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一种高精度低纹波的DC-DC电源设计
刘金涛;田书林;付在明
【期刊名称】《中国测试》
【年(卷),期】2010(036)006
【摘要】针对精密仪器电源需求,设计了一种高精度低纹波DC-DC电源模块,该模块实现了极低导通电阻的模拟开关,设计了应用开关电源方式的直流电压转换电路,提出了一种将负电平电流吸收源改进为电流输出源的电路设计方法.针对开关电源的EMC电路特性,可将设计的EMI滤波电路中的电源输出纹波减少到最小程度,并对电源完整性进行了分析和印制板设计分析.实践证明,该电路很好地满足了精密仪器的电源要求.
【总页数】3页(P62-64)
【作者】刘金涛;田书林;付在明
【作者单位】电子科技大学自动化工程学院,四川成都611731;电子科技大学自动化工程学院,四川成都611731;电子科技大学自动化工程学院,四川成都611731【正文语种】中文
【中图分类】TN86;TP303+.3
【相关文献】
1.一种新型低纹波高精度数控直流电流源 [J], 吴谨绎;张永忠;张凌涛
2.一种高效率低纹波的降压型DC-DC变换器设计 [J], 张超洋;周启忠;张涛
3.一种高效率大电流的DC-DC降压电源设计 [J], 胡玉松
4.一种低纹波高精度数控直流电流源的研制 [J], 肖卫初;何燕飞
5.高精度DC-DC电源设计 [J], 屈召贵;周永强
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设计制作一款超低噪音超低纹波HIFI电源在集成电路流行前，人们用分离元件制作稳压电源。
后来，三端稳压IC开始流行，这些IC使用简便，体积小，性能不俗，价廉物美。
如果你不在乎价格，市场上有很多改进型的集成稳压可以买到。
所以现在的DIYER很少有人愿意回到用分离元件自己制作稳压电源。
但是，集成三端稳压也有一些致命的缺点：1、输入输出电压或电压差有限制;比如78系列最高输入电压是35V，317系列输入输出压差必须保持在35V以内。
2、大电流输出能力有限;受制于产品封装以及内部调整管的性能，大部分三端稳压芯片仅可提供1A 的输出电流能力，好点的也最多达到3A。
3、纹波抑制能力有限;受制于内部集成的741一辈爷爷级运放的增益带宽积和转换速率指标，大部分三端稳压的纹波抑制能力相当有限。
尤其是在较高的频率下，仅是低频的1/10能力都没有。
上述缺点严重限制了传统三端稳压芯片在音频电路尤其是在需要高电压，大电流的情况比如功放等上面的应用。
那么，我们DIY是否有能力做到性能超越三端稳压，成本不高，适用范围广的分立元件稳压电路呢?其实，拥有一个好的运放，一些常规电阻电容，一个好的参考电压源以及一些常规的晶体管，只要我们不追求体积，DIYer完全可以做出超越三端稳压IC的线性稳压电源！要实现超越，我们必须先研究清楚常规三端稳压电路的工作机理，并回顾和总结前人所设计制作的优秀之作，并吸取其精华，利用日新月异的新器件，新思路，来设计并制作适合业余DIY的分立模拟稳压电源。
一、线性稳压电源如何工作？这个是个标准的线性稳压器的简化方块图：线性稳压器简化图上图为串联型线性稳压电源，因为调整三极管是串联在输入和输出中间的。
通过控制调整三极管的基极电压的方法来控制三极管输出脚的电压。
连接误差放大器的一个输入脚的是参考电压VREF。
连接误差放大器另一个输入脚的是一个电压分压器的中点电压。
任何运放都会通过调节输出电压的方式来使两个输入端保持平衡。
设计制作一款超低噪音超低纹波HIFI电源在集成电路流行前，人们用分离元件制作稳压电源。
后来，三端稳压IC开始流行，这些IC使用简便，体积小，性能不俗，价廉物美。
如果你不在乎价格，市场上有很多改进型的集成稳压可以买到。
所以现在的DIYER很少有人愿意回到用分离元件自己制作稳压电源。
但是，集成三端稳压也有一些致命的缺点：1、输入输出电压或电压差有限制;比如78系列最高输入电压是35V，317系列输入输出压差必须保持在35V以内。
2、大电流输出能力有限;受制于产品封装以及内部调整管的性能，大部分三端稳压芯片仅可提供1A 的输出电流能力，好点的也最多达到3A。
3、纹波抑制能力有限;受制于内部集成的741一辈爷爷级运放的增益带宽积和转换速率指标，大部分三端稳压的纹波抑制能力相当有限。
尤其是在较高的频率下，仅是低频的1/10能力都没有。
上述缺点严重限制了传统三端稳压芯片在音频电路尤其是在需要高电压，大电流的情况比如功放等上面的应用。
那么，我们DIY是否有能力做到性能超越三端稳压，成本不高，适用范围广的分立元件稳压电路呢?其实，拥有一个好的运放，一些常规电阻电容，一个好的参考电压源以及一些常规的晶体管，只要我们不追求体积，DIYer完全可以做出超越三端稳压IC的线性稳压电源！要实现超越，我们必须先研究清楚常规三端稳压电路的工作机理，并回顾和总结前人所设计制作的优秀之作，并吸取其精华，利用日新月异的新器件，新思路，来设计并制作适合业余DIY的分立模拟稳压电源。
一、线性稳压电源如何工作？这个是个标准的线性稳压器的简化方块图：线性稳压器简化图上图为串联型线性稳压电源，因为调整三极管是串联在输入和输出中间的。
通过控制调整三极管的基极电压的方法来控制三极管输出脚的电压。
连接误差放大器的一个输入脚的是参考电压VREF。
连接误差放大器另一个输入脚的是一个电压分压器的中点电压。
任何运放都会通过调节输出电压的方式来使两个输入端保持平衡。
第28卷第1期 强激光与粒子束V I 28, N o. 1 2016 年1 月H IG H POWER LASER A N D P A R T IC LE BEAMS Jan. , 2016200 k V低纹波高稳定度直流高压电源李亚维，谢敏，蓝欣，刘云涛，马成刚，吴烈(中国工程物理研究院流体物理研究所，脉冲功率科学与技术重点实验室，四川绵阳621900)摘要：直流高压电源在科学实验和工业生产中有着广泛的运用，传统高压直流电源是通过工频变压器 直接升压，再经整流滤波得到所需要的高压，普遍存在精度低、调整复杂、纹波系数大等诸多缺陷。
本系统基于全桥逆变、倍压整流和脉宽控制技术，设计了用于电子束离子阱装置的直流高压电源，采用高频逆变、正负双向倍压整流、电压电流双环控制等方法，实现了直流高压输出。
结果表明，所设计的直流高压电源具有稳定性好、纹波小、可靠性高、系统安全等特点，最终输出的电压在0〜200 k V连续可调，纹波和稳定性都小于0.01%，满足实验需求。
关键词：直流高压电源；双向倍压；低纹波；高稳定度中图分类号：T P2 文献标志码：A doi：10.11884/HPLPB201628.015016高压电源的应用十分广泛，不仅应用于雷达对抗、电磁炸弹、电子回旋加速器，同时还应用于安全检查（机 场、车站、码头和重要公共场所等）医疗检测和工业探测中的x光机[-2]、表面处理中的静电喷涂、环境保护中的静电除尘[34]，也应用于日常生活中的阴极射线管显示器、显像管电视机、电蚊拍、臭氧发生器等领域[56]。
目前，高压大功率电源已普遍应用开关电源技术，但受高频高压变压器分布参数不易控制、大功率半导体开关速度低损耗高、高压硅堆反向恢复时间慢等因素的制约，国内研制的此类电源的开关频率普遍在20 k H z左右，较低的开关频率限制了高压电源及其用户设备的小型化和轻量化工作。
成都理工大学研制了 25k V高精度直流负高压电源。
新型低纹波高压直流电源方案高压直流电源已越来越广泛的应用于工业、医学、核物理、检测等领域。
对于X 光机，粒子加速器，电子束焊机，电子束曝光机等一些应用场合，对电压的水平要求比较高，它们均要求低纹波电压。
文章对几种用于高压直流电源的电路拓扑结构分别进行了介绍，并对它们进行了比较，指出了各自的优缺点。
近年来，随着新的电力电子器件的应用使得高压直流电源出现了频率高，效率高，功率密度高，可靠性高等新特性。
高频化可以提高电源性能，减少变压器的体积和纹波系数，但也带来了新的技术问题。
过高的频率会导致开关管开断频繁，开关损耗增大，影响开关管寿命并使整机效率下降。
鉴于以上问题，本文采用双路电源并联输出的方法得到低纹波直流。
在开关管频率受限的今天，本方法可以在频率较低的情况下得到低纹波直流。
1 主回路工作原理电源的系统框图及主回路原理图别如图1 和图2 所示。
图1 系统框图图2 电源主回路原理图主电路含有两套完全相同的半桥逆变电路，逆变开关元件选用IGBT.每一路均采用独立的三相全控整流桥供电，逆变电路采用PWM 方式，工作频率远高于谐振频率，逆变后的电压波形为方波。
电路的功率调节通过控制全控整流桥的移相角来实现。
IGBT 的触发脉冲参数：0 kHz~20 kHz、占空比45%，-5 V~+15 V，上下桥臂脉冲相差半个周期如图3 所示，两路半桥逆变电路的输出波形如图4 所示。
将两路电压并联，即可得平直电压。
图3 IGBT 触发脉冲波形图4 输出电压波形示意图输出纹波和输出电容的关系为：可见，加大输出电容值也可以减少纹波，或者采用多个电容并联的方式减少ESR 值。
2 电压跟踪电路由于采用两路输出并联来获得平直的直流电压，设备正常工作的关键问题是两路并联电源的电压平衡问题，即要求两路输出的电压幅值时刻保持相同。
为使两路输出保持一致，元器件参数应选取一致，还需要一套输出电压检测、比较及自动调节电路，实际设计的电路工作过程如图5 所示。
低涟波直流电源的设计与实验第一章引言低涟波直流电源是现代电子系统中常用的电源，其具有低涟波噪声、高精度调节、高效率等优点。
本文将介绍低涟波直流电源的设计与实验，包括电源的原理、电源的设计、实验过程和结果分析。
第二章低涟波电源的原理低涟波电源的设计目的在于降低电源输出涟波，使其稳定可靠，满足需要。
主要采用三种方式进行设计，包括电源滤波、电源隔离、电源负载的控制等方法。
下面将详细介绍这些方法的原理。
2.1 电源滤波电源滤波可以通过添加电容器来减少不稳定电流的波动，使输出电源信号变得更加平滑、稳定。
当交流信号通过一个电容器后，会被挡住，将只有直流电流来驱动负载。
因此，在电源设计时加入高品质的滤波器以过滤电源中的不稳定信号，能够有效地降低涟波。
2.2 电源隔离隔离电源是指将电源与负载分离，从而提高电源的稳定性和可靠性。
它是通过使用一个隔离变压器来将负载隔离开来实现的。
隔离变压器是一类具有一个或多个分别绕在两个不同的磁芯上的反馈变压器。
2.3 电源负载的控制电源负载控制是指通过控制电源电压来达到控制负载的目的，可以减少负载对电源输出的干扰。
具体方式可以采用基于微处理器的负载控制技术、负载自适应控制技术等，通过动态调整电源的输出量以控制负载。
第三章低涟波电源的设计本节将结合实际进行低涟波电源的设计流程。
首先，我们需要选取适当的元件，如环氧树脂变压器、高效铝电解电容器等，进行连接。
例如，我们可以选用三种电源隔离方式实现隔离，具体连接方法如下：3.1 隔离变压器连接图通过使用隔离变压器，能够有效地将电源与负载分离，降低电源波动，从而获得稳定的输出电源。
3.2 负载隔离连接图在电路中插入高品质的电阻作为负载，能够有效地降低负载对电源输出的干扰，同时实现电源隔离。
3.3 高精度稳定器连接图高精度稳定器可以通过不断调节电源的电压来达到控制负载的目的，从而减少负载对电源的影响。
第四章低涟波电源的实验通过实验，我们能够检验设计的电源是否合理、功率是否稳定。
战现•综合］信息记录材料2019年3月第20卷第3期_____________________________________________________双电池低纹波直流稳压电源设计姜丽萍(西安石油大学陕西西安710065)【摘要】基于蓄电池无纹波特性，设计了一种双电池低纹波直流稳压电源。
分析了由蓄电池到输出直流电压的设计方案，给出了以LM317、LM337可调线性稳压芯片为核心的外围电路设计和四刀双掷开关充放电控制电路，并对纹波进行测试。
测试结果表明该双电池低纹波直流稳压电源实现了输出电压纹波低、输出电压可调的功能.【关键词】蓄电池；低纹波；电压可调【中图分类号】TM1【文献标识码】A【文章编号】1009-5624(2019)03-0228-021引言随着科技的高速发展，各类仪器、电子电路等对电源的要求愈来愈高卜役在惯性导航系统中，因传感器输出信号微弱，给传感器供电的电源纹波很大程度上影响着姿态测量精度。
因而需设计一款低纹波，输岀电压可靠的直流稳压电源。
目前常用的直流电源有三类：开关电源、线性电源和蓄电池。
开关电源具备体积小、质量轻、输岀范围宽等优点，但存在尖峰及谐波干扰，纹波控制技术有限。
线性电源结构较为简单、输出纹波较小，但其体积大、质量重、滤波电容容量大。
蓄电池无纹波，但电池容量受限本文针对惯性导航系统中高精度姿态测量问题，设计—款双电池供电的低纹波直流稳压可调电源，解决姿态传感器的供电问题。
2系统设计方案本电源设计釆用四组双电池实现电源低纹波输出要求, 220V交流电通过电源适配器及充电选择电路对所需充电的电池组进行充电，通过供电选择及电压调整电路，输出所需电压，同时通过数码管显示蓄电池组当前电压及输岀电压。
3系统电路设计3.1正输岀电路设计本设计系统中，为实现两组电池工作的高效切换，输出持续稳定、可调且低纹波电压，通过电路设计，电池具备充电、供电、备用三种状态。
惯性导航系统中常用传感器供电电压为9〜12V,为保证稳定输出9V以上的电压，LM317输入端电压与输出端电压电压差必须在3V以上，而常用蓄电池的电压为12V,市场上24V的蓄电池较少，因此将两个12V蓄电池串联来满足9V以上电压稳定输出。
低纹波双电池直流稳压电源设计与实现李杰;程为彬;冯笃;满荣娟【摘要】为实现供电电源的低纹波输出，采用纹波控制方法，设计了一种双电池充供欠满自主切换的低纹波直流电源，并对电源进行纹波特性测试。
原始信号通过电压采集电路传输给控制主电路，控制主电路依据采集到的电压信号和继电器开关的通断原则来控制充供电选择电路，可供电电池通过线性电压调整电路即可实现一路5V和两路可调电压输出，实现了从充电到供电的低纹波直流稳压输出。
电源纹波测试采用同轴电缆测试装置，测试数据表明：低纹波直流稳压电源运行状况良好，输出电压稳定，与其他直流电源相比，在纹波控制方面具有较大优势。
%In order to realize the low⁃ripple output of the power supply,a low⁃ripple dual battery DC power supply was de⁃signed with the ripple controlmethod,which can switch from the low power state to full power state automatically. The ripple characteristic test for the power supply was performed. The original signal is transmitted to the main control circuit through the voltage acquisition circuit,and then the main control circuit is used to control the charging and supplying power selection circuit according to the on⁃off principle of the relay switch and collected voltage signal. The power supply battery can realize +5V volt⁃age output in one channel and adjustable voltage output in two channels through the linear voltage adjustment circuit. The low ripple DC voltage regulator outputfrom charging state to supplying power state was implemented. Acoaxial⁃cable testing device was adopted in power supply ripple test. The test data shows that the low ripple DC regulated power supply has goodrunning condition and greater advantage in ripple control in combination with other DC power supply,and its output voltage is stable.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2016(039)014【总页数】4页(P150-153)【关键词】直流电源;低纹波;双电池;通断原则【作者】李杰;程为彬;冯笃;满荣娟【作者单位】西安石油大学电子工程学院，陕西西安 710065;西安石油大学电子工程学院，陕西西安 710065;西安石油大学电子工程学院，陕西西安 710065;西安石油大学电子工程学院，陕西西安 710065【正文语种】中文【中图分类】TN86-34;TP303+.3提高参数测量精确度的重要方法是降低各类误差，其中直流电源纹波是产生误差的主要根源之一。
高稳定度低纹波的线性稳压电
设计制作了一款基于LT1083/LT1033 系列大功率低压差三端稳压芯片的高稳定度低纹波直流电源，介绍了降压、整流滤波、线性稳压、LC 低通滤波等主要构成模块。
测试结果表明，本电源具有输出电压稳定度高、输出电流大、低纹波、低功耗等特点。
1 系统总体方案设计
本设计由降压模块、整流滤波模块、线性稳压模块和低通滤波模块组成，如图1 所示。
变压器将220 V/50 Hz 交流电分别降压到±16 V、±6 V、+6 V, 通过整流桥堆整流以及大容量电容滤波后，进入正( 负) 线性稳压模块，再经过低通滤波模块滤除直流以外的干扰信号，分别输出±15 V、±5 V、+5 V 的稳定电压。
高稳定度低纹波直流电源设计线性稳压电源被广泛应用于科研、电力电子、电镀、广播电视发射、通信等领域，是大专高等院校、实验室等进行电子电路研究不可或缺的仪器设备。
但是传统线性稳压电源存在变压器转换效率低、稳压芯片压差大、滤波电路不够完善等缺点，时常出现输出纹波大、效率低、发热量大、间接地给系统增加热噪声等问题。
在历年的电子设计竞赛中，作品在比赛场地测试正常，但在指定测试场地测评时，电路突然烧毁或者性能指标达不到原先水平的现象时有发生，一个重要的原因就是测评场地提供的稳压电源电压波动大、供电电流不稳定、正负电压不匹配。
因此，高稳定性、低纹波的稳压电源是科研创新和电子设计竞赛不可或缺的保障。
1 系统总体方案设计
本设计由降压模块、整流滤波模块、线性稳压模块和低通滤波模块组成，如图1 所示。
变压器将220 V/50 Hz 交流电分别降压到±16 V、±6 V、+6 V，通过整流桥堆整流以及大容量电容滤波后，进入正（负）线性稳压模块，再经过低通滤波模块滤除直流以外的干扰信号，分别输出±15 V、±5 V、+5 V 的稳定电压。
2 主要功能模块分析
2.1 整流滤波模块
整流滤波电路主要由整流桥堆和大容量滤波电容组成，如图2 所示。
整流桥堆具有体积小巧、输出电流大、安装方便等优势，并能代替由4 只二极管组成的传统桥式整流电路。
滤波电路采用大容量电解电容滤波，增加了输出电压的稳定性。
根据式（1）可求出所需滤波电容容量。
当输出电压为5 V、电流为2 A 时，R=U/I=2.5 Ω，此时，C=
kT/2R =20 000 μF，其中，k=5 。
电容耐压Umax≥√2Ui≈24.038 V.其中，Ui=17 V，因此Umax取值为25 V.在电解电容C6 两端并联一个0.01μF 的瓷片电容C10 可以有效抑制高频干扰。
图2 桥式整流滤波电路
2.2 线性稳压模块
LT1083/LT1033 系列正负可调稳压器的效率大大高于现有器件，可以提供7.5 A、5 A 和3 A 输出电流，并能在低至1 V 的压差条件下运行，压降在最大电流条件下保证在1.5 V 以内。
负载电流减小时允许压差同时减小，可在多种电流水平条件下通过片内修整电路，提供所保证的最小压差，并能够使输出电压准确度调节至1%.其电压调整率为0.015%，负载调整率为0.01%，对电流限值也进行了修整，最大限度地减小了过载条件下稳压器和电源电路上承受的应力，具有热功耗限制保护［10］.LT1083/LT1033 系列器件的引脚与老式三端稳压器兼容，与大多数稳压器设计中的10 μF 输出电容器以及PNP 稳压器多达10%的输出电流作为静态电流消耗不同，LT1083/LT1033 系列的静态电流流入负载，大大降低了电源功耗。
此芯片电压调整率小、负载调整率小的特点能够保证输出电压稳定度高。
正负线性稳压模块电路如图3 所示，其中R1=R3，R2=R4.电路中的电阻参数可根据输出可调电压公式确定：
其中，Uref=1.25 V，IADJ=50 μA，R1=200 Ω。
图3 正负线性稳压模块电路
2.3 低通滤波模块
低通滤波电路采用LC 滤波电路，滤波电容为4 700 μF电解电容和0.01 μF 瓷片电容，能有效减少直流的纹波和高频干扰，两个33
μH/3A 功率电感并联可以隔离交流并提高输出电流。
截止频率：其中，L=33 μH，C=4 700 μF，图4 为低通滤波器电路图。
图4 LC 滤波电路
3 电源性能测试
测试仪器采用固纬4 位半数字万用表（GDM-8245）、上海爱仪交流毫伏表（AS2294D）和调压变压器（TDGC -0.5/0.5）。
负载电阻
采用水泥电阻（2.5Ω/20 W、5Ω/20 W、15Ω/20 W）。
电源性能参数如表1 所示。
可以看出，负载调整率和电压调整率反映出了电源较高的稳定度，纹波系数指标反映出低纹波特性。
表1 电源性能参数表
传统稳压电源因其电压波动大、效率低、体积庞大等缺点影响了电子产品的各项性能指标。
本文设计制作的电源不仅具有高稳定性、低纹波的优点，而且输出电压可调、电压波动小、带负载能力强、体积小巧。
由于本文所设计的电源具有非常小的电压调整率，一旦设置好电压，即使电网波动，电源也能保证输出电压与设置电压相同，为微弱信号和高频信号的处理提供有力的保障，不仅能有效地避免在电子竞赛测评时由于更换电源而导致的作品性能指标下降甚至烧毁的事件发生，而且对于电子线路的各项研究有十分重要的意义。
