歐陽鵬，周偉平

（湖南科技大學(xué)，湖南湘潭，411201）

本文將介紹一種電源模塊設(shè)計(jì)，這種電源模塊可以提供多路電壓輸出，并且可以穩(wěn)定地輸出雙電壓。該設(shè)計(jì)采用了LT8471 芯片以及TPS7A4700RGWT 芯片和TPS7A3301RGWR芯片，這些芯片的特性使得設(shè)計(jì)的電源電路具有高精度、高穩(wěn)定性以及高效率等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 硬件總體結(jié)構(gòu)

1 總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的供電電路是一種具有高精度、低噪聲的電源模塊，其總體結(jié)構(gòu)主要由供電電源、一級(jí)電源電壓輸出調(diào)整電路和二級(jí)電源電壓輸出調(diào)整電路三個(gè)部分組成。首先，供電電源是整個(gè)系統(tǒng)的能源供給部分，它負(fù)責(zé)將外部輸入的12V 電壓轉(zhuǎn)化為供電電源，為整個(gè)系統(tǒng)提供12V 電壓。供電電路輸出端與一級(jí)電源電壓輸出調(diào)整電路的輸入端相連，為后續(xù)的電壓調(diào)整提供穩(wěn)定的能量來源。一級(jí)電源電壓輸出調(diào)整電路是整個(gè)電源模塊的核心部分，它主要由降壓型開關(guān)電壓調(diào)節(jié)芯片和TPS7A4700RGWT 電壓轉(zhuǎn)換芯片、TPS7A3301RGWR 電壓轉(zhuǎn)換芯片等組成。這個(gè)電路的設(shè)計(jì)目的是在一級(jí)電源電壓輸出調(diào)整電路的輸出端穩(wěn)定地輸出+5V3 和-5V3 的電壓。這一部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)對(duì)于整個(gè)電源模塊的性能起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)樗獙?shí)現(xiàn)對(duì)供電電源輸出的直流電進(jìn)行第一次調(diào)整，以滿足高精度光耦器件對(duì)電源電壓的需求。最后，二級(jí)電源電壓輸出調(diào)整電路是整個(gè)系統(tǒng)的最終輸出部分，它的輸入端與一級(jí)電源電壓輸出調(diào)整電路的輸出端相連，輸出端則是穩(wěn)定輸出+5V 和-5V 的電壓。這個(gè)電路的設(shè)計(jì)目的是通過對(duì)+5V3 和-5V3 的電壓進(jìn)行第二次調(diào)整，以獲得最終穩(wěn)定的+5V 和-5V 的電壓輸出。在整體設(shè)計(jì)上，三個(gè)組成部分之間通過電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)互相連接，互相影響，共同構(gòu)成了這個(gè)高精度、低噪聲的電源模塊。其中一級(jí)電源電壓輸出調(diào)整電路可同時(shí)穩(wěn)定輸出+5V3和-5V3 電壓，二級(jí)電源電壓輸出調(diào)整電路可分別穩(wěn)定輸出+5V 和-5V 電壓。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于它能夠提供穩(wěn)定且精確的電壓輸出，從而滿足高精度光耦器件對(duì)電源電路的需求。

2 電源模塊的主要性能

電源模塊使用的芯片包括LT8471、TPS7A4700RGWT、TPS7A3301RGWR，LT8471 是一款高性能的PWM DC/DC轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部包含了兩個(gè)2A、50V 開關(guān)和一個(gè)額外的500mA 開關(guān)。每個(gè)2A 通道可以獨(dú)立地配置為降壓轉(zhuǎn)換器，而且LT8471 的輸出端能夠分別輸出正負(fù)電壓，它是電源電路設(shè)計(jì)的理想選擇之一，可以獨(dú)立給高精度光耦器件提供電能。LT8471 的使用不僅能夠提高電源模塊的電能轉(zhuǎn)換效率，而且還可以有效降低電源模塊的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，同時(shí)提升電源模塊的可靠性。TPS7A4700RGWT 是一種正電壓超低噪聲低壓降線性穩(wěn)壓器芯片，它能夠穩(wěn)定地提供正電壓。這種穩(wěn)壓器芯片具有低噪聲、低功耗、高效率等優(yōu)點(diǎn)，而且其輸出電壓穩(wěn)定性非常好，可以滿足高精度光耦器件對(duì)電源電壓的需求。TPS7A3301RGWR 則是一種負(fù)電壓超低噪聲低壓降線性穩(wěn)壓器芯片，它能夠穩(wěn)定地提供負(fù)電壓。這種穩(wěn)壓器芯片同樣具有低噪聲、低功耗、高效率等優(yōu)點(diǎn)，而且其輸出電壓穩(wěn)定性也非常好，同樣可以滿足高精度光耦器件對(duì)電源電壓的需求。

綜上所述，本設(shè)計(jì)的電源模塊所采用的這些芯片不僅具有低噪聲、高效率等優(yōu)點(diǎn)，而且還可以穩(wěn)定地提供正負(fù)電壓，這使得本設(shè)計(jì)的電源模塊在應(yīng)用上具有非常高的實(shí)用性和廣泛性，它不僅可以應(yīng)用在需要穩(wěn)定電壓的電子設(shè)備中，如敏感的儀器、測(cè)試和測(cè)量設(shè)備、音頻和射頻應(yīng)用等場(chǎng)合中，而且還特別適用于高精度光耦器件的供電電路中，具有很高的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

3 電路設(shè)計(jì)

■3.1 供電電路設(shè)計(jì)

供電電源的主要作用是提供穩(wěn)定的12V 電源，將外部12V 輸入電壓轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電壓，該電路主要由濾波電容、濾波電感、電阻、增強(qiáng)型MOS 管、穩(wěn)壓管構(gòu)成，可以有效濾除雜波，適用于各類電路，圖2 中J19 為排針，該器件的作用是連接外部輸入電壓，是整個(gè)電路電壓的來源。F1 為保險(xiǎn)絲，防止外部電壓輸入過大破壞整體電路功能。D1為穩(wěn)壓管，具有穩(wěn)壓的作用，便于后續(xù)對(duì)輸入電壓的處理。U1 器件為增加型MOS 管，該器件具有整流的作用，可以使輸出電壓更加穩(wěn)定。L2 為共模濾波電感，適合于開關(guān)電源，具有良好的濾波作用。

圖2 供電電路

為了使電源正常工作，需要注意以下要點(diǎn)：首先，要確保輸入電壓在規(guī)定范圍內(nèi)，以保證電路的安全性和穩(wěn)定性；其次，要選擇合適的濾波元件參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的濾波效果；最后，要注意保護(hù)電路元件的額定值和負(fù)載情況，以保證電路的安全性和穩(wěn)定性。整體電路設(shè)計(jì)如圖2 所示。在實(shí)際應(yīng)用中，該電路具有很強(qiáng)的實(shí)用性。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該電路抗干擾性較強(qiáng)，可以穩(wěn)定提供12V 的輸出電壓。此外，該電路還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造和調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)。因此，本電路設(shè)計(jì)可以在各種需要提供穩(wěn)定直流電壓的電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用?？傊?，本供電電源電路具有良好的穩(wěn)壓性能和濾波性能，能夠提供穩(wěn)定的12V 輸出電壓，適用于各種需要直流電源的電子設(shè)備中。在實(shí)際應(yīng)用中，為了保證電路的安全性和穩(wěn)定性，需要注意輸入電壓的范圍和濾波元件的參數(shù)選擇等問題。同時(shí)，本電路設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的實(shí)用性和廣泛的應(yīng)用前景，值得在電子設(shè)備領(lǐng)域中推廣和應(yīng)用。

■3.2 一級(jí)電源電壓輸出調(diào)整電路設(shè)計(jì)

一級(jí)電源電壓輸出調(diào)整電路主要由LT8471 芯片、濾波電容網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成，供電電路的輸出端與該電路的輸入端相連，如圖3 所示，該電路有兩個(gè)輸入端和輸出端，該芯片C1、C2 引腳為輸入引腳，旁路電容為濾波電容，輸出引腳E1 和E2 可分別輸出正負(fù)電壓，通過E1 引腳、FB1 引腳和E2 引腳、FB2 的引腳的反饋電路，可實(shí)現(xiàn)升壓、降壓功能，本電路實(shí)現(xiàn)的是降壓功能，通過設(shè)置反饋電阻R1、R4、R7、R8 的電阻值，電路可完成降壓功能，引腳可輸出+5V3 和-5V3 電壓，輸出電壓由反饋電路中的反饋電阻R1、R4、R7、R8 計(jì)算得出，根據(jù)LT8471 數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，反饋網(wǎng)絡(luò)中電阻的計(jì)算公式為R1=R4·(Vout/VFB-1)、R7=R8·(Vout/VFB-1)，Vout 為電路設(shè)定的輸出值，VFB 為反饋電壓，當(dāng)輸出為正電壓時(shí)，VFB 的值為0.789V，輸出為負(fù)電壓時(shí)，VFB 的值為-0.789V，根據(jù)數(shù)據(jù)參考手冊(cè)提供參考電路可知，R4 和R7 的電阻值可為59k，經(jīng)過計(jì)算可知，當(dāng)R4 和R7 的值為59k，輸出電壓為+5V3 和-5V3 時(shí)，R1和R8 的電阻值約為340k。輸出電壓后續(xù)經(jīng)過由濾波電容構(gòu)成的濾波電路后可輸出穩(wěn)定的直流電壓，該濾波電路由電解電容和濾波電容構(gòu)成，可濾波多種頻段的雜波，該電路可為二級(jí)電源電壓輸出調(diào)整電路提供電壓。

圖3 一級(jí)電源電壓輸出調(diào)整電路

■3.3 二級(jí)電源電壓輸出調(diào)整電路設(shè)計(jì)

二級(jí)電源電壓輸出調(diào)整電路（見圖4、圖5）主要由TPS7A4700RGWT、TPS7A3301RGWR 芯片、濾波電容組成，TPS7A4700RGWT 芯片的作用是正電壓超低噪聲低壓降線性穩(wěn)壓器，其中，TPS7A4700RGWT 主要采用雙極型技術(shù)，主要用于高準(zhǔn)確度、高精度儀器儀表應(yīng)用。配置該芯片輸出電壓時(shí)，用戶可通過芯片引腳或使用外部反饋電阻器調(diào)節(jié)。在此類應(yīng)用中，規(guī)整的電壓軌對(duì)于系統(tǒng)性能的最大化至關(guān)重要。這種設(shè)計(jì)使其成為光耦器件供電的首選器件之一。TPS7A3301RGWR 芯片的作用是負(fù)電壓超低噪聲線性穩(wěn)壓器，性能與上述芯片功能類似。由數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，在負(fù)電壓輸出電路中，當(dāng)R10 電阻值設(shè)為332k，R12 電阻值設(shè)為102k 時(shí)，可保證輸出電壓為穩(wěn)定的-5V 直流電源。在正電壓輸出電路中，TPS7A4700RGWT 芯片中的第6 引腳和第10 引腳接地時(shí)，則可以穩(wěn)定輸出的+5V 電壓。

圖4 二級(jí)電源電壓輸出調(diào)整電路

圖5 二級(jí)電源電壓輸出調(diào)整電路

圖7 二級(jí)電源電壓輸出調(diào)整-5V 電路輸出仿真結(jié)果

圖8 電路實(shí)物圖

4 電路仿真結(jié)果

通過使用Pspice 軟件對(duì)二級(jí)電源電壓輸出調(diào)整電路進(jìn)行模擬仿真，我們發(fā)現(xiàn)該電路設(shè)計(jì)具有高精度和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，能夠同時(shí)輸出+5V 和-5V 的電壓。這一特性在電源電路中非常重要，因?yàn)橥瑫r(shí)提供正負(fù)電壓是許多應(yīng)用場(chǎng)景的關(guān)鍵需求。在仿真過程中，我們觀察到二級(jí)電源電壓輸出調(diào)整電路的輸出電壓表現(xiàn)出了很強(qiáng)的穩(wěn)定性。即使在輸入電壓波動(dòng)等條件下，其輸出電壓仍然保持在預(yù)定范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)大的偏差。這一結(jié)果表明該電路設(shè)計(jì)具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。為了進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)際應(yīng)用效果，我們對(duì)二級(jí)電源電壓輸出調(diào)整電路進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。通過分析和評(píng)估這些實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，我們得出結(jié)論：該電路設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)不僅滿足了基本的功能需求，而且在實(shí)際應(yīng)用中能提供穩(wěn)定可靠的電源輸出，具有一定的實(shí)用性?？傊?jí)電源電壓輸出調(diào)整電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)具有良好的性能和穩(wěn)定性，能夠滿足同時(shí)提供正負(fù)電壓的基本需求。在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出了一定的實(shí)用性。因此，該電路設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法可以應(yīng)用于需要穩(wěn)定電源輸出的電子設(shè)備中。

5 電路測(cè)試

在整個(gè)電路打樣完成后，應(yīng)先檢查電路模塊是否存在缺陷，包括元器件短路、虛焊等情況，觀察芯片是否存在焊錯(cuò)和焊反位置的情況，接入12V 電源電壓后，使用萬用表分別測(cè)量一級(jí)電源電壓輸出調(diào)整電路的輸出端是否輸出正常，再測(cè)量二級(jí)電源電壓輸出調(diào)整電路的輸出端是否輸出正常，最后觀察該電路是否可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

6 結(jié)語

本文介紹了一種基于高精度光耦器件的電源電路設(shè)計(jì)，其目的在于提供一種能為高精度光耦器件提供高精度的電源輸出的方法，通過設(shè)置互相配合的供電電源、一級(jí)電源電壓輸出調(diào)整電路、二級(jí)電源電壓調(diào)整電路，該電路能夠有效提高電源轉(zhuǎn)換效率，提高了電壓輸出的精度，一級(jí)電源電壓輸出調(diào)整電路可同時(shí)輸出+5.3V 和-5.3V 的電壓，二級(jí)電源電壓調(diào)整電路可同步穩(wěn)定輸出+5V 和-5V 的電壓，解決了光耦器件受到供電電源輸出噪聲影響的問題，該電源電路具有很強(qiáng)的實(shí)用性。對(duì)于現(xiàn)代電子設(shè)備而言，電源電路的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。尤其對(duì)于那些需要高精度光耦器件的應(yīng)用，一個(gè)穩(wěn)定、高效的電源電路是必不可少的。本文詳述的設(shè)計(jì)，不僅考慮了電源的精度和效率，還著重解決了光耦器件可能受到供電電源輸出噪聲影響的問題?？偟膩碚f，本文所介紹的高精度光耦器件的電源電路設(shè)計(jì)，不僅解決了供電電源噪聲對(duì)光耦器件的影響，而且優(yōu)化了電源的工作效率和穩(wěn)定性。其簡(jiǎn)潔、實(shí)用、高效的設(shè)計(jì)理念，值得在現(xiàn)代電子設(shè)備中廣泛應(yīng)用和推廣。