技术资讯 | 线性电源设计的关键考虑因素

 

关键要点

了解什么是线性电源及其应用

创建准系统线性电源设计的设计技巧和要求

稳压器组件的功能、结构和操作元件

简单的线性电源，带有变压器、整流器、平滑电容器和稳压器 IC线性电源是没有任何开关或数字元件的电源单元。线性电源 （PSU） 能够产生多个输出电压 — 非常高或非常低的电压。它们相对更大更重，需要更大的散热器。它们具有低噪声、低纹波、不受电源噪声影响、相对较少的组件，并且易于维修和设计。让我们来探讨一下线性电源设计的确切含义。

线性电源特性

线性电源通常将各种电子设备的市电交流电压转换为较低的直流电压。交流市电电压通常为120V@60Hz或220V@50Hz，然后通过线性电源转换为所需的直流级电压。线性电源模块可以为较大的电路提供固定的任意直流电压或各种电压（+5， +12， -12 V）。它们还可以创建双极性电压，例如用于运算放大器的±15V，或相互锁定电压的双跟踪电源。线性电源的常见用途是通信系统、放大器、实验室测试设备、各种控制电路和大功率工业设备。线性电源输出电压的示例包括：

• 用于微处理器电路的+5V逻辑
• 0-30V用于台架测试电源
• ±15V，用于运算放大器电路
• +12V LED照明及其他通用电子产品
• +14.5V电池充电

线性电源设计注意事项

以下是线性 PSU 设计的常见注意事项和要求：

• 输入范围，包括电压、电流和频率
• 变压器上的转换率或匝数比
• 输出电压和地之间的噪声抑制所需的共模抑制比 （CMRR）
• 电源和电源之间的隔离
• 输出电压的峰值和平均值之差，称为纹波电压
• 输出功率要求
• 特定负载和线路调整要求
• 其他功能，如折返电流限制
• 低压差特性

线性电源设计架构

基本线性电源架构所需的组件线性电源设计所需的主要组件包括：

• 通过开关、保险丝或指示灯连接到主电源。确保使用良好的接地，并用套管绝缘任何裸露的电线以保护电源。
• 具有基于所需输出电压的匝数和结构的变压器。这用于隔离下游电路的其余部分，使其免受电源参考。变压器可能有多个抽头，以允许不同的电源输入电压和次级抽头以获得所需的输出电压。一些变压器可能在初级抽头和次级抽头之间有一个铜箔屏蔽，以减少电容耦合到高频电源噪声。
• 将交流信号转换为直流的整流器。一般来说，全波桥式整流器是最合适的。但是，请确保您选择的二极管经过精心计算。使用便宜或小的二极管可能会导致电流过大或过压尖峰引起的故障。选择具有高峰值反向电压的二极管除了使用更长的引线以获得更好的散热外，还可能会有所帮助。小电容器也可以并联放置，以便更快地恢复。
• 平滑电容器用于减少整流器输出准直流电压上的交流纹波量。具有低等效串联电阻（ESR）的电容器，例如钽基电容，可以更好地处理纹波。
• 稳压器用于降压并向负载提供恒定的直流电压。它可以是串联、分流、简单或复杂的稳压器。此组件很复杂，将在以下部分中进一步讨论。

稳压器设计

稳压器可以有各种形状的尺寸，最终用于接收直流电压并将其降压。稳压器使用反馈来保持输出电压恒定，与输入电压或负载的变化无关。如果负载开始消耗更大的电流，线性稳压器将检测到这一点并进行调整以提供更大的功率。它通过反馈机制实现这一点。对输出电压的一小部分进行采样，并与固定基准进行比较。差值被放大并用于控制调节元件（通常是晶体管或多个晶体管的配置）以减少电压误差。例如，在负载拉动更多电流而输出过低的情况下，对这种差值进行采样、放大，然后用于控制调节晶体管以允许更多的电流通过，从而将电压提高到所需值。在折返电流限制、低压差功能、线路和负载调整要求或其他电源特定要求的情况下，您的稳压器设计就是实现这一点的地方。线性电源设计效率低下（与开关 PSU 相比）;任何额外的功率都以热量的形式通过控制元件耗散。因此，将适当尺寸的散热器连接到稳压器，特别是控制晶体管，至关重要。

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