张飞硬件设计与开发 学习笔记（第一部 线性稳压电源设计） 含理解，超详细！

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前言

此线性稳压电源设计以门控开关项目为例，包括内容详细见下图。

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一、线性稳压电源的设计

1.课程概述、交流到直流降压简介

交流转直流采用整流桥，见下图：

整流桥进行整流，这个时候电压要乘以1.414倍，如果电源输入为24V，那么变成了24*1.414，约等于34V。

初步电路搭建：


上图初步展示了从交流24V到直流5V的过程。
由于34V和5V的压差太大，因此进行了两次降压。第一次采用LM7815将电压从34V降至15V，第二次采用LM7805将电压从15V降至5V。

至此，初步电路搭建完毕。

2.整流原理介绍、电阻选型、二极管介绍

本节着重分析设计原理、波形分析、元件介绍以及设计过程。

此处采用的是全波整流，整流后的电压为输入的交流电压*根号2。

电阻：
电阻的选型着重关注阻值，封装，温度特性（初级设计阶段暂不考虑），精度（5%限流，1%分压，和场合有关）。

限流：

举例，限流差50R影响不大。

分压：

分压的两个电阻可能一个正偏5%，一个负偏，因此，电阻精度对分压影响较大。

电阻阻值的计算：

LED工作电压3.3V，那么电阻分压就是1.7V，二极管在3-10MA正常工作，假设需要提供10MA电流，流过电阻的电流也是10MA，电阻阻值课计算1.7V/10MA=0.17kR，也就是170R。（此处R也就是Ω）

电阻在选择阻值的同时，要注意功率的选择也非常的重要！
以上图为例：功率P=U^2/R，此处等于0.017W。
功率选择：功率大了成本大，功率小了会发热。
而电阻的功率和封装有关！
举例：0805封装功率要求小于0.125W，此处0.017W远小于0.125W，因此此处可以采用0805封装。

全桥整流滤波原理
部分电路如下图：

因为是交流输入，因此电压有正有负，就如上图中的波形所示。
全桥整流也就是通过二极管的单相导通性把负的部分整流到正的了。

二极管注意点：
二极管的单相导通性要求二极管压差至少要大于0.7V（压降），也就是二极管左边至少要比右边大0.7V才能导通。

3.电容的理解与选型

电容可以理解为水箱，储存的是正电荷，出去的电荷是平稳出去的，得到的是稳定的电压输出，这也就是电容的滤波作用，水箱简图如下：

电容相关PPT：

下面介绍一下电容类比水箱的详细含义：

上图的两个水箱高度虽然相同，但储存的水（电荷量）不同，这主要是由于水箱的底面积不同。
电容计算公式：
C=Q/V
（C：电容；Q：电荷量；V：电压）
把Q理解为水箱的体积（即可承载电荷量的数量），V理解为高度，C理解为底面积。
上图的2号水箱也正是因为底面积（电容C）更大，因此在相同高度（电压V）下可以承载更多的水（电荷量Q）。

电容有天生的抵抗性，充电时会有抵抗性
水龙头向水箱加水，高度差越大加水越快。博主是这么理解的，水在水龙头流出还没到达水箱时是在坠落的，因为重力加速度，水坠落的速度会越来越快，因此，水龙头与水箱的高度差越大，那么单位时间流入水箱的水就会越多（初中物理）。
上面理解后，我们继续类比电容：
水龙头距离水箱的高度理解为输入电压与电容两端电压的压差，一开始电容电压为0V，压差最大，因此刚开始充电速度快，随着电容充电，电容的电压越来越大，压差也就减小，那么充电速度也会慢慢减小，最终电容两端电压等于输入电压，无压差（也就相当于此时水龙头留下的水的速度为0，进入不了水箱，对于电容其实是保持了动态平衡），因此充电速度也就为0了。
示意图如下：

斜率大的时候充电速度快，而后越来越小，最终为0（实质上是动态平衡）。
充电电压曲线如下：

下图是充电电压波形方程，其中τ=RC。

下图是充电电流公式。

最终，电容实现了尽管输入有不稳定的波形，但输出是平稳的。
可以理解为输入就是置于水箱上方的水龙头，输出就是在水箱底部开的一个小孔。就算水龙头的输入不稳定，底部的输出是可以保持稳定的。
并且，后面的需求在不同的时候有多有少，有了水箱可以更好的满足需求。（不用的时候底部的孔关上，水一直蓄着，需要的少的时候开个缝，需要的大的时候缝开大点）

尽管如此，水箱的高度（电压V）还是会产生波动，下面开始解释：
比如水箱底面积（电容C）比较小，后面需求（对电荷量Q的需求）多一点，每次水放完水龙头正好向水箱冲水，假设水箱的最大高度时5V，就有可能产生0-5V的波动。如此大的波动是我们绝对不想看到的，那么我们该怎么办？
我们可以增加水箱的底面积（电容C），这样水箱在相同高度（相同电压V）下可以容纳更多的水（电荷量Q），因此后面即使对水的需求（电荷量Q的需求）较高，水箱的高度（电压V）不会产生那么剧烈的变化，因此波动可能就控制在2.5-5V波动。
那么，水箱底面积（电容C）再大一点可能只有在4.5-5V波动。
也就是水箱越大，需求不变的情况下，电压的波动越小；也就是电容越大越好，但是如果电容太大了成本就会高了。纹波就是指上面说到的波动量。

自然就引出了电容的计算公式：
C = Iout/(△V*f）
（Iout为输出电流，△V指允许的波动量，f指充电的频率）
还是类似水箱，Iout指的是对电荷量的需求大小，△V指水箱高度允许的变化大小，f指水龙头打开的频率。对水的需求越大、允许水箱高度变换的越小，水龙头开的更不频繁，水箱的底面积就需要越大。
举例：
电压纹波允许为0.9V，Iout为100ma，充电频率为54khz，带入公式计算电容C为2.1uF，也就是电容量大于等于2.1uF即可满足需求。

4.稳压电路的设计流程

举例
项目目的：点灯，LED（3.3V，10MA）
首先需要提供10MA电流 问题：如何产生？
那么就需要一个电源。

电源分电流源和电压源。电压源提供恒定电压，电流源提供恒定电流。

电流源一大缺点：
电流源有内阻，P=UI=I^2R 时时刻刻都在消耗功率。

而电压源当开关断开的时候，消耗的功率就为0，因此一般使用电压源。

不变电压要产生恒定电流，所以要进行限流，也就要用到电阻。那么电阻阻值如何确定？由电压源电压值和需求的电流大小确定。
DC-DC直流电源，有个降压过程，降压分为下面两种：分开关型电源模块和线性电源模块。
此项目采用线性电源模块。

几种常见的直流电压：+3.3V，+5V，+12V，+15V。
下面进行选择：
电阻有压降（分得部分电压），而LED也需要3.3V，所以电源电压至少要求大于3.3V，因此+3.3V用不了。因此此处采用+5V。对于为什么不用+12V和+15V的问题，这样理解：如果用+12V，电阻的功率为0.087W，如果是+5V，功率为0.017W，电阻消耗的功率属于无用功耗，设计电路要求无用的功耗要越小越好，所以不用+12和+15V，采用+5V即可。

电压选择好了，下面就是降压环节：
要降压到5V，可采用LM7805或者LM78L05。两者的区别如下：

LM7805可承受最大1A电流，LM78L05可承受最大0.5A电流（两者封装也不同）。
此处选择LM7805。
LM7805 将输入电压（大于5V）降压到稳定的5V

附：较为常见的交流电压
AC220V,110,120
AC24,14,16

假设此时要求的输入电压为交流16V，经过全桥整流为为161.414约等于24V。
下面计算LM7805功率：
压降24-5=19V
19V10MA 最后等于0.19W
LM7805电流可承受1A，功率在1-2W不会发热，最好不超过1W（电流和功率结合会限制到压降大小，通过的电流决定了压降大小）。此处是符合要求的。
使用LM7805一般都会配一个电容（极性电容，不能接反）

电容计算：
极性电容的选择要选择电压，电压选择要大于电路所在处的电压。注意计算中的频率f在半波整流中是50hz，在全波整流中是100hz（两倍）。
特别注意：电容在计算值基础上要留一点余量（电容本身有误差，电解液会挥发，容量会降低，满负荷工作会疲劳）所以要增加电容，可以比理论值放大5倍或10倍。

滤波电容选择：如果负载小于100-150MA，电容取220uF或者330uF就行（经验得出）。

电容规格（部分，不全）价格相差不大

5.元件详细选型

电解电容及瓷片电容的选择：
为什么选择电解电容：1uF以上一般就是用电解电容。容量大，精度小
小容量选择瓷片电容。容量小，精度高，其主要起储能和滤波作用，一般和电解电容配合使用

电解电容一般滤低频波
滤高频波一般还是要搭配小的瓷片电容

瓷片电容无极性，容量小，精度高，用于滤波和振荡电路。封装分插件和贴片，对高度有要求就用贴片，大部分单位都是pF。

尖峰电压与浪涌电流：
高dv/dt（高电压脉冲，尖峰电压）出现时，对负载有危害，这时候就需要一个小的滤波电容，通常取104电容（0.1μF的瓷片电容）（电容对电压天生阻碍作用，电容上的电压表现是渐变的过程，电压量不会突变，也就把尖峰电压滤掉了）
高dI/dt叫浪涌电流

应用：

如上图所示，大的电解电容旁边可以配一个104瓷片电容。

容抗：
Xc=1/(2πfc)
（f：频率；c：电容）

整流桥的详细介绍：
作用：交流变直流

整流桥AC输入上的波形：

二极管导通的波形：

二极管必须大于0.7V（导通压降）才导通
中间有导通角，导通角小于π
Uo=0.9Uin（因为导通压降）
以上是负载上没有加电容

如果负载上加了电容：

当输入电压小于电容电压就不充电了
因此，电容上的充电波形：

二极管承受的反向耐压：
充电反向到最大时，需要反向耐压是2*1.414Uac。（乘以2是因为全桥整流存在二极管两端突然反向的过程）
反向耐压也是二极管选择的重要因素之一。

4个二极管在一个周期中都只工作了一半的周期，因此二极管的电流是一半，即：
I0=（1/2）*IR

当负载开路时 ，Uc=1.414Uin
有负载时低于1.414，因此，整流桥的输出电压大概是在0.9-1.4Uin间波动。

整流桥电容选型：
电流是负载一半，也就是10/2=5MA（不低于），反向电压是2.8倍的Udc，2.8*24=67.2V
也就是承受的最大反向电压要大于67.2V
可以在一些官方网站上查找相关参数
如kbj4005，kbj401

可以查表得到：最大反向耐压、RMS是电压的有效值（相当于等效为直流电压【等效功率相等】）
左边能削掉的角下的第一脚就是正。
40表示通过电流可以是4A，05表示反向耐压是50V。

当二极管反向耐压过大的话会永久性损坏，可以类比水坝（二极管内部是PN结）。

浪涌电流：

同时，查表还可以得到二极管的伏安特性，为非线性特性。
初学阶段以上不必太过深究。

本例中可以选择KBJ401，其最大反向耐压为100V，有效是70V，符合要求。

最后对原理图进行标号：
最终绘制完成的原理图↑
接下来就是画板。

电阻的封装选择：插件、贴片
本例中是0.017W，再留一点余量，可以选择0805封装（用的比较广泛）。
电容封装与电阻类似，104也可以用0805。
极性电容封装有高度要求，可以选择矮胖型，高型的，也要看厂家，此处也可以选择0805。

6.稳压管，三极管应用，成本控制方案二

首先对之前完成的原理图进行成本估算：
生成BOM表：


想办法降成本的方案：
比如整流桥自己用四个二极管进行代替，以及降压部分不采用LM7805，自己设计
整流桥中的二极管，前面讲到，反向电压是2.8倍的电容上的电压 ，电流是一半，5MA
二极管IN4148，使用十分广泛，可以查找资料，满足此例的要求。

稳压管规格（有3V，4.3、5.1、5.6、8.3、13、18、27、30、50）

24-5.6=18.4V
稳压管要过2MA电流，那么电阻阻值选择为18.4V/2MA=9kR

加了负载之后出现问题：负载的电流不够用了
那么就要放大电流，设计到了三极管
三极管特性：
1.流控流Ib有电，Ic就有电流
2.有放大功能，IC电流是IB的90-100倍，IB上有1MA电流，IC上约为100MA
IC=100IB
3.IB越大（IB>=1MA时），CE间电阻近似为0，也就是短路，Vce约等于0.3V
4.当IB导通(>1MA)时，Vbe=0.7V
5.Vbe大于0.7V，那么Ic无穷大，也就是导通

负反馈，最终将负载电压控制在5v
三极管CE的压降也就有19V的压降，LED电流在10MA
19*0.01=0.19W，也就是三极管的功耗在0.19W

封装
TO-92 TO-23
0.625W 0.25W
这里选择用TO-92封装
2N3904最大可通过电流大概在200MA左右 ，这里可采用。

二极管电流在4MA左右，功率大概0.0224W，封装melf。

最终部分电路如下：

分析：
实现的目标是给后面一个稳定的5V输入电压，前面输入为24V电压，这里采用稳压管（5.6V稳压）实现，三极管的CB是不通的，不能产生电流，因此加了一个4K5的电阻为稳压管提供了一个回路，落在电阻上的电压为24-5.6=18.4V，计算可得流过的电流约为4MA左右（大于2MA），因此稳压管可以稳定到5.6V；
此时，稳压管上方电压为5.6V，三极管CE仍是未导通状态，因此通过BE二极管产生0.7V 左右压降为后面输出5V，5V通过负载后产生电流，会再次留到稳压管进入三极管B端，因此产生了IB电流，此时会导致CE逐渐导通，24V直接输出到了E端，但此时E端电压远远高于B端，三极管被截止，CE不导通，可以理解为24V只是个瞬间状态（况且有电容，因此电压不会突变）；
等到E端电压再次小于5V，三极管再次导通；
通过上述，此电路可以将负载电压稳定在5V左右。

稳压管要稳定在5.6V，需要一个回路。

左边的瓷片电容滤的是放大前的，只需要小一点，右边的则是放大100倍之后的，需要104这种大一点的（区别）
电流大小为什么会影响滤波电容大小？
视频解释：B端电流小，用小的滤波电容，E端后面的电流是100倍，因此用大的，所以，电流大小也会决定滤波电容的大小。

4k5电阻功率：18.4*18.4/4.5/1000=0.075W，也可以用0805封装。

最终的总体呈现：

局部：

下面开始标号

小补充：
看Datasheet要看什么：电气参数，电流参数，速度，极电容，温度特性，功率曲线…
看曲线是为了以防万一进入危险区。

最终：

再行计算方案二成本：

相比原方案，成本降低了一半多，还是比较显著的。
因此可以看出，用分离元件搭建的电路成本会大大降低。

当然，不是作为硬件工程师给公司设计产品性质的电路板就完全没有这样控制成本的必要了。

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总结

以上就是线性稳压电源从无到有的全过程了，以上包含了博主自己在听课过程中的理解和思考，也许会稍有偏差，欢迎指正！