1.2 稳压电源电路设计
通常在电子系统中，都需要有直流稳压电源供电。电源电路的性能与质量关系到整个系统的稳定性和可靠性。因此，电源电路的设计是电路设计中非常重要的一个环节。图1.1是常见直流稳压电源电路的整体框图。
图1.1 直流稳压电源电路的整体框图
直流稳压电源一般要求从220 V/50 Hz的市电中获取电能，通过变压器降压、整流、滤波以及稳压等几个环节，最后得到一个稳定在指定电压的纯净的直流电源。如果电能不是从电网中获得，而是来源于电池或其他直流电源，则不需要变压、整流和滤波环节，而是直接通过稳压电路将输出电压稳定在某个特定值。
1.2.1 直流稳压电源的基本结构
（1）变压器
如果要设计的直流稳压电源需要从市电中获取电能，则首先要使用工频变压器将220 V的市电降至所需的电压。在选择变压器时应注意两点：一是变压器的容量，必须能够满足负载的功率需求；二是变压器的副边额定电压，必须对稳压器件有足够的压差。如果对系统噪声、电磁干扰比较敏感，可以考虑使用环形变压器。
（2）单相整流电路我
整流电路的作用是将变压器输出的交流电变换为脉动的直流电，通常由一至多个二极管组成。而滤波电路的作用就是抑制脉动的直流电的波动，使其尽量平稳，通常由电容和电感元件组成。
图1.2中的电路称为桥式整流电路。它由4个二极管按电桥形式连接构成。变压器二次侧交变电压在正半周期经二极管VD1、VD3导通，负半周期经VD2、VD4导通，从而在负载上形成单向的脉动的电压波形。整流后的直流电压波形如图1.3所示。
图1.2 桥式整流电路
图1.3 整流后的电压波形
整流后负载上的平均电压
UL =0.9U2
负载平均电流
在选用整流桥或整流二极管时，同样要考虑最大电流和最高反向耐压。由于二极管VD1、VD3和VD2、VD4轮流导通，因此，流经每个二极管的平均电流为
u2正半周时，VD1、VD3导通，VD2、VD4截止，VD2、VD4所承受的最高反向电压为变压器二次侧电压的最大值，因此，每只二极管承受的最高反向电压为
负半周时情况是类似的，VD1、VD3承受相同的反向耐压。
（3）滤波电路
滤波电路的作用主要是抑制脉动的直流电的波动，使其尽量平稳，通常由电容和电感元件组成。最简单的滤波电路通常可以由单个电容构成。
如图1.4中所示，直接将电容并接在整流桥的直流输出端，即可起到滤波作用。当直流电压升高时，电容C充电储能；直流电压降低时，电容充当电源放电，从而起到平滑负载电压的作用，经过电容滤波的负载电压波形如图1.5所示。
图1.4 电容滤波电路
图1.5 经过电容滤波的负载电压波形
有时为了获得较平滑的负载电流，也可在滤波电路中串入电感，以抑制电源电压波动带来的电流急剧变化。
1.2.2 线性直流稳压电源的设计
经过整流滤波的直流电源，通常含有较大的纹波，这对于要求稳定供电的电子系统是不能接受的，特别是精密模拟器件。因此，一个合格的直流稳压电源需要在末端加入一个稳压器件来保证电源直流输出的稳定程度和纯净度。
线性直流稳压器是一种利用半导体器件的线性工作状态来调整输出电压的一类稳压器件。线性直流稳压电源具有输出纹波小、调节响应快、工作产生的噪声低、外围电路简单、价格低廉等优点。
（1）三端固定式稳压器LM78XX与LM79XX
该系列三端集成稳压器是最常见的固定电压线性直流稳压器。该系列稳压器有过流、过热和调整管安全工作区保护，防止过载而造成损坏。78系列或79系列后缀的数字表示该型号稳压器输出的电压值，常见的型号有LM7805、LM7806、LM7808、LM7809、LM7810、LM7812、LM7815、LM7818、LM7824，79系列类似型号输出对应负电压值的三端集成稳压器。
图1.6中的电路是使用线性直流稳压器LM7812、LM7912构成的±12 V直流稳压电源。该电源从电网中获取电能，经变压器从220 V交流降至双16 V交流。通过整流桥整流、电容滤波后，由LM7812、LM7912稳压，得到稳定的±12 V直流电源输出，变压器中间抽头作为公共地。LM7812、LM7912外围电路非常简单，输入端由大小电容并联构成滤波电路。大电容用于对整流输出的直流电压平波，小电容一方面用于抵消大电容的寄生电感，另外，不同容量的小电容对不同频率的高次谐波也有较明显的抑制作用。稳压器输出端也可视情况并联一些大、小电容，大电容用于克服负载突然变化带来的电压波动，小电容起去耦作用。
图1.6 用LM7812、LM7912制作±12 V直流稳压电源
（2）三端可调式集成稳压器LM317/LM337
三端可调式集成稳压器三端固定式集成稳压器原理类似，不同的是这类稳压器可以通过一个调节端来调节输出电压值。LM317、LM337是这类器件最常见的型号。其中LM337是三端可调式集成负稳压电源芯片，图1.7是三端可调式集成稳压芯片LM317的一种典型应用电路，与固定式集成稳压芯片相比，该芯片多出一个调节端ADJ，通过调节图中R2的电阻值来调节输出电压范围。输出电压VOUT的值由以下公式确定：
图1.7 LM317三端可调式集成正稳压电源的应用电路
其中，VREF是VOUT与ADJ两脚间的电压，IADJ是流出ADJ引脚的电流。R1的取值范围通常为120～240 Ω，R2的大小需要根据输出电压调节范围来确定。通常，输入电压VIN为25 V时，输出电压的调节范围在1.2～20 V。
1.2.3 开关直流稳压电源的设计
线性直流稳压电源具有原理和外围电路简单、价格低廉、输出稳定、纹波小等优点。但是，线性直流稳压电源通常在效率方面不是很理想。当调整压差较大时，会有很大一部分功率以发热的形式损失在调整管上。因此，对效率和发热要求严格的系统不适合使用线性直流稳压电源。
开关电源是另一种常见的直流稳压电源。它利用半导体器件的通断状态来调整输出电压。由于半导体调整管只工作在饱和截止两种状态，导通时管压降VCES和截止电流ICEO都很小，损耗主要发生在调整管状态变化时。一般来讲，开关电源的效率可以达到80%～90%甚至更高。
开关电源的主要缺点在于它的输出电压纹波比线性稳压电源要大一些，并且工作时可能会产生一定的高频干扰，电路结构也比较复杂，元器件要求较高。目前，随着开关电源技术的日趋完善，这些不足已经得到了很大的改善，尤其是集成化开关电源芯片的出现，让我们能更容易地设计出高可靠性的开关电源。
LM2576是一种降压型集成开关稳压电源芯片。它能够提供3 A的电流输出，内部集成了振荡器、基准源、保护电路等结构，只需少量外围器件就可以完成性能优良的开关电源电路。LM2576系列开关电源芯片提供了3.3 V、5 V、12 V及可调输出的四种型号，输入电压范围可宽达4～40 V，因此，使用起来非常灵活。
图1.8（a）是LM2576-5.0固定电压输出型稳压电源的设计。电感L1的值，需要根据输出电压、最大输入电压、最大负载电流等因素来选择。在LM2576的数据手册中，有很详细的电感选择表格供参考。二极管VD1必须使用肖特基二极管，其额定电流要大于负载最大电流的1.2倍，反向耐压应大于最大输入电压的1.25倍，推荐使用1N582x系列肖特基二极管。输出电容COUT的选择可参考以下公式：
其中，VIN是最大输入电压，VOUT是输出电压，L是选择的电感值。合适的输出电容可以保证输出电压有更小的纹波。电容的耐压值应达到输出电压的1.5倍以上。
可调输出电压型的LM2576-ADJ的参考设计如图1.8（b）所示，其电路结构与参数选择与固定输出电压型稳压芯片基本类似，不同的是需要调节反馈电压来调整输出值。LM2576-ADJ输出电压与电阻R1、R2的关系由以下公式确定：
式中，R1的取值范围为1～5 kΩ。如R1取1 kΩ时，要得到10 V的输出电压，R2应该为7.13 kΩ，可以选用最接近的7.15 kΩ的电阻。
图1.8 LM2576系列开关电源芯片外围电路的设计
在实际应用中，可以充分发挥线性稳压电源和开关电源的优点，结合使用，来获得高效率低纹波的直流稳压电源。比如，需要从40 V的直流电源中获得5 V的直流稳压电源，直接使用LM7805稳压将产生非常大的发热，甚至不能连续长期稳定工作。这时，可以使用LM2576-ADJ进行一次降压，输出7.5 V左右的直流电源。再使用LM7805线性稳压电源进行进一步稳压，即可获得纯净、稳定的5 V直流电源。