稳压模块的工作原理以及设计

原理

线性稳压

线性电源(Linear power supply)是先将交流电经过变压器降低电压幅值,再经过整流电路整流后,得到脉冲直流电,后经滤波得到带有微小波纹电压的直流电压。

LDO:低压差线性稳压器,故名思意,为线性的稳压器,仅能使用在降压应用中。输出电压必须小于输入电压。

线性电源一般用在压差比较小,电流比较小的场合,否则,应该改用开关电源电路。

工作原理

线性电源主回路的工作过程是输入电源先经预稳压电路进行初步交流稳压后,通过主工作变压器隔离整流变换成直流电源,再经过控制电路和单片微处理控制器的智能控制下对线性调整元件进行精细调节,使之输出高精度的直流电压源。线性稳压电源经过变压、整流、滤波、稳压实现电源稳压。

一般来说,线性稳压电源由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个基本部分组成。另外还可能包括一些例如保护电路,启动电路等部分。下图是一个比较简单的线性稳压电源原理图(示意图,省略了滤波电容等元件),取样电阻通过取样输出电压,并与参考电压比较,比较结果由误差放大电路放大后,控制调整管的导通程度,使输出电压保持稳定。

稳压模块的工作原理以及设计插图

 

由于调整管相当于一个电阻,电流流过电阻时会发热,所以工作在线性状态下的调整管,一般会产生大量的热,导致效率不高。

稳压模块的工作原理以及设计插图2

线性稳压电源构成:

线性稳压电源和开关稳压电源详解

优点:

     稳定性好;负载响应快;可靠性高;输出纹波小

缺点:

     效率低;发热;没有超大功率的电源供选择,负载不能太大,目前的LDO为5A(但要保证5A的输出还有很多的限制条件)输入输出的电压差不能太大(电压差越大则损耗越大,发热越明显)。

常见芯片:

       LM7805、LM317等
       78XX系列(正电压型),79XX系列(负电压型)(实际产品中,XX用数字表示,XX是多少,输出电压就是多少。例如7805,输出电压为5V);
       LM317(可调正电压型),LM337(可调负电压型);
       AMS1117(低压差型,有多种型号,用尾数表示电压值。如1117-3.3为3.3V,1117-ADJ为可调型)。

开关稳压

 

工作原理:

如图所示,电路由开关K(实际电路中为三极管或者场效应管),续流二极管D,储能电感L,滤波电容C等构成。当开关闭合时,电源通过开关K、电感L给负载供电,并将部分电能储存在电感L以及电容C中。由于电感L的自感,在开关接通后,电流增大得比较缓慢,即输出不能立刻达到电源电压值。一定时间后,开关断开,由于电感L的自感作用(可以比较形象的认为电感中的电流有惯性作用),将保持电路中的电流不变,即从左往右继续流。这电流流过负载,从地线返回,流到续流二极管D的正极,经过二极管D,返回电感L的左端,从而形成了一个回路。通过控制开关闭合跟断开的时间(即PWM——脉冲宽度调制),就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间,以保持输出电压不变,这就实现了稳压的目的。

线性稳压电源和开关稳压电源详解

在开关闭合期间,电感存储能量;在开关断开期间,电感释放能量,所以电感L叫做储能电感。二极管D在开关断开期间,负责给电感L提供电流通路,所以二极管D叫做续流二极管。

在实际的开关电源中,开关K由三极管或场效应管代替。当开关断开时,电流很小;当开关闭合时,电压很小,所以发热功率U×I就会很小。这就是开关电源效率高的原因。

使用:在开关性稳压器输出端接入低压差线性稳压器,就可以实现有源滤波,而且也可大大提高输出电压的稳压精度,同时电源系统的效率也不会明显降低。

开关电源的优点

1、体积小、重量轻:由于没有工频变压器,所以体积和重量只有线性电源的10~30%。
2、功耗小、效率高:功率晶体管工作在开关状态,所以晶体管上的功耗小,转 化效率高,一般为60~95%,而线性电电源只有20~40%。

开关电源的缺点:

输出纹波电压较高,噪声较大,电压调整率等性能也较差,特别是对模拟电路供电时,将产生较大的影响。

开关电源构成:

线性稳压电源和开关稳压电源详解

Ui为整流滤波后的直流电压、Uo为转换后的直流输出电压、DC-DC转换器用于功率转换。

常见芯片:

OB2512RNJPAOB2530PAP、LM2575、MC34063、SP6659

反压保护

电源的输出端口通常会采用一个反向二极管来保护电源避免受到反向电压的损坏!几乎绝大部分的直流电源都会在输出端口添加一个甚至多个电解电容。这些电容起到滤除输出纹波和噪声,而且提供额外的电能用于减小在负载电流动态变化时电压突升或突降的幅度。电解电容可以承受一些反向电压,但也不会很高,一般在1V到1.5V,过高的反向电压会导致电解电容的泄漏甚至更糟糕的情况…。。譬如爆炸!反向保护二极管可以限制电解电容的方向电压在二极管的导通电压以内,而且保护二极管的耐流值至少应该与电源的输出最大电流一致。

稳压模块的工作原理以及设计插图10

对于线性电源,必须在电源的输出端,按照上图的方式添加反向保护二极管,即二极管的阴极连接到电源的正极,阳极连接到电源的负极。

但对于开关电源,反向保护二极管其实已经隐藏在的它的电路之中,如下图所示:

稳压模块的工作原理以及设计插图12

对保护电路要求更高的场合,我们还可以使用增强型NMOS管保护电路

芯片分析

 

由于要驱动电机,需要较大电流,根据实际选用输出电流较大的LM2596,可输出最大3A电流来驱动电机

舵机需要300MA 电流来正常工作

RS-380电机参数电压范围:3-9V 
额定电压:7.2V 
空载转速:16200转/分
空载电流:0.5A 
最大效率时转速:14060转/分
最大效率时电流:3.29A 
最大效率时功率:16W 
最大效率时扭矩:10.9mN.m 
堵转时扭矩:82.3 mN.m 
堵转时电流:21.6A
TPS7350 是微功耗低压差线性电源芯片,具有完善的保护电路,包括过流、过压、电压反接保护。
使用这个芯片只需要极少的外围元件就能构成高效稳压电路。
与LM2940及AS1117稳压器件相比,TPS7350具有更低的工作压降和更小的静态工作电流,可以使电池获得相对更长的使用时间。
由于热损失小,因此无需专门考虑散热问题。
而且其纹波很小,又为线性稳压芯片,可以为单片机及片外AD模块提供很稳定的工作电压!

 

 

电源电路的PCB布局

  • 每条线的宽度不是随便设的,是要根据原理图里元件节点间的电流大小来确定的。电流大小、电流流向要搞清楚,做板才恰到好处。
  • PCB 设计时,元件的布局要紧凑,要让所有的连线尽可能短,要按原理图元件功能关系去布局元件与走线。
  • 除此之外,我们不仅要考虑正电源的流向问题,还必须考虑地回流问题,一般来说,正电源线和地回流线要尽可能同进同出,彼此离近点。
  • 对于线性电源,当压降较大时,芯片上会有很大的热量散失,布板时要根据散热功率来留出足够的散热空间或合理的散热片。
  • 电压检测的反馈线引入点问题,应该是经过滤波后的地方反馈回去,不然会使输出的电压纹波更大。
  • 电感下面尽量不要走线,电感中存在di/dt,可能会对信号线造成干扰,导致产品不能稳定工作。

参考链接:

常见稳压芯片及运放芯片

常用稳压芯片参数对照表

线性稳压电源和开关稳压电源详解

最全的反向电压极性保护电路

线性稳压电源的工作原理是怎么样的详细图文详解

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Source: github.com/k4yt3x/flowerhd
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