个矩形波发生器。矩形波发生器的输出脉冲是控制调整管（ VT ）的导通和截止时间的。如果输出电压 U 0 因为电网电压或负载电流的变动而降低，就会使矩形波发生器的输出脉冲变宽，于是调整管导通时间增大，使 L 、 C 储能电路得到更多的能量，结果是使输出电压 U 0 被提升，达到了稳定输出电压的目的。 （4）集成化稳压电路 上图（e）是一个三端稳压器电路。图中 C 是主滤波电容， C1 、 C2 是消除寄生振荡的电容 ,VD 是为防止输入短路烧坏集成块而使用的保护二极管。 二、整流电路 整流电路是利用半导体二极管的单向导电性能把交流电变成单向脉动直流电的电路。 （1）半波整流 半波整流电路只需一个二极管，见下图（a）。在交流电正半周时 VD 导通，负半周时 VD 截止，负载 R 上得到的是脉动的直流电 （2）全波整流 全波整流要用两个二极管，而且要求变压器有带中心抽头的两个圈数相同的次级线圈，见上图（b）。负载 R L 上得到的是脉动的全波整流电流，输出电压比半波整流电路高。 （3）全波桥式整流 用 4 个二极管组成的桥式整流电路可以使用只有单个次级线圈的变压器，见上图（ c ）。负载上的电流波形和输出电压值与全波整流电路相同。 （4）倍压整流 用多个二极管和 电容器可以获得较高的直流电压。上图（d）是一个二倍压整流电路。当 U2 为负半周时 VD1 导通， C1 被充电， C1 上最高电压可接近 1.4U2 ；当 U2 正半周时 VD2 导通， C1 上的电压和 U2 叠加在一起对 C2 充电，使 C2 上电压接近 2.8U2 ，是 C1 上电压的 2 倍，所以叫倍压整流电路。 三、滤波电路 整流后得到的是脉动直流电，如果加上滤波电路滤除脉动直流电中的交流成分，就可得到平滑的直流电。 （1）电容滤波 把电容器和负载并联，如下图（a），正半周时电容被充电，负半周时电容放电，就可使负载上得到平滑的直流电。 （2）电感滤波 把电感和负载串联起来，如上图（b），也能滤除脉动电流中的交流成分。 （3） L 、 C 滤波 用 1 个电感和 1 个电容组成的滤波电路因为象一个倒写的字母“ L ”，被称为 L 型，见上图（c）。用 1 个电感和 2 个电容的滤波电路因为象字母“ π ”，被称为 π 型，见上图（d），这是滤波效果较好的电路。 （4） RC 滤波 电感器的成本高、体积大，所以在电流不太大的电子电路中常用电阻器取代电感器而组成 RC 滤波电路。同样，它也有 L 型，见上图（e）； π 型，见上图（f）。