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

　　對于一個完整的電子設計來講，首要問題就是為整個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單片機雖然使用時間最早、應用范圍最廣，但是在實際使用過程中，一個和典型的問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重要手段就是為單片機系統配置一個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LED的限流電阻。S1 為電源開關。

　　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確定的狀態，一般來說，單片機復位電路作用是把一個例如狀態機初始化到空狀態，而在單片機內部，復位的時候單片機是把一些寄存器以及存儲設備裝入廠商預設的一個值。

　　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，實現上電復位。當復位電平持續兩個機器周期以上時復位有效。復位電平的持續時間必須大于單片機的兩個機器周期。具體數值可以由RC電路計算出時間常數。

　　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上連接一個電容到VCC，再連接一個電阻到GND，由此形成一個RC充放電回路保證單片機在上電時RST腳上有足夠時間的高電平進行復位，隨后回歸到低電平進入正常工作狀態，這個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一個開關，當開關按下時電容被放電、RST也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會保持一段時間的高電平來使單片機復位。

　　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生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，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鐘信號。通常一個系統共用一個晶振，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，而通過電子調整頻率的方法保持同步。

　　晶振通常與鎖相環電路配合使用，以提供系統所需的時鐘頻率。如果不同子系統需要不同頻率的時鐘信號，可以用與同一個晶振相連的不同鎖相環來提供。

　　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晶振和兩個電容即可，電容容量一般在15pF至50pF之間。

　　如何調試開關電源電路？ - 電源

　　有一些經驗可以共享給大家：

　　（1）電源電路的輸出通過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，避開后面電路的影響。

　　（2）一般來說開關控制器是閉環系統，如果輸出惡化的情況超過了閉環可以控制的范圍，開關電源就會工作不正常，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，會產生很多的電源紋波，這也會影響開關電源的工作的。

　　電源諧振轉換器電路的設計方法 - 電子技術

　　和傳統脈寬調制（PWM）電源轉換器不同的是，諧振轉換器通過頻率調制來調節輸出電壓。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。在各種類型的諧振轉換器中，圖1的LLC串聯諧振轉換器（LLC-SRC）格外引人矚目，因為它有更強的輸出調節功能、更小的循環電流和更低的電路成本。

　　串聯諧振特性允許直流（DC）/DC LLC-SRC中的開關網絡（如圖2所示）擁有很寬范圍的零電壓開關（ZVS）；因此，LLC-SRC能在前端電源應用中輕松實現超過94％的效率，并能在高開關頻率下運行。

　　和PWM轉換器的設計過程相似，當設計LLC-SRC時，第一個步驟是選擇滿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（來自TI電源設計研討會主題“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性化電路）衍生而來的。

　　圖3提供了LLC諧振半橋轉換器的簡單電路參數選擇過程。通過檢查增益曲線上的fn_min、fn_max位置，您就能設計出在所有輸入條件下開關網絡上均具有ZVS的高效LLC諧振半橋變換器。

　　當設計LLC諧振半橋變換器時，請謹記：

　　任何時候，在Mg/fn圖表中fn_min都需要高于增益曲線的脊線。這是為確保金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）能保持ZVS狀態。LLC-SRC的效率只能在一個操作點進行優化。當fsw= fo時，串聯Lr和Cr變成零阻抗狀態（圖4）；該轉換器在那個點具有最高的效率。您需要決定自己想優化的線路/負載條件，并確保您的開關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走入了千家萬戶，這兩種電器的開關電源設計比較特殊，只能采用有源或者無源PFC模式，并且需要能夠長時間在無散熱通風的環境下工作。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，這種方案也存在尺寸小、布線簡單等優點。

　　分體諧振電容相較于單個諧振電容而言，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僅為單諧振電容的一半。當利用鉗位二極管（D3 和D4）進行簡單、廉價的過載保護時，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個電感（勵磁電感Lm 和串聯的諧振電感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缺點，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，這種解決方案的缺點在于，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個磁性元件，而且會使得開關電源的尺寸更小。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現絕緣。不過，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 - 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：

　　（1）二極管的導電角q<p，流過二極管的瞬時電流很大。電流的有效值和平均值的關系與波形有關，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，變壓器副邊電流的有效值I2=1.11IL，而有電容濾波時

　　（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的變化關系稱為輸出特性或外特性，如圖1所示。

　　C值一定，當 ，即空載時

　　當C=0，即無電容時

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

　　VL=(1.1～1.2)V2

　　總之，電容濾波電路簡單，負載直流電壓VL較高，紋波也較小，它的缺點是輸出特性較差，故適用于負載電壓較高，負載變動不大的場合。

　　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電容器C，或與負載串聯電感器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，并聯的電容器C在電源供給的電壓升高時，能把部分能量存儲起來，而當電源電壓降低時，就把能量釋放出來，使負載電壓比較平滑，電容C具有平波的作用；與負載串聯的電感L，當電源供給的電流增加（由電源電壓增加引起）時，它把能量存儲起來，而當電流減小時，又把能量釋放出來，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（而且當電流很大時僅用一電感器與負載串聯）。本節重點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。

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

　　在v2的正半周，電流從變壓器副邊線圈的上端流出，只能經過二極管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。在負載上產生一個極性為上正下負的輸出電壓。其電流通路可用圖1（a）中實線箭頭表示。

　　在v2的負半周，其極性與圖示相反，電流從變壓器副邊線圈的下端流出，只能經過二極管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RL時產生的電壓極性仍是上正下負，與正半周時相同。其電流通路如圖1（a）中虛線箭頭所示。

　　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單方向的脈動電壓。

　　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，通過負載RL的電流iL以及電壓vL的波形都是單方向的全波脈動波形。

　　橋式整流電路的優點是輸出電壓高，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。電路的缺點是二極管用得較多，但目前市場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成圖1（b）所示的簡化形式。

　　甲乙類單電源互補對稱電路 - 電子技術

　　圖1是采用一個電源的互補對稱原理電路，圖中的T3組成前置放大級，T2和T1組成互補對稱電路輸出級。在輸入信號vi =0時，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提供一個合適的偏置，從而使K點電位VK=VC=VCC/2 。

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

　　值得指出的是，采用一個電源的互補對稱電路，由于每個管子的工作電壓不是原來的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。修正的方法也很簡單，只要以VCC/2代替原來的公式中的VCC即可。

　　單電源互補對稱電路 - 電子技術

　　（一）電路組成（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響應 - 電子技術

　　為正弦電壓源： 開關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 凡是滿足微分方程的解均可作為特解。顯然，在作用下的正弦穩態解也滿足方程，可作為特解。求正弦穩態解宜用相量分析法，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串聯電路的阻抗。特解時域表達式為

　　(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

　　得

　　時的電流波形 將代入，得到非齊次微分方程的通解

　　右圖中畫出了時、和的波形。時的電流波形

　　例2.圖(a)所示電路，開關原是接通的，時斷開，已知。求電壓。

　　(a) (b)

　　解：時電路為零狀態，由換路定律得： 時為簡化計算，先將ab左邊電路化為戴維南電路形式。 當ab端開路時，由 ，得 所以開路電壓 當ab端短路時，， 故等效電阻 ， 時等效電路如圖(b)所示。電路時間常數為。 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，時開關打開。要求在時滿足，求電路參數應滿足的關系。

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

　　(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

　　對稱三相電源與對稱三相電路和對稱三相負載 - 電工基礎

　　1、對稱三相電源

　　【對稱三相電源】 三個頻率相同、幅值相同、相位彼此相差同一個角度的電壓源，稱為一組對稱三相電源，分別稱為A（或a）相、B（或b）相、C（或c）相電源。

　　【正序對稱三相電源】 正序對稱三相電源A、B、C相的相位關系為：B相滯后A相，C相滯后B相，即

　　表示為相量

　　正序對稱三相電源滿足或

　　【負序對稱三相電源】 負序對稱三相電源A、B、C相的相位關系為：B相超前A相，C相超前B相，即

　　表示為相量

　　負序對稱三相電源亦滿足或。

　　【零序對稱三相電源】 零序對稱三相電源A、B、C三相電壓同相位。

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

　　（a）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，分別稱為A相、B相、C相負載。三個單相負載亦可連接成三相負載。

　　【對稱三相負載】 當時，為對稱三相負載。三相電動機為對稱三相負載，白熾燈、單相電動機等為單相負載。

　　3、對稱三相電路

　　【對稱三相電路】 對稱三相電路由對稱三相電源、對稱三相負載、對稱三相輸電線路（三條輸電線路阻抗相同）構成，如圖11-1-3所示。

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

　　【中線（零線）】 nN為中線，俗稱零線。

　　【中性點】 n為電源側中性點，N為負載側中性點。為中線阻抗。

　　【對稱三相電路的連接方式】 對稱三相電路依“電源-負載”連接方式分為：、、、、五種連接方式。圖11-1-3為連接，當時為連接。

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