設計可調節線性AC-DC電源供應器

作者 : Hesam Moshiri,EEWeb特約作者

本文我們將打造一個能讓使用者獨立調節正負軌的線性電源,輸入端只要用普通的單輸出交流變壓器即可。

雙輸出低雜訊電源供應器對於電子設計愛好者來說是不可或缺的工具,在許多情況下都需要雙輸出電源,例如設計前置放大器以及為運算放大器(OPAMP)供電等。本文我們將打造一個能讓使用者獨立調節正負軌的線性電源,輸入端只要用普通的單輸出交流變壓器即可。

此線性電源供應器具備的特性包括:

  • AC-DC轉換;
  • 雙輸出電壓(正極-接地-負極);
  • 可調節正/負軌;
  • 僅一個單輸出交流變壓器;
  • 輸出雜訊(20MHz-BWL,空載):約1.12mVpp;
  • 低雜訊和穩定輸出(為運算放大器供電的理想選擇);
  • 輸出電壓:+/-1.25V~+/-25V;
  • 最大輸出電流:300mA~500mA;
  • 低成本且容易焊接(所有零件都是DIP封裝)。

電路分析

圖1顯示電源供應器的原理圖,其中D1和D2為整流二極體,C1和C2構成了一階降雜訊濾波器(the first noise reduction filter stage)。

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圖1:低雜訊電源原理圖。
(來源:EEWeb)

圖1中的R1、R2、C1、C2、C3、C4、C5和C6構成了一個低通RC濾波器,降低了來自正負軌的雜訊。該特性從理論上和實踐上都可以進行檢驗,例如可以採用具有波德圖(bode plot)功能的示波器Siglent SDS1104X-E進行量測。

IC1 和IC2 是該電路的主要調節元件。根據IC1 (LM317)規格表的描述:「LM317是一款可調節三端正電壓穩壓器,能夠在1.25V至37V輸出電壓範圍內提供超過1.5A的電流。它僅需兩個外部電阻即可設置輸出電壓。該元件具有 0.01% 的典型線性調節率和 0.1% 的典型負載調節率,還包含電流限制、熱超載保護和安全工作區保護功能。即使斷開ADJUST端子,超載保護功能仍起作用。」

顯而易見,LM317導入了良好的線性和負載調節參數,因此我們可以期望獲得穩定的輸出軌。IC2 (LM337)與之相同,唯一的區別是IC2這款晶片用於調節負電壓。

D3和D4用於提供保護功能;這兩顆二極體提供了一個低阻抗放電路徑,以防止電容器(C9和C10)放電到穩壓器的輸出中。R4和R5則用於調節輸出電壓。C7、C8、C9和C10用於過濾剩餘的輸出雜訊。

PCB佈局

圖2顯示了該電路的PCB佈局,採用單層PCB板設計,所有元件均為DIP封裝,因此容易焊接和使用。

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圖2:電源供應器的PCB佈局。
(來源:EEWeb)

對於IC1和IC2,我採用了SamacSys元件庫;SamacSys元件庫不僅免費,更重要的是遵循了工業電腦(IPC)的佔板尺寸(footprint)標準。筆者使用的PCB設計工具是Altium,因此可以直接用Altium外掛程式安裝SamacSys元件庫。圖3顯示了那些被選定的零件;其他類似的設計工具還有KiCad和其他CAD軟體。圖4顯示則為PCB板3D圖。

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圖3:採用SamacSys元件庫(AD Plugin)來表徵IC1 (LM137)和IC2 (LM337)。
(來源:EEWeb)

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圖4:PCB成品的3D圖。
(來源:EEWeb)

組裝和測試

圖5是組裝完成的電路板。本實例使用了220V至12V的變壓器,以在輸出端獲得最大+/- 12V的電壓。圖6顯示所需的接線。

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圖5:組裝好的電路板。
(來源:EEWeb)

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圖6:變壓器和電路的接線。
(來源:EEWeb)

透過轉動R4和R5多圈電位器,可以獨立調節正負電壓軌上的電壓。圖7的範例中,輸出被調節為+/- 9V。

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圖7:輸出端調節為+/- 9V電壓軌的範例。
(來源:EEWeb)

現在,我們來量測輸出雜訊。我使用的Siglent SDS1104X-E示波器由於在輸入端導入500uV/div的靈敏度,因此非常適合此類測量。將通道1設置為1X,交流耦合,20MHz頻寬限制,並將採集模式設置為峰值檢測。然後取下接地線並使用探頭接地彈簧。請注意,此測量沒有輸出負載。圖8為示波器螢幕顯示和測試結果,雜訊Vpp值約為1.12mV。注意,增加輸出電流會提高雜訊/漣波位準,所有電源供應器都是如此。

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圖8:電源的輸出雜訊(空載時)。
(來源:EEWeb)

R1和R2電阻的額定功率決定了輸出電流,因此我選擇了3W的電阻。另外,如果要擷取之大電流或調節器的輸入與輸出之間電壓差較大,別忘記在IC1和IC2上安裝合適的散熱器。使用3W電阻器可以獲得500mA (最大值)的電流。若使用2W電阻,則該值自然降低至大概300mA (最大值)。

最後參考圖9的物料清單(BOM)。

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圖9:物料清單。
(來源:EEWeb)

(參考原文:Adjustable Linear AC-DC Power Supply,by Hesam Moshiri;EEWeb為EE Times出版商ASPENCORE旗下姊妹網站)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年3月號

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