［去库存］之可调准精密直流电源

longshort

　　清理搬家杂物时发现，早年的一个DIY双卡机（赤膊的）的电源使用了一只3AD18，在处理掉这台赤膊机之前，把一些要紧保留的零件都拆了下来，包括这只3AD18。这时就有了个想法，用它做一台可调直流稳压电源，手边实际上还没有一台趁手的可调电源呢。

　　基本想法是这台电源要有足够的准确度，能适合维修、实验、一般性研发的需要，所以它要有一定的精密度，又要有一定的输出能力，还必须有较低的宽带噪声，这也就是主题上那个“准”字的由来。

　　电路采用LDO接法，稳压输出电压为(3~18)V，涵盖多数模拟设备DIY的需要。输出电流为(0~5)A，总输出功率为90W，手边的一个120VA环形变压器正好合用，变换电压是AC220V/AC18V。

　　电压基准使用一个2DW232来承担，根据测试的情况，选择零温度系数左边一点点的地方，工作电流是9.4mA。这可以保证随着温度的上升，基准电压是单调上升的，在0摄氏度到35摄氏度区间的温度系数大约是平均20ppm每摄氏度。基准不做任何保温措施，因为这对一个普通的可调电源来说，稳定度已经足够高了。对于(0~35)摄氏度的全温范围，电压变化大约0.07%，相当于每5摄氏度变化0.01%。对精密测量来说这是低稳定度的，对维修来说这是高稳定度的，而对于实验和一般性研发，这是比较适当的稳定度，所以这是“准”的主要意义。

　　输出的负载调整率是一个重要的参数。鉴于稳定性的度量达到了0.01%，所以负载在每安培电流负载的电压跌落比例，也要在1E-4（即0.01%）的数量级。对于18V的输出电压，0.01%为1.8mV，采用运放来达到这一指标非常容易。由于最低输出电压为3V，那么18V折合到3V的比例是6倍，于是运放输入端接收到的变化是0.3mV，总的放大量要求在60,000倍以上。因为负载调整率的定义是U/I，因而也可理解为是电源的动态内阻。

　　输出是可调的，输出的稳定度又被限制在1E-4的数量级，因此顺理成章地要求显示和控制都能达到1E-4的数量级。于是，可调电位器应当选择多圈电位器，而电压表则非四位半以上的数字电压表莫属。由于可调电位器有温度系数的问题，所以需要考虑电位器的阻值大小，过大过小都会对输出电压的稳定度造成可观的影响。

　　输出电压的质量，除了电压对温度的稳定度以外，还有一个重要参数，即宽带噪声的大小。开关电源的这个指标超过100mV的数量级，普通线性稳压电源在几个mV的水平，精密电源则可达到几个uV。噪声的带宽一般视使用的场合而定，对于音频应用，带宽是20Hz~20KHz。由于是“准”精密的应用，因此将指标定在10uV~1mV的范围，这个范围的等比中心值是100uV。由于在最大电流输出时，整流滤波侧的电压降幅可达6V左右，相应的纹波幅度峰峰值变化也会接近6V或更高，对于最低10uV的噪声抑制，最少需要6/0.00001=600,000倍的放大量，于是运放的增益上限又增加了9倍。

　　锗功率管的使用需要一些特别的处理。无论什么功率级别的锗功率管，其芯片到外壳的热阻无论多少，都奇怪地限制在35摄氏度的温度差范围。虽然有热阻这一特定的参数可以计算，但是因为温度升高对锗器件的巨大影响，实际的最高运行环境温度不能超过50摄氏度，这也是被实践所证明了的，因而这是一个需要严格遵守的硬性上限。对于这一点，一是需要将锗管的Icbo充分泄放而不至于被晶体管作为Ib而放大成Iceo，二是要有足够的输出泄放通路，三是采取功率管的风冷措施，这在今天是一个唾手可得的便利条件。风冷是间断性的，最初设计的是45摄氏度起控，但机电元件的窗口过大，常常要到47 摄氏度以上才发生动作，因而输出管有临时失效的现象存在，故而又改为35摄氏度起控。

　　机箱用了一个失效已久的VCD机箱改制，散热器使用了一个拆机的CPU热沉，加上一个AC220V的交流风扇，通过一个TO220封装的35摄氏度常开热继电器控制通断。


补充内容 (2017-11-29 17:59):
谢谢各位老师加分！

longshort

qzlbwang 发表于 2017-12-1 11:17
稳定性——是指环路稳定性？还是指热稳定性？或是什么稳定性？不知所云，猜测是指热稳定性。

热也罢，环路也罢，只要扯上“稳定性”，立马就显得非常高大上．．．

johny05

longshort 发表于 2017-11-30 16:29
下图是LDO电路的原型，LDO含义为低压差线性稳压器（Low DropOut）的缩写。

谢谢您的回复。但是我觉得您的电路仅仅是一个一般的线性稳压器，看不到低压差的部分，而且通常所说的 LDO （低压差）稳压器一般都是集成电路稳压器。就您的这个大调压范围的稳压器而言，绝大部分电压输出都不在‘低压差’的范畴，不知您的稳压器的输出电压与输入电压的差别是多少？请原谅菜鸟的无知。

longshort

　　最终设计和测试的电路如下：

　　

电路

　　PCB的正面，10cmx10cm：

　　

PCB1

　　PCB的反面，注意做了汇流条的阻焊窗：

　　

PCB2

　　装上铜柱：

　　

PCB3

　　焊上1mm铜线做汇流条：

　　

PCB4

　　焊上测试端子和插座：

　　

PCB5

　　完成的主板：

　　

PCB6

　　做散热器的：

　　

热沉1

　　锗功率三极管：

　　

热沉2

　　组装热沉与管子：

　　

热沉3

　　风扇组装：

　　

热沉4

　　风冷热沉完成：

　　

热沉5

　　布局：

　　

布局

longshort

　　初试：

　　

测试1

　　调整基准电压：

　　

测试2

　　在电位器中点测试：

　　

测试3

　　准备做负载调整率测试：

　　

测试4

　　在单点连接的铜柱上测试：

　　

测试5

　　单点连接铜柱上的测试结果，负载调整率是0.34mV/A。即内阻约0.34毫欧。而在输出接线柱上测量时，因为导线+六个连接点的总接触电阻达到了5毫欧，故在负载上的电压跌落达5mV/A。


　　给泄放管加散热器：

　　

测试6

　　测试风冷起控温度：

　　

测试7

　　测试风冷断开温度：

　　

测试8

　　测试温度系数，共连续运行一周时间：

　　

测试9

　　宽带噪声测试的两个瞬间：

　　

测试10

　　

测试11

　　宽带噪声测试的带宽是20Hz~300KHz，图纸上的实测指标是折合到20Hz~20KHz带宽后的值，并实际分成空载时和1A负载时。

乙猪

看见去库存就顶。

一路同行

去了小库存，增加了大库存。

sjp

思路可以的，AC18V出不了稳压后的DC18V吧,35度启动风扇也太低了吧，大伏天气温超过35度电源还没开风扇自己转了。

longshort

sjp 发表于 2017-11-29 11:01
思路可以的，AC18V出不了稳压后的DC18V吧,35度启动风扇也太低了吧，大伏天气温超过35度电源还没开风扇自己 ...

最好不要想当然。

AC18V在整流输出后的5A电流下，120VA变压器是19.5V，对于我的LDO稳压绰绰有余。

空气流体在一定的速度下流过金属物体表面，带走的热量可以使金属表面温度比环境温度低5度甚至更多，这一基本的物理常识能确保我的稳压器可以工作到环境温度30摄氏度而风扇仍能可靠关闭。至于超过30摄氏度的环境温度，本来就是要它长期工作的。再者，大伏天您会把这么一个室内用的稳压电源拿到室外去用么？

scu319hy

低压大电流时就是个电热炉啊  我一直也想做这电源，就是低压大电流的问题比较困扰我，多绕组的变压器还要定制。
调整管还好，采样控制部分的热稳定性是牵一发而动全身啊，有什么特别的处理么？

求知无足

最低电压输出时，效率可能不高。

longshort

scu319hy 发表于 2017-11-29 12:00
低压大电流时就是个电热炉啊  我一直也想做这电源，就是低压大电流的问题比较困扰我，多绕组的变压器还 ...

问到点子上了。

采样的可调控制最初使用了一只普通的WXD3-13多圈电位器，一开始是用的1K欧，期望泄放掉锗功率管的全部Icbo，通过电流最高达15mA，功耗是225mW，虽然没有超过2W的最大限制，但实际上内部电阻丝的温升已经达到或者超过了15摄氏度，结合电阻丝本身的温度系数，在18V位置的热漂移达到了90mV，温度系数超过了300ppm每摄氏度。

后来换用了同型号的33K，热漂移减小到6mV左右，但仍然觉得太大，于是上网寻找低温度系数的多圈电位器，结果看到BOUNS的3590S电位器似乎温度系数比较低，买了价格上相差一倍的进口和国产仿品进行试验，结果进口完胜。所以最后还是选择了BOUNS的进口3590S。现在用的是5K欧，除了启动时最初的几个mV上升外，上电三小时之后在六位半表上看不出明显的漂移。

低压大电流方面，我首先是用了2oz的双面板，有大电流的地方一定是双面走线，这等效于铜厚加倍。在反面的铜箔上开阻焊窗，留出焊锡面用以加焊汇流铜丝，铜丝越粗越好。这样处理以后，从整流输出端到输出端的总电阻可控制到5毫欧左右，稳压前的电压降落在5A时最多25mV，这样主板上的电流发热可大大减少。其次，主板与外部的大电流连接不要使用普通的接插件，而要使用铜柱螺丝来连接和固定。连接线我用的是1.31平方的硅胶线，总长度约24cm，加上六个连接点的总接触电阻是5毫欧零一点。因为是按“准精密”要求设计的，所以没有考虑四线连接，否则这5毫欧可以完全排除掉。

看起来大电流的可调稳压电源还是要考虑使用开关电源，否则电源效率实在太低。

longshort

scu319hy 发表于 2017-11-29 12:00
低压大电流时就是个电热炉啊  我一直也想做这电源，就是低压大电流的问题比较困扰我，多绕组的变压器还 ...

另外，我用的环形变压器空载电流极低，不到20mA，整天接着电源也只有表面有些微温，看来现在的变压器材料性能已经提升很多了。

longshort

求知无足 发表于 2017-11-29 12:21
最低电压输出时，效率可能不高。

是的，电路图中已经限定特定电流的电压段。反过来说，低电压时常常没有大电流的需要，不过以后会有开关稳压器在准精密方面的设计考虑。

sjp

longshort 发表于 2017-11-29 12:51
是的，电路图中已经限定特定电流的电压段。反过来说，低电压时常常没有大电流的需要，不过以后会有开关稳 ...

这么高要求的电源应该用精密基准电压源REF01或REF02，电源性能还要好。

longshort

sjp 发表于 2017-11-29 13:24
这么高要求的电源应该用精密基准电压源REF01或REF02，电源性能还要好。

“准精密”的要求并不高，国产2DW23x系列管子刚刚好。要论做精密电源，ref01或ref02根本入不了我的眼。

家家乐

感觉不如338稳定。

低压次级多抽头如何？