電源模塊電路圖解析

電源模塊電路圖解析

　　單片機最小系統原理圖及單片機電源模塊/復位/振蕩電路解析 - 單片機

　　單片機最小系統主要由電源、復位、振蕩電路以及擴展部分等部分組成。最小系統原理圖如圖所示。

　　電源模塊

　　對于一個(gè)完整的電子設計來(lái)講，首要問(wèn)題就是為整個(gè)系統提供電源供電模塊，電源模塊的穩定可靠是系統平穩運行的前提和基礎。51單片機雖然使用時(shí)間最早、應用范圍最廣，但是在實(shí)際使用過(guò)程中，一個(gè)和典型的問(wèn)題就是相比其他系列的單片機，51單片機更容易受到干擾而出現程序跑飛的現象，克服這種現象出現的一個(gè)重要手段就是為單片機系統配置一個(gè)穩定可靠的電源供電模塊。

　　電源模塊電路圖

　　此最小系統中的電源供電模塊的電源可以通過(guò)計算機的USB口供給，也可使用外部穩定的5V電源供電模塊供給。電源電路中接入了電源指示LED，圖中R11為L(cháng)ED的限流電阻。S1 為電源開(kāi)關(guān)。

　　復位電路

　　單片機的置位和復位，都是為了把電路初始化到一個(gè)確定的狀態(tài)，一般來(lái)說(shuō)，單片機復位電路作用是把一個(gè)例如狀態(tài)機初始化到空狀態(tài)，而在單片機內部，復位的時(shí)候單片機是把一些寄存器以及存儲設備裝入廠(chǎng)商預設的一個(gè)值。

　　單片機復位電路原理是在單片機的復位引腳RST上外接電阻和電容，實(shí)現上電復位。當復位電平持續兩個(gè)機器周期以上時(shí)復位有效。復位電平的持續時(shí)間必須大于單片機的兩個(gè)機器周期。具體數值可以由RC電路計算出時(shí)間常數。

　　復位電路由按鍵復位和上電復位兩部分組成。

　　(1)上電復位：STC89系列單片及為高電平復位，通常在復位引腳RST上連接一個(gè)電容到VCC，再連接一個(gè)電阻到GND，由此形成一個(gè)RC充放電回路保證單片機在上電時(shí)RST腳上有足夠時(shí)間的高電平進(jìn)行復位，隨后回歸到低電平進(jìn)入正常工作狀態(tài)，這個(gè)電阻和電容的典型值為10K和10uF。

　　(2)按鍵復位：按鍵復位就是在復位電容上并聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)，當開(kāi)關(guān)按下時(shí)電容被放電、RST也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會(huì )保持一段時(shí)間的高電平來(lái)使單片機復位。

　　振蕩電路

　　單片機系統里都有晶振，在單片機系統里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結合單片機內部電路產(chǎn)生單片機所需的時(shí)鐘頻率，單片機晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片接的一切指令的執行都是建立在單片機晶振提供的時(shí)鐘頻率。

　　在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達百萬(wàn)分之五十。高級的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內調整頻率，稱(chēng)為壓控振蕩器(VCO)。晶振用一種能把電能和機械能相互轉化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩定，精確的單頻振蕩。

　　單片機晶振的作用是為系統提供基本的時(shí)鐘信號。通常一個(gè)系統共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過(guò)電子調整頻率的方法保持同步。

　　晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統所需的時(shí)鐘頻率。如果不同子系統需要不同頻率的時(shí)鐘信號，可以用與同一個(gè)晶振相連的不同鎖相環(huán)來(lái)提供。

　　STC89C51使用11.0592MHz的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機內部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個(gè)晶振和兩個(gè)電容即可，電容容量一般在15pF至50pF之間。

　　如何調試開(kāi)關(guān)電源電路？ - 電源

　　有一些經(jīng)驗可以共享給大家：

　�。�1）電源電路的輸出通過(guò)低阻值大功率電阻接到板內，這樣在不焊電阻的情況下可以先做到電源電路的先調試，避開(kāi)后面電路的影響。

　�。�2）一般來(lái)說(shuō)開(kāi)關(guān)控制器是閉環(huán)系統，如果輸出惡化的情況超過(guò)了閉環(huán)可以控制的范圍，開(kāi)關(guān)電源就會(huì )工作不正常，所以這種情況就需要認真檢查反饋和采樣電路。特別是如果采用了大ESR值的輸出電容，會(huì )產(chǎn)生很多的電源紋波，這也會(huì )影響開(kāi)關(guān)電源的工作的。

　　電源諧振轉換器電路的設計方法 - 電子技術(shù)

　　和傳統脈寬調制（PWM）電源轉換器不同的是，諧振轉換器通過(guò)頻率調制來(lái)調節輸出電壓。因此，諧振轉換器的設計方法也與PWM轉換器的設計方法有所異。在各種類(lèi)型的諧振轉換器中，圖1的LLC串聯(lián)諧振轉換器（LLC-SRC）格外引人矚目，因為它有更強的輸出調節功能、更小的循環(huán)電流和更低的電路成本。

　　串聯(lián)諧振特性允許直流（DC）/DC LLC-SRC中的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )（如圖2所示）擁有很寬范圍的零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）；因此，LLC-SRC能在前端電源應用中輕松實(shí)現超過(guò)94％的效率，并能在高開(kāi)關(guān)頻率下運行。

　　和PWM轉換器的設計過(guò)程相似，當設計LLC-SRC時(shí)，第一個(gè)步驟是選擇滿(mǎn)負載情況下所需的工作頻率。剩下的步驟就不同了，因為諧振轉換器里沒(méi)有占空比因數。在LLC-SRC中占空比保持不變，是50％，非常理想。圖3展示了LLC-SRC的設計流程圖（來(lái)自TI電源設計研討會(huì )主題“設計 LLC諧振半橋電源轉換器”）。

　　Mg/Qe和Mg/fn圖表中的增益曲線(xiàn)是由圖1所示的LLC諧振槽路（它也是LLC諧振半橋轉換器的線(xiàn)性化電路）衍生而來(lái)的。

　　圖3提供了LLC諧振半橋轉換器的簡(jiǎn)單電路參數選擇過(guò)程。通過(guò)檢查增益曲線(xiàn)上的fn_min、fn_max位置，您就能設計出在所有輸入條件下開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )上均具有ZVS的高效LLC諧振半橋變換器。

　　當設計LLC諧振半橋變換器時(shí)，請謹記：

　　任何時(shí)候，在Mg/fn圖表中fn_min都需要高于增益曲線(xiàn)的脊線(xiàn)。這是為確保金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）能保持ZVS狀態(tài)。LLC-SRC的效率只能在一個(gè)操作點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。當fsw= fo時(shí)，串聯(lián)Lr和Cr變成零阻抗狀態(tài)（圖4）；該轉換器在那個(gè)點(diǎn)具有最高的效率。您需要決定自己想優(yōu)化的線(xiàn)路/負載條件，并確保您的開(kāi)關(guān)頻率在那樣的條件下是諧振頻率。

　　等離子和液晶電視如今已經(jīng)走入了千家萬(wàn)戶(hù)，這兩種電器的開(kāi)關(guān)電源設計比較特殊，只能采用有源或者無(wú)源PFC模式，并且需要能夠長(cháng)時(shí)間在無(wú)散熱通風(fēng)的環(huán)境下工作。這就要求電源不僅要擁有高功率密度和平滑的電磁干擾信號，還要盡量少的使用元器件。而在這些方面，半橋LLC諧振轉換器擁有諸多的優(yōu)勢。

　　半橋LL諧振電容和諧振電感的配置

　　單諧振電容和分體諧振電容都存在于半橋轉換器當中。對于單諧振電容配置而言，它的輸入電流紋波和均方根（RMS）值較高，而且流經(jīng)諧振電容的均方根流較大。這種方案需要耐高壓（600~1，500V）的諧振電容。不過(guò)，這種方案也存在尺寸小、布線(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

　　分體諧振電容相較于單個(gè)諧振電容而言，其輸入電流紋波和均方根值較小。諧振電容僅處理一半的均方根電流，且所用電容的電容量?jì)H為單諧振電容的一半。當利用鉗位二極管（D3 和D4）進(jìn)行簡(jiǎn)單、廉價(jià)的過(guò)載保護時(shí)，這種方案中，諧振電容可以采用450V較低額定電壓工作。顧名思義，半橋LLC轉換器中包含2個(gè)電感（勵磁電感Lm 和串聯(lián)的諧振電感Ls）。根據諧振電感位置的不同，諧振回路也包括兩種不同的配置，一種為分立解決方案，另一種為集成解決方案。這兩種解決方案各有其優(yōu)缺點(diǎn)，采用這兩種方案的LLC的工作方式也有輕微差別。

　　將諧振電感安裝在變壓器外面是有目地的。其能夠幫助設計者提高設計的靈活性，令設計人員可以靈活設置Ls和Lm的值;此外，EMI幅射也更低。不過(guò)，這種解決方案的缺點(diǎn)在于，變壓器初級和次級繞組間的絕緣變得復雜，并且繞組的冷卻條件變差，并需要組裝更多元件。

　　在另一種集成的解決方案中，變壓器的漏電感被用作諧振電感（LLK=LS）。這種解決方案只需1個(gè)磁性元件，而且會(huì )使得開(kāi)關(guān)電源的尺寸更小。此外，變壓器繞組的冷卻條件更好，且初級和次級繞組之間可以方便地實(shí)現絕緣。不過(guò)，這種解決方案的靈活性相對較差（可用的LS電感范圍有限），且其EMI幅射更強，而初級和次級繞組之間存在較強的鄰近效應。

　　電容濾波電路的性能特點(diǎn) - 電源

　　由電容濾波電路的原理分析可知，電容濾波電路有如下特點(diǎn)：

　�。�1）二極管的導電角q<p，流過(guò)二極管的瞬時(shí)電流很大。電流的有效值和平均值的關(guān)系與波形有關(guān)，在平均值相同的情況下，波形越尖，有效值越大。在純電阻負載時(shí)，變壓器副邊電流的有效值I2=1.11IL，而有電容濾波時(shí)

　�。�2）負載平均電壓VL升高，紋波（交流成分）減小，且RLC越大，電容放電速度越慢，則負載電壓中的紋波成分越小，負載平均電壓越高。

　　為了得到平滑的負載電壓，一般取

　　≥(3～5)

　　式中T為電源交流電壓的周期。

　�。�3）負載直流電壓隨負載電流增加而減小。VL隨IL的變化關(guān)系稱(chēng)為輸出特性或外特性，如圖1所示。

　　C值一定，當 ，即空載時(shí)

　　當C=0，即無(wú)電容時(shí)

　　在整流電路的內阻不太大（幾歐）和放電時(shí)間常數滿(mǎn)足式 ≥(3～5) 的關(guān)系時(shí)，電容濾波電路的負載電壓VL與V2的關(guān)系約為

　　VL=(1.1～1.2)V2

　　總之，電容濾波電路簡(jiǎn)單，負載直流電壓VL較高，紋波也較小，它的缺點(diǎn)是輸出特性較差，故適用于負載電壓較高，負載變動(dòng)不大的場(chǎng)合。

　　什么是濾波電路 - 電源

　　濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負載串聯(lián)電感器L，以及由電容、電感組合而成的各種復式濾波電路。常用的結構如圖1所示。

　　(a) C型濾波電路 (b) 倒L型濾波電路 (c) Ⅱ型濾波電路

　　圖1

　　由于電抗元件在電路中有儲能作用，并聯(lián)的電容器C在電源供給的電壓升高時(shí)，能把部分能量存儲起來(lái)，而當電源電壓降低時(shí)，就把能量釋放出來(lái)，使負載電壓比較平滑，電容C具有平波的作用；與負載串聯(lián)的電感L，當電源供給的電流增加（由電源電壓增加引起）時(shí)，它把能量存儲起來(lái)，而當電流減小時(shí)，又把能量釋放出來(lái)，使負載電流比較平滑，即電感L也有平波作用。

　　濾波電路的形式很多，為了掌握它的分析規律，把它分為電容輸入式[電容器C接在最前面，如圖1中的（a）、（c）]和電感輸入式[電感器L接在最前面，如圖1中的（b）]。前一種濾波電路多用于小功率電源中，而后一種濾波電路多用于較大功率電源中（而且當電流很大時(shí)僅用一電感器與負載串聯(lián)）。本節重點(diǎn)分析小功率整流電源中應用較多的電容濾波電路，然后再簡(jiǎn)要介紹其他形式的濾波電路。

　　單相橋式整流電路的工作原理 - 電源

　　單相橋式整流電路如圖1（a）所示，圖中Tr為電源變壓器，它的作用是將交流電網(wǎng)電壓vI變成整流電路要求的交流電壓 ，RL是要求直流供電的負載電阻，四只整流二極管D1～D4接成電橋的形式，故有橋式整流電路之稱(chēng)。

　　單相橋式整流電路的工作原理可分析如下。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，二極管用理想模型來(lái)處理，即正向導通電阻為零，反向電阻為無(wú)窮大。

　　在v2的正半周，電流從變壓器副邊線(xiàn)圈的上端流出，只能經(jīng)過(guò)二極管D1流向RL，再由二極管D3流回變壓器，所以D1、D3正向導通，D2、D4反偏截止。在負載上產(chǎn)生一個(gè)極性為上正下負的輸出電壓。其電流通路可用圖1（a）中實(shí)線(xiàn)箭頭表示。

　　在v2的負半周，其極性與圖示相反，電流從變壓器副邊線(xiàn)圈的下端流出，只能經(jīng)過(guò)二極管D2流向RL，再由二極管D4流回變壓器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向導通。電流流過(guò)RL時(shí)產(chǎn)生的電壓極性仍是上正下負，與正半周時(shí)相同。其電流通路如圖1（a）中虛線(xiàn)箭頭所示。

　　綜上所述，橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向導電性，將四個(gè)二極管分為兩組，根據變壓器副邊電壓的極性分別導通，將變壓器副邊電壓的正極性端與負載電阻的上端相連，負極性端與負載電阻的下端相連，使負載上始終可以得到一個(gè)單方向的脈動(dòng)電壓。

　　根據上述分析，可得橋式整流電路的工作波形如圖2。由圖可見(jiàn)，通過(guò)負載RL的電流iL以及電壓vL的波形都是單方向的全波脈動(dòng)波形。

　　橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時(shí)因電源變壓器在正、負半周內都有電流供給負載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。因此，這種電路在半導體整流電路中得到了頗為廣泛的應用。電路的缺點(diǎn)是二極管用得較多，但目前市場(chǎng)上已有整流橋堆出售，如QL51A～G、QL62A～L等，其中QL62A～L的額定電流為2A，最大反向電壓為25～1000V。

　　單相橋式整流電路常畫(huà)成圖1（b）所示的簡(jiǎn)化形式。

　　甲乙類(lèi)單電源互補對稱(chēng)電路 - 電子技術(shù)

　　圖1是采用一個(gè)電源的互補對稱(chēng)原理電路，圖中的T3組成前置放大級，T2和T1組成互補對稱(chēng)電路輸出級。在輸入信號vi =0時(shí)，一般只要R1、R2有適當的數值，就可使IC3 、VB2和VB1達到所需大小，給T2和T1提供一個(gè)合適的偏置，從而使K點(diǎn)電位VK=VC=VCC/2 。

　　當加入信號vi時(shí)，在信號的負半周，T1導電，有電流通過(guò)負載RL，同時(shí)向C充電；在信號的正半周，T2導電，則已充電的電容C起著(zhù)雙電源互補對稱(chēng)電路中電源-VCC的作用，通過(guò)負載RL放電。只要選擇時(shí)間常數RLC足夠大（比信號的最長(cháng)周期還大得多），就可以認為用電容C和一個(gè)電源VCC可代替原來(lái)的+VCC和-VCC兩個(gè)電源的作用。

　　值得指出的是，采用一個(gè)電源的互補對稱(chēng)電路，由于每個(gè)管子的工作電壓不是原來(lái)的VCC，而是VCC/2，即輸出電壓幅值Vom最大也只能達到約VCC/2，所以前面導出的計算Po、PT、和PV的最大值公式，必須加以修正才能使用。修正的方法也很簡(jiǎn)單，只要以VCC/2代替原來(lái)的公式中的VCC即可。

　　單電源互補對稱(chēng)電路 - 電子技術(shù)

　�。ㄒ唬╇娐方M成（二）分析計算

　　1.輸出功率理想條件下最大電壓幅度 Ucem=VCC/2所以2.效率直流電源供給的功率理想條件下，最大效率為：

　　階電路在正弦電源作用下的零狀態(tài)響應 - 電子技術(shù)

　　為正弦電壓源： 開(kāi)關(guān)接通后電路的微分方程和初始值分別為

　　非齊次微分方程的通解由兩個(gè)分量組成——此方程的任一特解和與此方程對應的齊次方程的通解，即

　　(1) 求特解 凡是滿(mǎn)足微分方程的解均可作為特解。顯然，在作用下的正弦穩態(tài)解也滿(mǎn)足方程，可作為特解。求正弦穩態(tài)解宜用相量分析法，微分方程對應的相量方程

　　故電流的振幅相量為

　　式中，是圖示RL串聯(lián)電路的阻抗。特解時(shí)域表達式為

　　(2) 求對應的齊次微分方程的通解 齊次微分方程為

　　其通解為 (3) 非齊次微分方程的通解

　　將和代入，得 (4) 確定積分常數 根據初始條件，時(shí)

　　得

　　時(shí)的電流波形 將代入，得到非齊次微分方程的通解

　　右圖中畫(huà)出了時(shí)、和的波形。時(shí)的電流波形

　　例2.圖(a)所示電路，開(kāi)關(guān)原是接通的，時(shí)斷開(kāi)，已知。求電壓。

　　(a) (b)

　　解：時(shí)電路為零狀態(tài)，由換路定律得： 時(shí)為簡(jiǎn)化計算，先將ab左邊電路化為戴維南電路形式。 當ab端開(kāi)路時(shí)，由 ，得 所以開(kāi)路電壓 當ab端短路時(shí)，， 故等效電阻 ， 時(shí)等效電路如圖(b)所示。電路時(shí)間常數為。 用相量法計算強制分量

　　因此 代入通解公式得：

　　V

　　例3.圖示電路原處于穩態(tài)，時(shí)開(kāi)關(guān)打開(kāi)。要求在時(shí)滿(mǎn)足，求電路參數應滿(mǎn)足的關(guān)系。

　　解：， 分析得知：電容一階電路屬于零狀態(tài)響應； 電感一階電路屬于零輸入響應； 根據KVL，列寫(xiě)方程如下：

　　(1) (2)

　　由式(1)解得 (3)

　　(4)

　　由式(2)又解得 (5)

　　由式(4)和式(5)相等解得

　　對稱(chēng)三相電源與對稱(chēng)三相電路和對稱(chēng)三相負載 - 電工基礎

　　1、對稱(chēng)三相電源

　　【對稱(chēng)三相電源】 三個(gè)頻率相同、幅值相同、相位彼此相差同一個(gè)角度的電壓源，稱(chēng)為一組對稱(chēng)三相電源，分別稱(chēng)為A（或a）相、B（或b）相、C（或c）相電源。

　　【正序對稱(chēng)三相電源】 正序對稱(chēng)三相電源A、B、C相的相位關(guān)系為：B相滯后A相，C相滯后B相，即

　　表示為相量

　　正序對稱(chēng)三相電源滿(mǎn)足或

　　【負序對稱(chēng)三相電源】 負序對稱(chēng)三相電源A、B、C相的相位關(guān)系為：B相超前A相，C相超前B相，即

　　表示為相量

　　負序對稱(chēng)三相電源亦滿(mǎn)足或。

　　【零序對稱(chēng)三相電源】 零序對稱(chēng)三相電源A、B、C三相電壓同相位。

　　【三相電源的連接方式】 三個(gè)電壓源通常聯(lián)成星形（Y形）或三角形（形），如圖11-1-1所示。

　�。╝）星形（Y形）連接的三相電源 （b）三角形（形）連接的三相電源

　　圖11-1-1 三相電源的連接方式

　　2、對稱(chēng)三相負載

　　【三相負載】 三相電路的負載有單相負載和三相負載之分。三相負載可以視為連接成星形或三角形的阻抗，如圖11-1-2所示，分別稱(chēng)為A相、B相、C相負載。三個(gè)單相負載亦可連接成三相負載。

　　【對稱(chēng)三相負載】 當時(shí)，為對稱(chēng)三相負載。三相電動(dòng)機為對稱(chēng)三相負載，白熾燈、單相電動(dòng)機等為單相負載。

　　3、對稱(chēng)三相電路

　　【對稱(chēng)三相電路】 對稱(chēng)三相電路由對稱(chēng)三相電源、對稱(chēng)三相負載、對稱(chēng)三相輸電線(xiàn)路（三條輸電線(xiàn)路阻抗相同）構成，如圖11-1-3所示。

　　【端線(xiàn)（火線(xiàn)）】 三相輸電線(xiàn)aA、bB、cC為端線(xiàn)，俗稱(chēng)火線(xiàn)。為端線(xiàn)阻抗。

　　【中線(xiàn)（零線(xiàn)）】 nN為中線(xiàn)，俗稱(chēng)零線(xiàn)。

　　【中性點(diǎn)】 n為電源側中性點(diǎn)，N為負載側中性點(diǎn)。為中線(xiàn)阻抗。

　　【對稱(chēng)三相電路的連接方式】 對稱(chēng)三相電路依“電源-負載”連接方式分為：、、、、五種連接方式。圖11-1-3為連接，當時(shí)為連接。

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