一種小型、恒壓/限流可調(diào)線性電源如圖1所示，該電源可在電流1A時(shí)提供0—25V連續(xù)可調(diào)直流輸出。如需更高電壓或者更大電流，可將多路電源模塊串聯(lián)或者并聯(lián)使用，每路輸出電壓在其全范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，并且獨(dú)立的電流限制電路保護(hù)每路輸出免受過載和短路損害。
圖1 0—25V/1A連續(xù)可調(diào)線性電源
該電源由市電進(jìn)行供電，通過調(diào)節(jié)工頻變壓器輸入端子使其與如下標(biāo)準(zhǔn)相匹配：
a：115Vac±10%、47-63Hz
b：230Vac±10%、47-63Hz
c：100Vac±10%、47-63Hz
下面分別對(duì)電源工作原理、雙模塊串聯(lián)、并聯(lián)以及效率提高與實(shí)際測(cè)試進(jìn)行詳細(xì)分析。
1、0—25V/1A線性電源穩(wěn)壓/限流控制
0—25V/1A線性電源主要包括初級(jí)電源、輔助電源、串聯(lián)調(diào)整電路、恒壓控制、限流控制和反向保護(hù)電路，接下來對(duì)每個(gè)功能電路進(jìn)行具體分析。
初級(jí)電源VIN：由直流電源和交流紋波組成，為主電路供電，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)由降壓變壓器和整流濾波電路實(shí)現(xiàn)。
輔助電源：由±12V供電電源和±5V參考電源組成；±12V電源為運(yùn)放和串聯(lián)調(diào)整電路供電；±5V參考電源為穩(wěn)壓和限流電路提供基準(zhǔn)；實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)由降壓變壓器、整流濾波電路、±12V三端穩(wěn)壓器7812、7912和LM336基準(zhǔn)源實(shí)現(xiàn)。
串聯(lián)調(diào)整電路：由驅(qū)動(dòng)控制三極管Q2和功率輸出三極管Q1組成；CTRL信號(hào)通過Q2實(shí)現(xiàn)對(duì)Q1基極控制以實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)壓與限流，其中+12V電源和電阻R1為串聯(lián)調(diào)整電路提供偏置電流。
恒壓控制：由運(yùn)放U1B、電壓采樣電阻R6和R7、反饋電容C2以及保護(hù)電路組成；通過改變電阻R7參數(shù)值實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)，具體計(jì)算公式為。
限流控制：由運(yùn)放U1A、電流采樣電阻Rs、基準(zhǔn)電阻R8、R9、-5V基準(zhǔn)源、反饋電容C1以及保護(hù)電路組成；當(dāng)電流采樣電阻Rs固定時(shí)，通過調(diào)節(jié)電阻R8參數(shù)值改變限流值，具體計(jì)算公式為。
二極管D2和D3構(gòu)成或門電路，對(duì)恒壓控制和限流控制進(jìn)行選擇。
反向保護(hù)電路：二極管D8和D9實(shí)現(xiàn)反向電壓保護(hù)功能；D9以反極性跨接到輸出端子，保護(hù)輸出電解電容免受橫跨于輸出端反向電壓影響；由于串聯(lián)穩(wěn)壓晶體管不能抵抗任何反向電壓，所以將二極管D8跨接至晶體管兩端，以便對(duì)其進(jìn)行反向保護(hù)；另外，當(dāng)多支電源模塊并聯(lián)使用時(shí)，二極管能夠?qū)虞d電源與未加載電源進(jìn)行保護(hù)。
正常狀態(tài)時(shí)電源工作于恒壓模式，通過調(diào)節(jié)電阻R7參數(shù)值使得電源輸出電壓在0—25V之間連續(xù)變化；當(dāng)負(fù)載電阻變小或者短路使得輸出電流大于1A時(shí)限流電路開始工作，此時(shí)電源工作與限流模式，輸出電流為恒定值1A。
C5為輸出電容，跨接于電源輸出端，用于恒壓控制時(shí)提供短期脈沖負(fù)載電流；另外輸出端外部添加任何電容都將提高脈沖負(fù)載能力，但會(huì)降低限流電路負(fù)載保護(hù)——平均輸出電流限制電路工作之前高電流脈沖可能已將負(fù)載損壞。
接下來對(duì)圖1電路進(jìn)行瞬態(tài)和直流仿真分析，以測(cè)試恒壓和限流功能。表1為PSpice仿真電路元器件列表，對(duì)電路中每個(gè)元器件的具體功能均進(jìn)行詳細(xì)說明。
表1 0—25V/1A連續(xù)可調(diào)線性電源仿真電路元器件列表
瞬態(tài)仿真測(cè)試：瞬態(tài)仿真設(shè)置與輸出電壓、電流波形分別如圖2和圖3所示；輸出電壓設(shè)置為24V、電流設(shè)置為0.9A，仿真結(jié)果與設(shè)置值一致；電壓紋波優(yōu)于1mV、電流紋波優(yōu)于10uA；電路工作正常。
圖2 輸出24V/0.9A瞬態(tài)仿真設(shè)置
圖3 輸出24V/0.9A仿真波形
直流仿真測(cè)試：直流仿真設(shè)置與輸出電壓、電流波形以及測(cè)試數(shù)據(jù)分別如圖4和圖5所示；當(dāng)輸出電壓在1V—25V之間線性增加、電流恒定為0.9A時(shí)仿真結(jié)果與設(shè)置值一致，但電流誤差約為20uA，該誤差主要由運(yùn)放U1A輸出電流產(chǎn)生。
圖4 輸出1V—25V/0.9A直流仿真設(shè)置
圖5 輸出1V—25V/0.9A仿真波形與數(shù)據(jù)
2、50V/1A雙模塊串聯(lián)
當(dāng)所需電壓超過25V時(shí)可采用兩支獨(dú)立電源模塊串聯(lián)實(shí)現(xiàn)，每支電源模塊輸出電壓獨(dú)立調(diào)節(jié)；既可平均分壓也可將一支調(diào)節(jié)至25V滿量程，然后調(diào)節(jié)另一模塊進(jìn)行補(bǔ)償；如果將兩模塊串聯(lián)端設(shè)置為0V，則可輸出正負(fù)電源。每支電源模塊內(nèi)部均跨接反向二極管，保護(hù)電源串聯(lián)輸出短接時(shí)濾波電容免受反向電壓損壞。
圖6 輸出50V/0.8A串聯(lián)電路
圖7 輸出電壓波形
50V串聯(lián)電路及其電壓仿真波形分別如圖6和圖7所示，每路輸出均為25V，總電壓為50V，與設(shè)置值一致，雙模塊串聯(lián)功能正常，接下來測(cè)試輸出電壓變化時(shí)電源模塊特性。
圖8 輸出電壓10V—50V仿真設(shè)置
圖9 輸出電壓波形
圖8和圖9分別為雙模塊串聯(lián)、輸出電壓為10V—50V時(shí)直流仿真設(shè)置與每支模塊以及串聯(lián)輸出電壓波形——兩模塊輸出電壓完全一致、總輸出電壓為兩模塊輸出電壓之和。由于每支模塊均獨(dú)立工作，所以可進(jìn)行多支串聯(lián)，以提供更高等級(jí)電壓。
3、25V/2A雙模塊并聯(lián)
當(dāng)所需電流超過1A時(shí)采用兩支或多支獨(dú)立電源模塊并聯(lián)實(shí)現(xiàn)，總輸出電流為每支獨(dú)立電源模塊輸出電流之和。實(shí)際設(shè)置時(shí)將一支電源模塊輸出電壓設(shè)置為所需電壓，將其余電源模塊輸出電壓設(shè)置略高于所需電壓。低壓輸出電源模塊用于控制輸出電壓幅值，而設(shè)置為較高輸出電壓的電源模塊起限流作用，其輸出電壓一直降低至實(shí)際輸出電壓。限流模塊工作于1A限流模式，低壓輸出電源模塊用于補(bǔ)償總電流與限流模塊之間差值：如果總電流為2.3A，采用3支模塊并聯(lián)，兩支模塊工作于限流模式即輸出電流1A；第3支模塊用于控制輸出電壓，其輸出電流為2.3A-2A=0.3A。
圖10 輸出20V/1.5A并聯(lián)電路
圖11 輸出電流波形
圖10和圖11分別為輸出電壓20V、輸出電流1.5A時(shí)雙電源模塊并聯(lián)電路圖和輸出電流波形。模塊1設(shè)置輸出電壓為20V，模塊2設(shè)置輸出電壓為25V，所以實(shí)際輸出電壓為20V；此時(shí)模塊2工作于限流模式，輸出電流為1A；模塊1工作于恒壓模式，輸出電流為1.5A-1A=0.5A，與圖3.38輸出電流波形完全一致，雙模塊并聯(lián)功能正常。接下來測(cè)試輸出電流變化時(shí)電源模塊工作特性。
圖12 輸出電流1.1A—1.9A仿真設(shè)置
圖13 輸出電流波形
圖12和圖13分別為雙模塊并聯(lián)、輸出電壓20V、輸出電流為1.1A—1.9A時(shí)直流仿真設(shè)置與每支模塊以及并聯(lián)輸出電流波形——輸出電壓恒定20V、模塊2輸出電流恒為1A、模塊1輸出電流為設(shè)置值與模塊2電流之差；當(dāng)N支模塊并聯(lián)工作時(shí)，輸出電流I必須滿足如下條件：N-1<IN，否則模塊之間電流出現(xiàn)倒灌現(xiàn)象，輸出異常。
4、變壓器繞組切換
本電源為線性控制方式，當(dāng)輸出電壓為1V和25V時(shí)電源總體效率相差巨大，通過切換輸入變壓器副邊繞組可大大提高電源效率，整體電路如圖14所示。
圖14 變壓器繞組切換
變壓器繞組切換及整體電源電路如圖14所示：VIN1和VIN2分別為變壓器兩組副邊繞組，通過開關(guān)S1和整流濾波電路為串聯(lián)調(diào)整電路供電；當(dāng)輸出電壓略低于12.5V時(shí)S1斷開，此時(shí)只有VIN1為電路供電；當(dāng)輸出電壓略高于12.5V時(shí)S1導(dǎo)通，此時(shí)VIN1和VIN2串聯(lián)為電路供電，仿真波形如圖15所示。
圖15 仿真電壓波形
在圖15中，V(0,-OUT)為輸出電壓波形，20ms時(shí)輸出電壓由10V增加至20V；當(dāng)輸出電壓為10V只有VIN1工作，當(dāng)輸出電壓升高為20V時(shí)VIN2同時(shí)工作，整流濾波電壓升高，如圖中V(IN,-OUT)曲線所示；V(IN,ISENSE)為功率三極管Q1的CE兩端電壓波形，輸出10V時(shí)約為3V、輸出20V時(shí)約為7V，低壓輸出時(shí)電源整體效率大大提高。
5、整機(jī)性能測(cè)試
實(shí)際測(cè)試結(jié)果如下：
負(fù)載效應(yīng)：輸出電流從滿載到空載變化時(shí)輸出電壓變化量小于0.01%VOUT+2mV；
源效應(yīng)：對(duì)于額定值以內(nèi)的任意線電壓變化，輸出電壓變化量小于0.01%VOUT+2mV；
波紋和噪聲：共模電壓有效值值小于0.35mV、峰峰值 (20Hz—20MHz)小于1.5mV；
共模電流 (CMI)：輸出有效值均小于1μA(20Hz—20kHz)；
工作溫度范圍：最大額定輸出時(shí)工作溫度為0—40C，較高溫度下輸出電流將線性減小，最高溫度55C 時(shí)電流減小至額定值的50%；
溫度系數(shù)：30分鐘預(yù)熱之后，在0—40C工作范圍內(nèi)溫度每變化1C輸出電壓變化量小于 0.02%VOUT +1mV；
穩(wěn)定性（輸出漂移）：30分鐘預(yù)熱之后，當(dāng)輸入電源、負(fù)載和環(huán)境溫度恒定時(shí)，輸出電壓8小時(shí)漂移小于0.1%VOUT+5mV；
負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間：從滿載變?yōu)榘胼d或從半載變?yōu)闈M載時(shí)輸出電壓恢復(fù)至VOUT15mV以內(nèi)時(shí)間小于50μs；
輸出電壓過沖：接通或關(guān)閉交流電源時(shí)，如果電壓設(shè)置為小于1V，則輸出與過沖之和不超過1V；如果電壓設(shè)置為1V或者更高，輸出將無過沖。