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电源模块电路图解析

时间：2020-12-02 13:43:56 电子技术/半导体/集成电路我要投稿

电源模块电路图解析

　　单片机最小系统原理图及单片机电源模块/复位/振荡电路解析 - 单片机

　　单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。最小系统原理图如图所示。

　　电源模块

　　对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。51单片机虽然使用时间最早、应用范围最广，但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列的单片机，51单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。

　　电源模块电路图

　　此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的USB口供给，也可使用外部稳定的5V电源供电模块供给。电源电路中接入了电源指示LED，图中R11为LED的限流电阻。S1 为电源开关。

　　复位电路

　　单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。

　　单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由RC电路计算出时间常数。

　　复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。

　　(1)上电复位：STC89系列单片及为高电平复位，通常在复位引脚RST上连接一个电容到VCC，再连接一个电阻到GND，由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K和10uF。

　　(2)按键复位：按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。

　　振荡电路

　　单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。

　　在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器(VCO)。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。

　　单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。

　　晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。

　　STC89C51使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间。

　　如何调试开关电源电路？ - 电源

　　有一些经验可以共享给大家：

　　（1）电源电路的输出通过低阻值大功率电阻接到板内，这样在不焊电阻的情况下可以先做到电源电路的先调试，避开后面电路的影响。

　　（2）一般来说开关控制器是闭环系统，如果输出恶化的情况超过了闭环可以控制的范围，开关电源就会工作不正常，所以这种情况就需要认真检查反馈和采样电路。特别是如果采用了大ESR值的输出电容，会产生很多的电源纹波，这也会影响开关电源的工作的。

　　电源谐振转换器电路的设计方法 - 电子技术

　　和传统脉宽调制（PWM）电源转换器不同的是，谐振转换器通过频率调制来调节输出电压。因此，谐振转换器的设计方法也与PWM转换器的设计方法有所异。在各种类型的谐振转换器中，图1的LLC串联谐振转换器（LLC-SRC）格外引人瞩目，因为它有更强的输出调节功能、更小的循环电流和更低的电路成本。

　　串联谐振特性允许直流（DC）/DC LLC-SRC中的开关网络（如图2所示）拥有很宽范围的零电压开关（ZVS）；因此，LLC-SRC能在前端电源应用中轻松实现超过94％的效率，并能在高开关频率下运行。

　　和PWM转换器的设计过程相似，当设计LLC-SRC时，第一个步骤是选择满负载情况下所需的工作频率。剩下的步骤就不同了，因为谐振转换器里没有占空比因数。在LLC-SRC中占空比保持不变，是50％，非常理想。图3展示了LLC-SRC的设计流程图（来自TI电源设计研讨会主题“设计 LLC谐振半桥电源转换器”）。

　　Mg/Qe和Mg/fn图表中的增益曲线是由图1所示的LLC谐振槽路（它也是LLC谐振半桥转换器的线性化电路）衍生而来的。

　　图3提供了LLC谐振半桥转换器的简单电路参数选择过程。通过检查增益曲线上的fn_min、fn_max位置，您就能设计出在所有输入条件下开关网络上均具有ZVS的高效LLC谐振半桥变换器。

　　当设计LLC谐振半桥变换器时，请谨记：

　　任何时候，在Mg/fn图表中fn_min都需要高于增益曲线的脊线。这是为确保金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）能保持ZVS状态。LLC-SRC的效率只能在一个操作点进行优化。当fsw= fo时，串联Lr和Cr变成零阻抗状态（图4）；该转换器在那个点具有最高的效率。您需要决定自己想优化的线路/负载条件，并确保您的开关频率在那样的条件下是谐振频率。

　　等离子和液晶电视如今已经走入了千家万户，这两种电器的开关电源设计比较特殊，只能采用有源或者无源PFC模式，并且需要能够长时间在无散热通风的环境下工作。这就要求电源不仅要拥有高功率密度和平滑的电磁干扰信号，还要尽量少的使用元器件。而在这些方面，半桥LLC谐振转换器拥有诸多的优势。

　　半桥LL谐振电容和谐振电感的配置

　　单谐振电容和分体谐振电容都存在于半桥转换器当中。对于单谐振电容配置而言，它的输入电流纹波和均方根（RMS）值较高，而且流经谐振电容的均方根流较大。这种方案需要耐高压（600~1，500V）的谐振电容。不过，这种方案也存在尺寸小、布线简单等优点。

　　分体谐振电容相较于单个谐振电容而言，其输入电流纹波和均方根值较小。谐振电容仅处理一半的均方根电流，且所用电容的电容量仅为单谐振电容的一半。当利用钳位二极管（D3 和D4）进行简单、廉价的过载保护时，这种方案中，谐振电容可以采用450V较低额定电压工作。顾名思义，半桥LLC转换器中包含2个电感（励磁电感Lm 和串联的谐振电感Ls）。根据谐振电感位置的不同，谐振回路也包括两种不同的配置，一种为分立解决方案，另一种为集成解决方案。这两种解决方案各有其优缺点，采用这两种方案的LLC的工作方式也有轻微差别。

　　将谐振电感安装在变压器外面是有目地的。其能够帮助设计者提高设计的灵活性，令设计人员可以灵活设置Ls和Lm的值;此外，EMI幅射也更低。不过，这种解决方案的缺点在于，变压器初级和次级绕组间的绝缘变得复杂，并且绕组的冷却条件变差，并需要组装更多元件。

　　在另一种集成的解决方案中，变压器的漏电感被用作谐振电感（LLK=LS）。这种解决方案只需1个磁性元件，而且会使得开关电源的尺寸更小。此外，变压器绕组的冷却条件更好，且初级和次级绕组之间可以方便地实现绝缘。不过，这种解决方案的灵活性相对较差（可用的LS电感范围有限），且其EMI幅射更强，而初级和次级绕组之间存在较强的邻近效应。

　　电容滤波电路的性能特点 - 电源

　　由电容滤波电路的原理分析可知，电容滤波电路有如下特点：

　　（1）二极管的导电角q<p，流过二极管的瞬时电流很大。电流的有效值和平均值的关系与波形有关，在平均值相同的.情况下，波形越尖，有效值越大。在纯电阻负载时，变压器副边电流的有效值I2=1.11IL，而有电容滤波时

　　（2）负载平均电压VL升高，纹波（交流成分）减小，且RLC越大，电容放电速度越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。

　　为了得到平滑的负载电压，一般取

　　≥(3～5)

　　式中T为电源交流电压的周期。

　　（3）负载直流电压随负载电流增加而减小。VL随IL的变化关系称为输出特性或外特性，如图1所示。

　　C值一定，当，即空载时

　　当C=0，即无电容时

　　在整流电路的内阻不太大（几欧）和放电时间常数满足式 ≥(3～5) 的关系时，电容滤波电路的负载电压VL与V2的关系约为

　　VL=(1.1～1.2)V2

　　总之，电容滤波电路简单，负载直流电压VL较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，故适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。

　　什么是滤波电路 - 电源

　　滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。常用的结构如图1所示。

　　(a) C型滤波电路 (b) 倒L型滤波电路 (c) Ⅱ型滤波电路

　　图1

　　由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，电容C具有平波的作用；与负载串联的电感L，当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它把能量存储起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感L也有平波作用。

　　滤波电路的形式很多，为了掌握它的分析规律，把它分为电容输入式[电容器C接在最前面，如图1中的（a）、（c）]和电感输入式[电感器L接在最前面，如图1中的（b）]。前一种滤波电路多用于小功率电源中，而后一种滤波电路多用于较大功率电源中（而且当电流很大时仅用一电感器与负载串联）。本节重点分析小功率整流电源中应用较多的电容滤波电路，然后再简要介绍其他形式的滤波电路。

　　单相桥式整流电路的工作原理 - 电源

　　单相桥式整流电路如图1（a）所示，图中Tr为电源变压器，它的作用是将交流电网电压vI变成整流电路要求的交流电压，RL是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管D1～D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。

　　单相桥式整流电路的工作原理可分析如下。为简单起见，二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。

　　在v2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管D1流向RL，再由二极管D3流回变压器，所以D1、D3正向导通，D2、D4反偏截止。在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。其电流通路可用图1（a）中实线箭头表示。

　　在v2的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管D2流向RL，再由二极管D4流回变压器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向导通。电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。其电流通路如图1（a）中虚线箭头所示。

　　综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。

　　根据上述分析，可得桥式整流电路的工作波形如图2。由图可见，通过负载RL的电流iL以及电压vL的波形都是单方向的全波脉动波形。

　　桥式整流电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。电路的缺点是二极管用得较多，但目前市场上已有整流桥堆出售，如QL51A～G、QL62A～L等，其中QL62A～L的额定电流为2A，最大反向电压为25～1000V。

　　单相桥式整流电路常画成图1（b）所示的简化形式。

　　甲乙类单电源互补对称电路 - 电子技术

　　图1是采用一个电源的互补对称原理电路，图中的T3组成前置放大级，T2和T1组成互补对称电路输出级。在输入信号vi =0时，一般只要R1、R2有适当的数值，就可使IC3 、VB2和VB1达到所需大小，给T2和T1提供一个合适的偏置，从而使K点电位VK=VC=VCC/2 。

　　当加入信号vi时，在信号的负半周，T1导电，有电流通过负载RL，同时向C充电；在信号的正半周，T2导电，则已充电的电容C起着双电源互补对称电路中电源-VCC的作用，通过负载RL放电。只要选择时间常数RLC足够大（比信号的最长周期还大得多），就可以认为用电容C和一个电源VCC可代替原来的+VCC和-VCC两个电源的作用。

　　值得指出的是，采用一个电源的互补对称电路，由于每个管子的工作电压不是原来的VCC，而是VCC/2，即输出电压幅值Vom最大也只能达到约VCC/2，所以前面导出的计算Po、PT、和PV的最大值公式，必须加以修正才能使用。修正的方法也很简单，只要以VCC/2代替原来的公式中的VCC即可。

　　单电源互补对称电路 - 电子技术

　　（一）电路组成（二）分析计算

　　1.输出功率理想条件下最大电压幅度 Ucem=VCC/2所以2.效率直流电源供给的功率理想条件下，最大效率为：

　　阶电路在正弦电源作用下的零状态响应 - 电子技术

　　为正弦电压源：开关接通后电路的微分方程和初始值分别为

　　非齐次微分方程的通解由两个分量组成——此方程的任一特解和与此方程对应的齐次方程的通解，即

　　(1) 求特解凡是满足微分方程的解均可作为特解。显然，在作用下的正弦稳态解也满足方程，可作为特解。求正弦稳态解宜用相量分析法，微分方程对应的相量方程

　　故电流的振幅相量为

　　式中，是图示RL串联电路的阻抗。特解时域表达式为

　　(2) 求对应的齐次微分方程的通解齐次微分方程为

　　其通解为 (3) 非齐次微分方程的通解