高精密可調電源的研究與設計

章若冰

（湖南鐵道職業技術學院 湖南 株洲412001）

高精密可調電源的研究與設計

章若冰

（湖南鐵道職業技術學院 湖南 株洲412001）

研究與設計一款電壓在3.3～3.4 V、紋波峰峰不能超過100 mV、功率在1 W、能提供給光模塊工作、安全性好、能支持射頻器件、且電源啟動浪涌電壓近乎為0的高精密可調電源。在浪涌紋波去除上，設計一款額定輸出電壓5 V、額定輸出電流為1 A的低壓差線性穩壓器（LDO），相比DC/DC電路，有效降低了紋波。經實驗驗證，本設計方案可行，具有良好的應用價值。

低壓差線性穩壓器；可調電源；電壓浪涌；紋波

隨著信息科學的快速發展，電源技術變得越來越重要。特別是低電壓穩壓電源在智能儀器與儀表越來越普及的今天，應用越來越廣泛，因此研究與設計可調的低電壓穩壓電路，再次成為電源技術中的熱點。近年來，隨著傳感器技術的應用與發展，光模塊在傳感器電路中的應用越來越多，光模塊的驅動對電源的穩定性要求極高，并且價格昂貴，在電壓波動超過一定的范圍就很容易燒毀［1-3］，因此，文中針對一款技術參數中驅動電壓在3.3～3.4 V之間，紋波電壓峰峰值不能超過100 mV的光模塊，設計了一款高精度的可調電源。電源中的紋波去除電路采用低壓差線性穩壓器（LDO），它具有體積小、高電源抑制比、功耗小、低噪聲以及應用端電路簡單等優點，此外，LDO還具有較好的線性瞬態響應和負載瞬態響應［4-5］，設計完成的高精度可調電源能提供給光模塊工作在25 GHz，安全性好，能支持射頻器件，且電源啟動浪涌電壓近乎為0。

1　LDO裝置的設計

LDO由電流源、基準電壓源、誤差放大器、調整管及采樣電路組成，設計電源額定電壓5 V，輸出電流1 A的性能指標要求；功率測量模塊將采集的電路信號輸入到差分放大電路放大，然后輸入到STC12C5A60S2單片機自帶的A/D轉換模塊，將模擬信號轉換為數字信號【6】，再通過單片機進行功率計算，通過液晶顯示功率；漏電保護模塊將采集的信號輸入到放大電路，進行信號放大，將放大的兩路信號通過比較放大后控制RS觸發器的輸出信號，控制繼電器驅動電路，實現漏電保護和自動切斷。其原理圖如圖1所示。

圖1　LDO系統設計框圖

2　LDO單元電路設計

該電源由恒流源 （核心部件為PNP管Q1、NPN管Q2）、基準電壓源（穩壓管D1）、誤差放大器（集成運放OP295）、調整管（兩只PNP管 Q4和Q5構成）及采樣電路組成，達到了電源額定電壓5 V，輸出電流1 A的性能指標要求。取樣電壓加在比較器OP295的同相輸入端，與加在反相輸入端的基準電壓Uz相比較，兩者的差值經放大器OP295放大后，控制串聯調整管的壓降，從而穩定輸出電壓。當輸出電壓Uout降低時，基準電壓與取樣電壓的差值增加，比較放大器輸出的驅動電流增加，串聯調整管壓降減小，從而使輸出電壓升高。相反，若輸出電壓Uout超過所需要的設定值，比較放大器輸出的前驅動電流減小，從而使輸出電壓降低。具體電路如圖2所示。

圖2　LDO單元電路

3　可調電壓單元電路設計

圖3是可調電壓單元電路，都是輸入與輸出的rail2rail，這樣保證可調范圍最大。有一路是要可調到5 V，所以這路的滑變上又串了個電阻，這樣保證加電在5v5時輸出也在5 V以內，因為一般情況下調電壓很少采用5 V，因此本處電壓低于5 V也關系不大。

4　防浪涌與保護電路設計

電路中的浪涌關系到設計的成敗，一般來說，解決浪涌比較好的方法是LDO軟啟動，但是為了設計的普適性，在芯片不支持軟啟動的情況下，可以采用RC硬件延時或者在芯片本身使能端輸出會有延遲汗漫升高的情況下，采用TVS保護和防止電壓過高保護措施。在本設計中，根據采用芯片的相關技術參數，關注到手冊中芯片在使能拉高后，輸出會延遲緩慢升高（大概0.1 ms），如圖4所示。為了保證延時能夠滿足浪涌時間的要求，在輸入端串入一個肖特基二極管和自恢復保險絲做TVS保護，如圖5所示。

圖3　可調電壓單元電路

圖4　使能拉高后的輸出電壓圖圖

圖5　TVS保護電路圖

本LDO輸入電壓不能過5.5 V。因此在輸入端需設計保護電路。其中，電壓基準輸出3.0 V標準參考，基準電壓一定需要非常準確，應輸出低電平，開關管導通，否則，比較器負端輸入高于正端，管子關短，從而保證了電路的安全。在選擇運放時，需要對比原理圖和芯片手冊的波特圖，負載電容不宜過大，如相位條件不滿足，芯片會產生開始自激。

5　系統的軟件設計

主程序中主要對AD，定時器等進行初始化。AD采用STC12C5A60S2自帶AD進行采集模擬電壓，并通過計算轉換為實際的電壓、電流；定時器定時 1 ms，每次中斷進行計數，計數到1 000次時為1 s，這時候通過AD轉換采集uout和Iout，并計算瞬時功率，同時送LCD進行顯示。數據采集頻率為1 Hz。其程序流程圖如圖6所示。

圖6　系統程序流程圖

6　測試結果

經過測試，其電壓波動范圍在3.30～3.37 V之間波動，如圖7所示，紋波電壓小于70 mV，很好的達到了設計要求。

7　結　論

文章經過LDO的設計，并在此基礎上設計了一款電壓在3.3～3.4 V、紋波峰峰值小于100 mV、功率在1 W、能提供給光模塊工作、安全性好、能支持射頻器件、且電源啟動浪涌電壓近乎為0的高精密可調電源。LDO的設計，在一定程度上緩解了浪涌電壓，然后在后續處理中，采用器件本身的延時參數，設計了相應的保護電路，很好的解決了浪涌電流。

圖7　電壓紋波測試圖

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Research and design of high precise adjustable power supply device

ZHANG Ruo-bing
（Hunan Railway Professional Technology College，Zhuzhou 412001，China）

This paper research and design a precision adjustable power supply.Thevoltage in the range of 3.3V to 3.4V，the ripple voltage and its peak value of not more than 100mV，power is about 1W，the power supply can be provided to theoptical module，its security is good，and can support the RF device，the power supply starting surge voltage time close to 0.In the choice of method of removing surge ripple，designed a rated output voltage 5V，rated output current of 1A low dropout linear regulator（LDO），the device is compared to the DC/DC circuit，effectively reducing the ripple.By experimental verification，the design scheme is feasible，and has good application value.

LDO；adjustable power supply；voltage surge；ripple

TN98

A

1674－6236（2016）16-0155-03

2015-08-27稿件編號：201508146

章若冰（1984—），女，湖南株洲人，講師。研究方向：應用電子技術、電子信息。