雙極性可調低紋波直流穩壓電源方案設計

甘源瀅

（西安石油大學電子工程學院 陜西 西安 710065）

1 引言

現代傳感技術在當今社會中的應用越來越廣泛，傳感器作為技術領域的核心，其地位居高不下。由于測量傳感器輸出信號微弱，傳統的開關電源產生的紋波嚴重干擾有效信號采集，很大程度影響傳感器微系統整體測量精度。常用的直流穩定電源產品主要有是將交流電進行整流、濾波、穩壓后輸出穩定的直流電壓，但不可避免地在直流穩定量中多少帶一些交流成份[1-2]，而一般的干電池、鉛酸蓄電池及鋰離子電池等化學電源均可以實現無紋波供電，這對于設計一款低紋波專用測試電源提供了新思路。

2 低紋波實現方案

傳統直流開關電源和線性電源均是采用整流方法將交流電變為直流電，并通過大容量濾波器件以及復雜的濾波電路將攜帶的紋波降低一部分，但不能完全濾除電源內的高頻紋波和工頻紋波。本文設計一種以鉛酸蓄電池為核心的低紋波直流電源實現方案。

系統組成主要包括電源適配器、可充電電池、電壓數顯模塊及以LM7805、LM317線性輸出芯片為核心線性電壓調整電路。方案原理框圖如圖1所示。

圖1 方案原理框圖

3 硬件電路的設計

3.1 正輸出電路

在整體系統的實現方案中，為能將四組電池有效切換，主體電路部分受開關限制，主要實現充電、放電、備用三種狀態，以此實現對設備的持續低紋波供電。

考慮到常規用電通常需要直流+5V供電，正輸出電路添置一個支路，依次經LM7812和LM7805穩壓后得到+5V的電源輸出，同時添加了以LM317線性穩壓芯片為核心的輸出調理電路，由于市面上沒有24V蓄電池，為擴大電壓可調范圍，串聯兩個12V蓄電池滿足至少18V穩定電壓輸出。同時每個蓄電池通過12V電源適配器單獨充電。

3.2 負輸出電路

負輸出電路類同于正輸出電路設計，不同點為負電路采用穩壓芯LM337。需要注意的是LM337芯片輸入端為兩個串聯鉛酸蓄電池的負，在電路原理設計時將兩個串聯后的蓄電池中間接地，以實現電源負極性的電壓輸出，同時數顯表以及充供電指示燈的電路設計均反向相接。

3.3 電源安全性設計

由于電路內部的分壓電阻在電源閑置時也會消耗電池電量，這不僅會降低了電源使用效率，對電源輸出穩定性也有較大的影響。為此，在四個供電電池的輸出端口以及電源適配器的接口處預留了六個端口，并與四刀雙擲開關相接。這樣，開關不僅能有效切換電池充電、放電，空擋下的電池沒有任何回路，最大限度的保證電源的安全性，同時也能有效提高電池電源的續航能力。

4 紋波測試

4.1 紋波測試方法

紋波是低頻噪聲，所以在用示波器測量紋波時首先要進行帶寬限制，一般以20MHz為帶寬限制標準，同時將耦合方式設置為交流耦合。由于紋波往往幅值較小，所以表筆選用衰減比為1倍的差分探頭，同時為避免噪聲干擾，祛除長地線，改用接地彈簧進行紋波測試。測試前，在接入點位置處并聯兩個電容，濾除外界信號干擾，具體接線圖如圖2所示。

圖2 示波器測紋波接線圖

4.2 測試結果比較

使用RIGOL公司的DM3058E型示波器，采用上節提到的電源紋波測試方法分別對普通直流電源和低紋波直流電源進行測試對比，結果如圖3。

圖3 紋波測試對比圖

可見，普通直流電源紋波波形起伏規律，峰峰值可達10mV左右，而本文設計的低紋波直流測試電源測試波形平緩，幾乎沒有明顯紋波。測試結果驗證，同等條件下（負載R=50Ω、輸出電壓12V），低紋波直流電源輸出紋波＜5mV，在恒壓輸出穩定性方面有明顯的優勢。

5 結語

本設計采用無紋波輸出的鉛酸蓄電池為核心供電源，經線性穩壓芯片調理電路獲得雙電池雙極性可調供電，輸出的直流電壓具有良好的穩定性和安全性。經測試比較，紋波控制效果顯著，與普通直流電源相比，紋波幅值縮小了2倍。

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