tag 标签: 电源电路

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    2016-1-7 15:21
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    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。      
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    2015-5-28 06:42
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    一:直流电源的理论流程: 第一:交流电整流转换为脉动直流电; 第二:脉动直流电 滤波后转换为 直流电; 第三:直流电通过 芯片或者电路 转换为纹波更小的、设计者所需要的直流电压;   二:直流电源的理论流程的解析 第一条:实际生产中,我们会将 交直流变压器 通过 电桥 整流后传送到下一级 第二条:实际生产中,我们会用 电容滤波; 第三条:实际生产中,我们会用 芯片稳压,常见的LM78系列、LM79系列、LM1117,大电流的还有Liner公司的芯片LT29***;   三:我着重讲讲第三条 上面‘二’ 说的是芯片型号,下面解析 稳压电路 1)有稳压二极管的稳压电路 适用于 小电流且稳压精度不高的场合; ∵ 稳压管的动态电阻Vz越小,则负载的变化 对 输出电压的影响就越小; ∵ 稳压管电压温度系数越小,则稳压管变动的电流就越小,精度就越高; ∵ 稳压电路的限流电阻越大,则稳压电路对电压的变动就越敏感,因而精度越高;   ∴负载的阻抗变化 会对 稳压的精度 产生影响; ∴环境温度的变化 会对 稳压的精度 产生影响; ∴限流电阻的变化 会对 功率、功耗 产生影响;   2)串联型稳压电路 负载变化大、输入电压变化大、大功率输出等场合,常见的是 串联型稳压电路。 严格说来,芯片M78系列等稳压芯片也算是 串联型稳压电路; 理论说来,有四个部分  功  率  管 :调节电压、稳定电压; 取样电路:提取 电压; 基准电路:与提取到的电压相比较; 比较电路:将提取的差异电压进行放大(集成放大器共模抑制比高,温漂影响小)稳定电压; 对于首次调试稳压电路的人来说,关键之一:调节比较放大器的输出,使功率管工作于线性区。 当然了 ∵ 工作在线性区域 + 功率管和负载是串联关系 ; ∴损耗大,转化为热量散发,它的效率会比较低(小于等于50%);   3)开关型稳压电路 开关型稳压电路还是蛮有个性的 它的功率管是工作在 开关状态的,它是通过控制功率管的导通时间 来实现稳压的; 开关状态有两种 : 饱和 + 截止; ∵ 工作于  饱和与截止两种切换状态; ∴ 它的输出电压中 存在谐波,有纹波成分; ∴ 它的效率比较高,开关损耗和导通损耗 比较小      
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    2015-4-5 21:40
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    电源电路 本文节选自特权同学的图书《 FPGA 设计实战演练(逻辑篇)》 配套例程下载链接: http://pan.baidu.com/s/1pJ5bCtt            “神说,看哪,我将遍地上各样结种子的菜蔬,和各样结有核果子的树,赐给你们作食物。至于地上各样的走兽和空中各样的飞鸟,并各样爬在地上有生命的物,我将青草赐给它们作食物;事就这样成了。”                                                                ——引自《圣经》创世记 的确,自然界的任何生物体都需要有能量的供应,人需要吃饭喝水、花草树木需要阳光雨露、鸟兽虫鱼也都有可食之物。人工智能也是如此,炉灶需要煤气、汽车需要加油、亮灯需要供电……小小的芯片工作起来也是离不开能量的供给。 (特权同学,版权所有) FPGA 器件需要有电源电压的能量供应才能工作。尤其对于规模较大的器件,其功耗也相对较高,其供电系统的好坏将直接影响到整个开发系统的稳定性。所以,设计出高效率、高性能的 FPGA 供电系统具有极其重要的意义。 (特权同学,版权所有) 不同的 FPGA 器件、不同的应用方式会有不同的电压电流的需求。如图 3.4 所示,简单的归纳,可以将 FPGA 器件的电压需求分为三类:核心电压、 I/O 电压和辅助电压。 (特权同学,版权所有) 图 3.4 供电电压          核心电压是 FPGA 内部各种逻辑电路正常工作运行所需要的基本电压,该电压用于保证 FPGA 器件本身的工作。通常选定某一款 FPGA 器件,其核心电压一般也都是一个固定值,不会因为电路的不同应用而改变。核心电压值可以从官方提供的器件手册中找到。 (特权同学,版权所有)          I/O 电压顾名思义便是 FPGA 的 I/O 引脚工作所需的参考电压。在引脚排布上, FPGA 与 ASIC 最大的不同,便是 FPGA 所有的可用信号引脚基本都可以作为普通 I/O 使用,其电平值的高低完全由器件内部的逻辑决定。当然了,它的高低电平标准也受限于所供给的 I/O 电压。任何一片 FPGA 器件,它的 I/O 引脚通常会根据排布位置分为多个 bank 。同一个 bank 内的所有 I/O 引脚所供给的 I/O 电压是共用的,可以给不同的 bank 提供不同的 I/O 电压,它们彼此是不连通的。因此,不同 bank 的不同 I/O 电压为 FPGA 器件的不同接口应用提供了灵活性。这里举一个例子, Cyclone III 系列器件的某些 bank 支持 LVDS 差分电平标准,此时器件手册会要求设计者给用于 LVDS 差分应用的 bank 的 I/O 电压供 1.5V 电压,这就不同于一般的 LVTTL 或 LVCOMS 的 3.3V 供电需求。而一旦这些用于 LVDS 传输的 I/O bank 电压供给为 1.5V ,那么它就不能作为 3.3V 或其他电平值标准传输使用了。 (特权同学,版权所有)          除了前面提到的核心电压和 I/O 电压, FPGA 器件工作所需的其它电压我们通常都称为辅助电压。例如 FPGA 器件下载配置所需的电压,当然了,这里的辅助电压值可能与核心电压值或 I/O 电压值是一致的。很多 FPGA 的 PLL 功能块的供电会有特殊要求,也可以认为是辅助电压。由于 PLL 本身是模拟电路,而 FPGA 其他部分的电路基本是数字电路,因此 PLL 的输入电源电压也很有讲究,需要专门的电容电路做滤波处理,而它的电压值一般和 I/O 电压值不同。 (特权同学,版权所有)          目前比较常见的供电解决方案主要是 LDO 稳压器、 DC/DC 芯片或电源模块。 LDO 稳压器为电流输出要求不高的应用提供了简单廉价的解决方案;而基于 DC/DC 芯片的解决方案能够保证较高的电源转换效率,散热容易一些,输出电流也更大,是大规模 FPGA 器件的最佳选择;而电源模块简单实用并且能够有更稳定的性能,只不过价格通常比较昂贵,在成本要求不敏感的情况下,是 FPGA 电源设计的一种最为简单快捷的解决方案。总而言之,对于电源方案的选择以及电源电路的设计,一定要事先做好前期的准备工作,如以下几点是必须考虑的: ●   器件需要供给几档电压,压值分别是多少? ●   不同电压档的最大电流要求是多少? ●   不同电压档是否有上电顺序要求?(大部分的 FPGA 器件是没有此项要求的) ●   电源去耦电容该如何分配和排布? ●   电源电压是否需要设计特殊的去耦电路?          关于设计者需要确定的各种电气参数以及电源设计的各种注意事项,其实在器件厂商提供的器件手册( handbook )、应用笔记( application notes )或是白皮书( white paper )中一般都会给出参考设计。所以,设计者若希望能够较好的完成 FPGA 器件的电源电路设计,事先阅读大量的官方文档是必须的。 (特权同学,版权所有)          说到电源,也不能不提一下地端( GND )电路的设计, FPGA 器件的地信号通常是和电压配对的。一般应用中,统一共地连接是没有问题的,但也需要注意特殊应用中是否有隔离要求。 FPGA 器件的引脚引出的地信号之间通常是导通的,当然也不能排除有例外的情况。如果漏接个别地信号,器件通常也能正常工作,但是笔者也遇到过一些特殊的状况,如 Altera 的 Cyclone III 器件底部的中央有个接地焊盘,如果设计中忽略了这个接地信号,那么 FPGA 很可能就不干活了,因为这个地信号是连接 FPGA 内部的很多中间信号的地端,它并不和 FPGA 的其它地信号直接导通。因此,在设计中也一定要留意地信号的连接,电源电路的任何细小疏忽都有可能导致器件的**。 (特权同学,版权所有)      
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    2013-6-3 16:45
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    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)。    
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