通過構(gòu)建自己的電源來節(jié)省資金并釋放工作臺(tái)空間

臺(tái)式電源，以及烙鐵和 手持式萬用表，是任何電子產(chǎn)品的必備品 實(shí)驗(yàn)室工具箱。有些項(xiàng)目只需要一個(gè)常量 電壓供應(yīng)，但更常見的是，正確測(cè)試和 調(diào)試項(xiàng)目需要各種電壓和 電流?？赏ㄟ^以下方式節(jié)省大量調(diào)試時(shí)間 使用高性能可調(diào)工作臺(tái)電源 隨意撥入電壓和電流。不幸的是，典型 通用可調(diào)臺(tái)式電源體積龐大且 昂貴 - 至少是性能更好的版本 - 以及 有許多限制。沒有一個(gè)是真正便攜的 （手持式）由于必要的散熱結(jié)構(gòu)。 此外，即使是高成本電源也不支持零 電流或電壓，并且不能匹配瞬態(tài)和 此處所示的電源所展示的短性能。

凌力爾特的演示電路 DC2132A 是一款高性能、緊湊、高效的直流臺(tái)式電源

通過構(gòu)建自己的高質(zhì)量臺(tái)式電源來節(jié)省資金并釋放臺(tái)式空間。該電源的關(guān)鍵元件是 LT3081 線性穩(wěn)壓器，它被一系列易于獲得的組件包圍 （參見圖 1）。LT3081 獨(dú)特的電流源基準(zhǔn)和電壓跟隨器輸出放大器使得能夠并聯(lián)連接兩個(gè)線性穩(wěn)壓器，以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 3A 和超過 24V 的可調(diào)電流和電壓輸出控制。輸出端的線性穩(wěn)壓器可抑制輸出紋波，無需大輸出電容，從而實(shí)現(xiàn)真正平坦的直流輸出和小尺寸。

圖1.混合模式直流臺(tái)式電源框圖。核心組件是并聯(lián) LT3081，它產(chǎn)生低紋波輸出并設(shè)定電壓和電流限值。

在此所示的電源中，并聯(lián) LT3081 之前有一個(gè)高性能、同步降壓型轉(zhuǎn)換器，在本例中為 40V、6A LT8612。無需散熱器或風(fēng)扇，與具有功率晶體管的線性臺(tái)式電源形成鮮明對(duì)比，后者需要散熱器和強(qiáng)制氣流（風(fēng)扇）來充分散熱。

LT8612 在高電流或低電流條件下有效地將 10V 降至 40V，以達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)輸出電壓，該輸出電壓仍略高于臺(tái)式電源 （LT3081 線性穩(wěn)壓器的輸出）。LT8612 的輸出為低紋波，轉(zhuǎn)換在整個(gè)工作臺(tái)電源范圍內(nèi)非常高效。LT3081 器件的功率損耗通過保持其輸入略高于壓差而得以降至最低。該臺(tái)式電源具有將電壓和電流限值調(diào)整至零的罕見能力。該混合模式直流工作臺(tái)電源的完整原理圖如圖2所示。

圖2.完整的 0V–24V、0A–3A 直流臺(tái)式電源。

并聯(lián)線性穩(wěn)壓器穩(wěn)定輸出，控制電壓和電流

線性穩(wěn)壓器通常用于降壓轉(zhuǎn)換器的輸出端，以最小的效率沖擊抑制開關(guān)電源紋波。圖 3081 和圖 1 所示的并聯(lián) LT2 線性穩(wěn)壓器可降低 LT8612 的輸出紋波，并準(zhǔn)確控制電源的恒壓和恒流輸出。LT3081 具有獨(dú)特的能力 （對(duì)于線性穩(wěn)壓器） 可輕松并聯(lián)以實(shí)現(xiàn)較高的輸出電流。

圖 1 和圖 2 顯示了兩個(gè)并聯(lián) LT3081 如何將單個(gè) LT3081 （1.5A） 的支持電流加倍至 3A。只需幾個(gè)并聯(lián)連接和兩個(gè)小型10mΩ鎮(zhèn)流電阻，即可在兩者之間精確分配電流，而不會(huì)損失輸出電壓精度。現(xiàn)成的高質(zhì)量 10k 和 5k 電位計(jì)在連接到 SET 引腳和 ILIM 引腳時(shí)提供 0V–24V 和 0V–3A 的控制。具有更多匝數(shù)和更高精度的電位計(jì)當(dāng)然可以用來花哨一個(gè)人的臺(tái)凳供應(yīng)。

臺(tái)式電源的最小電流限制為0A。只要 ILIM 電阻器減小到 3081Ω 以下，LT0 就能保證 200A 輸出電流。一個(gè)100Ω小電阻與ILIMIT電位計(jì)串聯(lián)，以最大化匝數(shù)范圍，并在兩個(gè)穩(wěn)壓器并聯(lián)使用時(shí)仍保證零電流。

臺(tái)式電源的最小輸出電壓為0V。只要從輸出端拉出 3081mA 電流，LT0 就能保證 4V 輸出。實(shí)現(xiàn)此目的的最佳方法是使用一個(gè)負(fù)電源為兩個(gè) LT8 引出 3081mA 電流。LTC3632 –5V 穩(wěn)壓器很容易產(chǎn)生這種負(fù)負(fù)載，功耗很小，并且僅占用極小的電路板空間。

平坦負(fù)載調(diào)節(jié)和尖銳的 V 曲線

一旦目標(biāo)電壓被精確撥入，您就不希望看到工作臺(tái)電源電壓隨著負(fù)載的增加、增加或減少而漂移。理想情況下，它應(yīng)在整個(gè)負(fù)載電流范圍內(nèi)保持平坦的調(diào)節(jié)曲線，直至電流限值（圖 3 和圖 4）。

圖3.直流臺(tái)式電源 V-I 曲線顯示 50A 至 0A < 3mV 負(fù)載調(diào)整率，從 3.1A 以上斷崖式下降。

圖4.可調(diào)電流限值將圖3的懸崖移動(dòng)到3.1A至0.0A的任何值。

此處顯示的電源滿足此要求。LT3081 輸出在 0A 至 1.5A 范圍內(nèi)幾乎保持平坦。最小 IC 加熱有助于將臺(tái)式電源的負(fù)載調(diào)節(jié)率保持在 50mV 以下，如圖 3 所示，即使采用 15mΩ 鎮(zhèn)流電阻，即使采用 10mV 電壓也是如此。線性穩(wěn)壓器兩端的壓降為1.7V，同時(shí)驅(qū)動(dòng)1.5A電流，采用DD封裝時(shí)，溫升僅為30oC，如圖5所示。

圖5.在高功率條件和短路條件下對(duì)臺(tái)式電源進(jìn)行熱掃描顯示，直流臺(tái)式電源組件在不使用散熱器或風(fēng)扇的情況下保持冷卻。

設(shè)置限流旋鈕應(yīng)與電壓旋鈕一樣具有確定性。如果電流限制設(shè)置為 3.0A，則工作臺(tái)電源應(yīng)正好在 3.0A 處進(jìn)入電流限制，并且永遠(yuǎn)不會(huì)提供更高的電流。高性能臺(tái)式電源必須證明電壓與電流調(diào)節(jié)曲線保持平坦，直到達(dá)到電流限值時(shí)從懸崖下降至0V。圖4顯示，無論電流限值設(shè)置在哪里，工作臺(tái)電源都能按預(yù)期工作。

同步降壓轉(zhuǎn)換器保持較高的整體效率

便攜式直流臺(tái)式電源可以在 0V 至 3V 之間的任何電壓下從 0V 至 24V 的輸入電壓產(chǎn)生 10A–40A，輸入至少比所需輸出電壓高 5V。輸入可以來自前端 AC/DC 轉(zhuǎn)換器，可在 19V、28V 和 36V 下隨時(shí)獲得。它也可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的 24VAC 變壓器、一個(gè)整流橋和一個(gè) 10mF 電容器，可提供大約 34V 的電壓和 1V–2V 的紋波。

電源的 LT8612 降壓型開關(guān)轉(zhuǎn)換器部分將 AC/DC 前端電壓 （10V 至 40V） 降至 0V 至略低于其輸入電壓之間的任何電壓?；?LT8612 的轉(zhuǎn)換器的低紋波輸出在并行 LT1 線性穩(wěn)壓器兩端進(jìn)一步下降 7.3081V，直至最終調(diào)節(jié)電壓，輸出上幾乎沒有紋波。

高效率保持涼爽

LT8612 同步降壓型器件可輕松支持 3A 電流，并且由于最短導(dǎo)通時(shí)間僅為 1ns，即使在一個(gè)相對(duì)較高的開關(guān)頻率 （7kHz） 下，也能高效地從高達(dá) 40V 的輸入降至低至 700.40V 的輸出。效率如圖6所示。高開關(guān)頻率下的高效率使得實(shí)現(xiàn)具有幾個(gè)小元件的轉(zhuǎn)換器成為可能，這些元件在高功率下保持冷卻。

圖6.各種輸入和輸出條件下直流臺(tái)式電源的效率和功率損耗。

差分反饋

LT8612 采用一種差分反饋方案（如圖 1 和圖 2 所示）將其輸出 （LT3081 對(duì)的輸入） 調(diào)節(jié)至高于基準(zhǔn)電源輸出 （LT1 對(duì)的輸出） 7.3081V。當(dāng) LT3081 的輸入至少比其輸出高 1.5V 時(shí)，LT1 的工作效果最佳，此處使用 7.<>V 作為瞬態(tài)裕量。

差分反饋在輸出瞬變和短路期間繼續(xù)工作，如圖7和圖8所示。當(dāng)輸出短路至GND時(shí)，LT8612輸出跟隨其至GND。當(dāng)輸出隨著短路釋放或電位計(jì)的變化而突然增加時(shí)，LT8612 跟隨 LT3081 的輸出上升，努力保持比快速變化的輸出高 1.7V。一個(gè)尺寸合理的 100μF 輸出電容器足以在很寬的條件下為 LT8612 提供穩(wěn)定性，同時(shí)保持相對(duì)較快的瞬態(tài)響應(yīng)，盡管它的移動(dòng)速度永遠(yuǎn)不會(huì)像線性穩(wěn)壓器那樣快。

圖7.5V、1A 至 3A 輸出瞬態(tài)響應(yīng)顯示 （a） 低輸出紋波和 （b） LT8612 輸出跟蹤 LT3081 V外通過瞬態(tài)。

圖8.直流臺(tái)式電源可很好地承受 5V 輸出 （a） 過載瞬態(tài)和 （b） 短路瞬態(tài)。

這種設(shè)置可以擴(kuò)展為使用 4 個(gè)并聯(lián) LT5 線性穩(wěn)壓器支持 3081.8612A 輸出電流。開關(guān)穩(wěn)壓器無需更改，因?yàn)?LT6 具有 <>A 峰值開關(guān)電流能力。

精確的電流源戰(zhàn)斗 I設(shè)置溫度系數(shù)

臺(tái)式電源的輸出電壓可通過連接至 LT3081 對(duì)的 SET 引腳的電位計(jì)輕松手動(dòng)調(diào)節(jié)。SET引腳將每個(gè)源極設(shè)置為50μA，其總電流乘以可調(diào)電阻即可產(chǎn)生適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷?，無需額外的元件。然而，對(duì)于一個(gè)穩(wěn)健的臺(tái)式電源解決方案來說，該電流可能不夠，因?yàn)樗鼤?huì)隨著LT3081溫度而略有漂移。

消除電流漂移的一種方法是使用更高的電流源來驅(qū)動(dòng)SET引腳電位計(jì)。LT?3092 是一款工作電壓高達(dá) 40V 的準(zhǔn)確電流源，并用于利用一個(gè) 2k 電阻器來驅(qū)動(dòng)一個(gè)準(zhǔn)確的 4.24mA （以 10V 輸出）。當(dāng)需要不同的最大輸出電壓時(shí)，其輸出電流很容易隨著設(shè)定電阻值的變化而調(diào)節(jié)。使用5V電源時(shí)，最大輸出電壓應(yīng)為5.12V，使用15V電源時(shí)應(yīng)為24V，使用24V電源時(shí)，最大輸出電壓應(yīng)為36V。電路中采用一個(gè)輸入開關(guān)，以在電源開關(guān)關(guān)斷時(shí)切斷 LT3092 的電源。斷開此IC與V的連接在當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，可防止其恒定電流為空載的工作臺(tái)電源輸出充電，從而避免工程師免受潛在的破壞性環(huán)境。

易于轉(zhuǎn)動(dòng)的電位計(jì)旋鈕，用于電壓和電流

LT3081 SET 和 ILIM 引腳功能使得只需簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)電位計(jì)即可輕松地將輸出電壓和電流設(shè)置至任何電平。并聯(lián) LT3081 共享相同的 SET 引腳連接和電壓以及相同的 ILIM 和 ILIM+?引腳連接。選擇10k和5k電位計(jì)可提供0V至24V和0A至3A輸出范圍（或略高于裕量）。電位計(jì)易于采購，可以從一系列性能和成本參數(shù)中進(jìn)行選擇。

第 12 頁照片中顯示的工作臺(tái)電源具有單圈電位計(jì)，具有易于轉(zhuǎn)動(dòng)的軸和直角 PCB 連接。如果您決定將 PCB 封裝在保護(hù)盒中，它們可以安裝在盒子的側(cè)孔上.金屬陶瓷濾芯的額定值為 150ppm/oC，而類似塑料濾芯的額定值為 1000ppm/oC，可防止時(shí)間和溫度漂移。較便宜的塑料電位計(jì)仍然非常適合在標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)式電源上使用，或者十圈精密電位計(jì)可用于非常精細(xì)的電壓和電流限制調(diào)整。

如果 V外由于 I 引起的漂移設(shè)置溫度系數(shù)不是問題，LT3092 電流源可以去掉，10k 電位計(jì)可以用具有類似質(zhì)量的 250k 電位器代替。

用于 0V 穩(wěn)壓的負(fù)轉(zhuǎn)換器

雖然將 SET 電位計(jì)調(diào)低至 0V 并短路至 GND 是微不足道的，但 LT3081 必須從中拉出 4mA 電流才能運(yùn)行至 0V。來自 V 的電阻預(yù)載荷外至 GND 僅在 V 時(shí)拉電流外不等于零，因此使用負(fù)電源來吸收來自 0V 輸出的電流。LTC?3632 負(fù)穩(wěn)壓器是一款小型 ?5V 電源，其通過一個(gè)小電阻器在 ?8V 和一個(gè) V 兩端吸收 ?5mA 電流是低于地電位 （?0.6V）。盡管 LTC3632 在電源開關(guān)關(guān)斷時(shí)關(guān)斷，但即使在輸出電壓高于 0V 時(shí)，當(dāng)電源接通時(shí)，LTC8 仍會(huì)繼續(xù)運(yùn)行。選擇負(fù)電流晶體管時(shí)必須小心，因?yàn)槿绻w管的熱阻抗超過24°C/W或負(fù)電流增加到-6mA以上，則250.10V壓降可能是重要的熱源。

短路和0A控制

LT3081 還提供了 0A 電流限制控制，而不管輸出電壓設(shè)置如何。當(dāng)電流旋鈕一直向上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，臺(tái)式電源在大約 3.1A 時(shí)實(shí)施尖銳的電流限制。如果負(fù)載增加到該點(diǎn)以上，其電壓似乎會(huì)從懸崖上掉下來。只需轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕，即可將急劇的電流限制懸崖向下移動(dòng)到任何其他值，一直到0A，如圖4所示。

最極端的過載情況是短路，它不僅將輸出推過懸崖，而且一直推到地面。臺(tái)式電源在短路時(shí)平穩(wěn)地保持其電流限值，并將其 LT8612 輸出調(diào)節(jié)至 1.7V，從而通過 LT3081 提供有限的電流并進(jìn)入短路。

瞬態(tài)短路的結(jié)果如圖8所示，顯示了IC的短路調(diào)節(jié)和短壽命輸出電容放電尖峰。如圖10所示，<1μs短路尖峰是常用高功率混合模式實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)電源（具有類似設(shè)置）持續(xù)時(shí)間的500/9。圖9所示的持久放電尖峰可能會(huì)損壞測(cè)試設(shè)備，這是昂貴的常用通用臺(tái)式電源的缺點(diǎn)，因?yàn)楣β示w管速度低和/或輸出電容較高。

圖9.昂貴的 XH100-10 混合模式臺(tái)式電源的瞬態(tài)結(jié)果，與本文中描述的具有類似設(shè)置的直流臺(tái)式電源相比，該電源表現(xiàn)出較慢的瞬態(tài)和短路響應(yīng)（圖 8）。

監(jiān)視輸出

將萬用表或簡(jiǎn)單的模擬顯示器連接到輸出，以產(chǎn)生準(zhǔn)確的電壓讀數(shù)。添加另一個(gè)萬用表或與輸出串聯(lián)的顯示器，以獲得準(zhǔn)確的電流讀數(shù)。如果希望避免增加與輸出串聯(lián)的額外檢測(cè)設(shè)備，IMON端子也可以用作電壓到電流轉(zhuǎn)換。

Sorenson XHR100-10 實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)短路供電，限值為 1.5A

圖 10.DC 臺(tái)式電源具有低輸出紋波，適用于 60μF C 小的混合模式電源外.

交流/直流輸入

這種直流電源是在實(shí)驗(yàn)室中即時(shí)產(chǎn)生恒定電壓或電流的便捷工具。只需使用 10V–40V DC 為其供電，打開開關(guān)，然后轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕即可。由于這些便攜式臺(tái)式電源體積小且價(jià)格低廉，因此當(dāng)需要多個(gè)電路輸出和電流時(shí)，這些便攜式臺(tái)式電源中的幾個(gè)可以由同一直流輸入源供電。

通過在前端添加一個(gè)簡(jiǎn)單的 AC/DC 轉(zhuǎn)換器，可以輕松創(chuàng)建完全獨(dú)立的臺(tái)式電源。圖11顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的120VAC至24VAC （5：1）變壓器、一個(gè)整流橋和一個(gè)10mF輸出電容，它們結(jié)合在一起產(chǎn)生34VDC，紋波很小。這種簡(jiǎn)單的 AC/DC 轉(zhuǎn)換器可用于產(chǎn)生 22V 的最大臺(tái)式電源輸出。

圖 11.24VA 的簡(jiǎn)單組合C（有效值）變壓器、整流橋和電容器為完整的解決方案提供 AC/DC 34V 前端。

整流橋應(yīng)具有3A或更高額定值的肖特基二極管。如果它們運(yùn)行過熱，您仍然可以通過使用一個(gè) LT4320 理想二極管橋控制器和四個(gè) MOSFET 來代替肖特基器件來減少電橋發(fā)熱，從而避免增加散熱器。可以更改10mF輸出電容的大小，以調(diào)整輸出紋波。在全功率下，10mF 電容將在 1V DC 輸入上產(chǎn)生約 ±34V 紋波。

您還可以通過連接任何額定值為 12V–36V、3A 的通用 AC/DC 黑匣子轉(zhuǎn)換器來拼湊通用臺(tái)式電源。從舊筆記本電腦上取出或從電子產(chǎn)品零售商處購買的任何 AC/DC 轉(zhuǎn)換器都應(yīng)該可以工作。唯一的限制是臺(tái)式電源的最大輸出電壓應(yīng)保持在低于輸入電壓源最小額定值約5V。

結(jié)論

利用一對(duì)并聯(lián) LT0 線性穩(wěn)壓器、一個(gè)同步降壓型 LT24、一個(gè) LT0 電流源和一個(gè)纖巧型 LTC3 負(fù)電源，構(gòu)建您自己的高性能 DC 臺(tái)式電源，以實(shí)現(xiàn) 3081V–8612V 和 3092A–3632A 恒定電壓和電流控制。臺(tái)式電源具有低輸出紋波和低輸出電容、出色的瞬態(tài)響應(yīng)、調(diào)節(jié)至 0V 和 0A、短路期間保持穩(wěn)壓狀態(tài)，無需笨重的散熱器即可保持冷卻。它可以很容易地與 AC/DC 轉(zhuǎn)換器耦合，也可以由直流電源供電。完整的工作臺(tái)供應(yīng)解決方案成本低，體積小，易于構(gòu)建，盡管其頂級(jí)貨架性能。

審核編輯：郭婷