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    2021-07-05 23:40:40
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    转载于:http://www.chinaaet.com/article/159386

    • 电容降压原理
    • 电容降压型直流稳压电路原理方框图
    • 电容降压型直流稳压电路设计实例


    本文介绍一种新颖的电容降压型直流稳压电路,电路不含变压器,只由几个简单的电子元件组成。输出DC电压可在很宽的范围内任意调节,只需要改变基准电压元件。

    一、概述

    电子工程师总是在不断追求减小设备体积,优化设计,以期最大限度地降低设备成本。其中,减小作为辅助电源的直流稳压电源电路部分的体积,往往是最难解决的问题之一。普通的线性直流稳压电源电路效率比较低,电源的变压器体积大,重量重,成本较高。开关电源电路结构较复杂,成本高,电源纹波大,RFI和EMI干扰是难以解决的。

    下文介绍的是一种新颖的电容降压型直流稳压电源电路。这种电路无电源变压器,结构非常简单,具有体积小、重量轻、成本低廉、动态响应快、稳定可靠、高效(可达90%以上)等特点。

    二、电容降压原理

    当一个正弦交流电源U(如220V AC 50HZ)施加在电容电路上时,电容器两极板上的电荷,极板间的电场都是时间的函数。也就是说:电容器上电压电流的有效值和幅值同样遵循欧姆定律。

    即加在电容上的电压幅值一定,频率一定时,就会流过一个稳定的正弦交流电流ic。容抗越小(电容值越大),流过电容器的电流越大,在电容器上串联一个合适的负载,就能得到一个降低的电压源,可经过整流,滤波,稳压输出。

    电容在电路中只是吞吐能量,而不消耗能量,所以电容降压型电路的效率很高。
     

    三、电容降压型直流稳压电路原理方框图

    电路由降压电容,限流,整流滤波和稳压分流等电路组成。

    1.降压电容:相当于普通稳压电路中的降压变压器,直接接入交流电源回路中,几乎承受全部的交流电源U,应选用无极性的金属膜电容(METALLIZED POLYESTER FILM CAPACITOR)。

    2.限流电路:在合上电源的瞬间,有可能是U的正或负半周的峰_峰值,此时瞬间电流会很大,因此在回路中需串联一个限流电阻,以保证电路的安全。

    3.整流滤波:有半波整流和全波整流,与普通的直流稳压电源电路的设计要求相同。

    4.稳压分流:电压降压回路中,电流有效值I是稳定的,不受负载电流大小变化的影响,因此在稳压电路中,要有分流回路,以响应负载电流的大小变化。

    四、电容降压型直流稳压电路设计实例

    1.桥式全波整流稳压电路:

    规格要求:输出DC电压12V,DC电流300mA;输入电源220V AC/50HZ 市电。
     

    1)降压电容C1的选择:

    a. C1容值的选择:
    电容值取决于负载电流,负载电流I确定后,可得: C1≥1/2лfU

    式中交流电源U值计算时取负10%,即:
    I=300mA,U=220V*(-10%)=198V,f=50HZ,
    C1≥0.3(2*3.14156*50*198)=4.82uF)

    电容值只可取大,不可取小,本例电容C1取值5uF。

    b. 耐压值的选择:
    要考虑电源正10%的情况,如本例用市电,C1要选择250V AC的金属膜电容。

    c. 耐瞬间冲击电流的选择:
    金属膜电容的内阻是很低的,允许电容在吞吐能量时,有大的电流流过,这个电流的大小取决于电容值和它的du/dt值,此值由电容的结构,金属膜的类型,引出线的方式决定的。

    du/dt值与电容的耐压值有关,耐压越高,du/dt值越大,不同厂家产品du/dt值也有很大的差别,如耐压为250VAC电容值为5uF的金属膜电容的du/dt值一般在3-30之间选择。

    在本例中:C1=5uF,du/dt值取3,则C1耐瞬间冲击电流值为:
    I=Cdu/dt=5*3=15(A)

    2)限流电阻R1的选择:
    先求C1的容抗:

    Xc=1/2лfC=1/(2*3.1416*50*0.000005)=636.36Ω

    则复阻抗:|Z|=638.3Ω (R1取值为47Ω)

    求得电流有效值为:I=U/|Z|=220/638.3344.7mA

    电阻实际承受的有效电压值:UR=344.7mA*47Ω =16.2V

    求出电阻实际承受的功率:PR=16.2V*344.7mA=5.58W  (R1选用线绕电阻器,功率取7.5W)

    3)稳压分流电路:
    稳压管ZD1和T1管E-B结,R3组成稳压电路,T1,R2组成分流电路。


    ZD1选用11.3V的稳压管;R3阻值取180Ω1/6W;T1管响应负载电流的大小变化,负载电流可在0-300mA内变化,T1选用2W的PNP管,电流放大倍数≥200;R2用作负载电流较小时,分担一部分T1管的功率,R2取值30Ω/3W。

    2.半波整流稳压电路:

    规格要求:输出一组24V DC电压(如提供继电器工作用),一组DC电压5V(如供微控制器工作或双向可控硅触发电流用),输出DC电流60mA;输入电源220V/50HZ。

    1)降压电容C1的选择:
    a.流过电容C1的电流约是负载电流的两倍,即120mA,得出:

    C1≥1/2лfU=0.12(2*3.14156*50*198)=1.93(uF)
    C1的实际取值2uF。

    b.选择耐压值为250V AC的金属膜电容。

    c.瞬间冲击电流值为: I=Cdu/dt=2*3=6(A)

    2)限流电阻R1的选择:
    电路的复阻抗:Xc=1/(2*3.14156*50*0.000002)=1.464KΩ

    |Z|=1.467 KΩ (R1取值100Ω)

    求得电流有效值: I=U/|Z|=220/1.467=150mA

    再求出电阻承受的有效电压值为:UR=150mA×100 =15V

    求出电阻实际承受的功率: PR=15V×150mA=2.25W (R1的功率取3W)

    3)半波整流电路:
    D1作半波整流用,C2、C3为滤波电容,交流电源U上半周时,经C1、R1降压,由D1整流后给电容C2平滑滤波输出


    D2的作用:交流电源U下半周时,降压电容C1经由D2放电。

    4)稳压分流:
    ZD1、ZD2、R3组成DC 24V稳压即分流电路,T1、ZD3和R4组成DC 5V稳压电路。


    五、结语

    1、电路结构非常简单,具有体积小、重量轻,有利于实现电子设备的小型化;

    2、省去了电源变压器,对元器件的要求也不高,成本非常低,有力于降低电子设备的成本;
    3、电容降压电路是一个电流源,只需改变基准电压元件,就可得到很宽范围内的任一DC电压源;
    4、注意:这种电路输出DC电压与输入AC电源之间是不隔离的,因此,它用在不需隔离的电子设备中,如在一些控制、检测、分析电子装置中,在家用电器等电子设备中,特别是在小家电领域具有广泛的实用价值;正因为没有隔离,所以应用在需要隔离的电子设备中不合适。
    5、金属膜电容的容量还不能做得很大,因此,这种电路通常用在小功率直流稳压电源的电子设备中。

    转载于:https://www.cnblogs.com/tureno/articles/7619706.html

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    一、5V转3.3V电路设计

    1.AMS1117-3V3

    AMS1117-xxx是一颗LDO芯片,这个系列有很多型号,后面的xxx代表输出电压,如果是AMS1117-ADJ表明输出是通过电阻调节的。

    实物图展示:
    在这里插入图片描述
    常见封装:
    在这里插入图片描述
    电路图:
    在这里插入图片描述
    AMS1117-3.3最大输出可达1A,但是其压差较大,一般在1.1V左右,所以功耗和发热量也会随着电流的增大而急剧增大,对于大电流负载,不推荐使用LDO电路,使用DCDC电路效果更佳。

    2.ME6211C33

    ME6211C33是一颗低功耗低压差LDO芯片,其工作电压范围是2V~6V,最大输出电流为500mA(Vin=4.3,Vout=3.3),Iout=120mA时最低压差仅为120mV,待机模式下电流为0.1uA。
    实物图:
    在这里插入图片描述
    常用封装:
    在这里插入图片描述
    典型应用电路:
    在这里插入图片描述

    3.RT9193-33GB

    RT9193-33GB是一颗低噪声低压差LDO芯片,工作电压范围是2.5V~5.5V,最大输出为300mA,Iout=300mA时低压差为220mV。shutdown模式下(EN接地),待机电流<0.01uA。

    实物图:
    在这里插入图片描述
    常用封装及引脚定义:
    在这里插入图片描述

    典型应用电路:
    在这里插入图片描述

    4.XC6206

    XC6206是一颗低功耗LDO芯片,最高输入电压是6V,输出电压范围是1.2V~5.0V,最大输出为250mA,低功耗电流1.0uA。

    实物图:
    在这里插入图片描述
    常用封装和引脚定义:

    在这里插入图片描述
    典型应用电路:

    在这里插入图片描述

    5.TPS78233

    TPS78233是一颗超低功耗LDO芯片,静态电流为500nA,输入电压范围是2.2—5.5V,最大输出电流为150mA。TPS782xx表明输出电压是x.xV,还有许多输出其他电压的型号,下面仅介绍TPS78233(3.3V输出)。

    实物图:
    在这里插入图片描述
    常用封装和引脚定义:
    在这里插入图片描述
    典型应用电路:
    在这里插入图片描述

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    image

    TPS73xx系列(TPS7301,25,30,33,48,50等)是一款低压差串联型降压稳压芯片,可以提供500mA的稳压电流,在输出100mA电流的情况下,输入输出电压压差可以最多不超过35mV,这可以大大提高稳压电源的效率,或者提供大的电源稳压范围。

    除了主要提供电源稳压功能之外,芯片内部还集成了电压检测模块,可以输出低电平RESET信号,为供电的微控制器、处理器提供复位功能。

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    TPS7333管脚分布,SOP8小型封装

    近期正好有款电子设计需要使用低压差稳压电路,在应用之前对该稳压芯片的稳压基本性能做一些测试。

    下面是测试该芯片的基本电路,其中没有使用它的RESET信号。在输出中串联了50毫欧姆的电阻用于测量输出电流。

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    测量电路原理图

    使用快速制版制作建议的测量电路,焊接SOP封装的TPS7333芯片。

    通过程控稳压电源提供TPS7333的输入电压,这样便可以测量该芯片对于输入电压的稳压效果。

    image

    实际测量实验电路

    TPS7333的输出电压与输入电压的关系可以有下面动图显示。它显示了输入电压从0V一直增加到6V过程中,输出电压的实测变化过程。此时,TPS7333的输出连接一个固定的50欧姆的负载电阻。

    这个输入输出关系曲线分为三个部分:在输入电压大约小于2V之前,输出电压为0V;在输入电压大于2V,小于3.3V之前,输出电压基本呈现线性变化的关系,即输出电压基本上等于输入电压;在输入电压大于3.3V之后,输出电压呈现饱和,即稳压在3.3V左右。

    image

    TPS7333的输出电压与输入电压之间的关系

    下面显示了输入电压从3.2V变化到6V过程中,将TPS7333从线性输出转变到稳压输出过程进行放大显示。

    由于负载是50欧姆的电阻,此时输出电流大约为66mA。图中的曲线显示在输出3.3V的时候,输入电压几乎也是3.3V。实际的十几毫伏的压差在图中显示不太显著。

    image

    TPS7333输出电压与输入电压之间的关系

    当输入电压再从3.3V增加到6V的过程中,输出电压略微上涨,但基本上维持在3.32V之内。表明了TPS7333的良好的稳压效果。这些都满足其数据手册中给出的在输入电压变化到10V的范围内,输出稳压变化小于29毫伏的指标。

    下图显示了在输入电压为5V,输出电流变化到450mA过程中,输出电压实测变化曲线。输出电压从3.31V降低到3.291V,变动很小,表明等效串联电阻很小。

    image

    输入5V情况下,输出电压与稳压输出电压曲线

    将输入电压降低到4V,输出电压与输出电流之间的关系如下图所示:

    image

    输入4V时,输出电压与稳压电压关系曲线

    下图对比了两种输入电压下,输出电压对稳压的影响曲线。两种情况下输出电压曲线基本一样。

    image

    下面给出了另外一种常用的3.3V稳压芯片的测试对比结果。AS1117-3.3V是原来电路板中所使用的稳压芯片。希望替换成TPS7333芯片。

    下面是对1117基本稳压性能测试电路原理图:

    image

    AS1117稳压性能测试原理图

    实验电路使用相同的采样电路测量输出电流,输入电压使用程控可变电源提供电压。测试原理与TPS7333 一样。

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    测试AS1117实验电路

    下图给出了输入电压与输出电压的实测关系曲线。曲线大体也分为三个阶段:当输入电压小于0.7V的时候,输出电压基本为0V。当输入电压大于0.7V小于4.5V的时候,输出电压呈现线性增加。当输入电压高于4.5V之后,输出电压稳定在3.3V左右。

    image

    AS1117-3.3V输入电压与输出电压关系曲线

    将AS1117和TPS7333的实测数据曲线绘制在一起进行对比,可以明显看到他们的差别。TPS7333输入电压稳压起始点是3.35V左右,比起AS1117的4.65V扩展了1.3V。这使得TPS7333的电压稳压范围大大增加了,提高了电路抵抗电压波动的范围。

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    TPS7333与AS1117输入输出电压曲线

    在输入电压为5V的情况下,测量AS1117输出电流与输出电压之间的关系曲线,居然出现十分罕见的

    负阻抗特性。即随着输出电流增加,AS1117的输出电压居然上升。

    具有负阻抗输出特性的电路极易产生震荡。在AS1117稳压电路中,如果输入和输出回路的滤波电容设置不好,会造成输出电压包含有震荡波形。

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    AS1117的输出电压与稳压电压之间的关系

    下图对比了TPS7333和AS1117两款串联降压稳压电路输出电流与电压曲线。可以明显看出两者之间的区别。TPS7333下降的特性,表明它存在正的串联电阻,稳压电路工作的稳定性好。

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    对比TPS7333和AS1117输出电流与电压曲线

    为了保证TPS7333稳压电路稳定,输出不发生震荡,需要在它的输出端增加滤波电容和补偿串联电阻(CSR)。

    在TPS7333数据手册中给出了滤波器电容上所串联的CSR的允许范围。当CSR过小(小于0.3欧姆)或者过大(大于5欧姆)都会引起TPS7333输出不稳定。

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    保留TPS7333工作稳定时,输出电容的补充串联电阻允许范围

    在实际设计电路中,由于普通的电容都会有等效串联电阻,它是由电容的杂散漏电、介电损失等引起的等效电阻,所以通常不需要额外为TPS7333输出电容增加补偿串联电阻。

    image

    电容的等效串联电阻

    TPS7333内部还集成了反向保护二极管,当输入电压小于输出电压的时候,输出电压会通过反向保护二极管流向输入端,以保护内部电路的安全。节省外部保护电路设计。

    会飞的车模image

    会飞的车模

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    基于电池供电系统的MCU稳压电路设计


    1:电池和稳压芯片之间接滤波电感,可以有效防止电池电压脉冲对MCU的影响,如图1:

    图 1

    说明:IN-VCC 和 IN-GND 一般直接给电机模块供电; Outvcc 和 GND 给稳压芯片。


    2:稳压模块需要接滤波电容,一般情况下接 103 104 即可满足需求。如图 2:

     

    图  2


    3:电机模块的电源设计,如图 3:

    图 3


    说明:IN-VCC 和 IN-GND 是电池电压和地,要和MCU地隔离。



    4:信号地和电源地最好用0欧姆电阻隔离。如图 4:

    图 4



    5:MCU低压监控电路,采用AD 采集,利于设备调试时候检测电源电压,以防欠压复位,如图 5:

    图 5


    说明 :V_low_ADC  接MCU的AD口以上是以M3和M4内核为例 介绍MCU供电系统, 后续推出 USB 等相关外围模块的供电设计.............

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空空如也

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降压电路设计