用于優(yōu)質(zhì)音頻電源的高性能單軌線性穩(wěn)壓電源（PSU）設(shè)計(jì)制作

一、概述

目前市面上大部分音頻設(shè)備采用了數(shù)字式電源及數(shù)字式功放。這種產(chǎn)品經(jīng)醫(yī)學(xué)研究表明長(zhǎng)時(shí)間聽音樂會(huì)給人們產(chǎn)生很大心理障礙（比如煩躁感）及聽力損傷問題。開關(guān)電源它通過高速開關(guān)晶體管將輸入的電壓在時(shí)域內(nèi)切分，從而輸出脈動(dòng)的直流電壓。對(duì)這個(gè)脈動(dòng)直流電壓重新積分可獲得電壓低于輸入電壓的穩(wěn)定的支流電壓。通過控制脈沖寬度，就可以控制輸出電壓。開關(guān)晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)，其上有電壓時(shí)無電流，有電流時(shí)無電壓，電壓和電流的積保持為0，因此理論上開關(guān)管擔(dān)負(fù)了電壓轉(zhuǎn)換的作用但其自身并不消耗功率。這使得開關(guān)電源效率高達(dá)90%以上。由此可見開關(guān)電源工作的開關(guān)方式，其獲取能量是突變的，所以會(huì)產(chǎn)生高頻電磁輻射影響周邊設(shè)備及對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾，這樣一來開關(guān)電源的聲底就不夠純凈。從而造成對(duì)人們的聽力損傷與心理障礙。而傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源則沒有射頻干擾這個(gè)弊端。因此功率放大器若要獲得優(yōu)異的音質(zhì)還須考慮使用線性穩(wěn)壓電源。基于這個(gè)原因促使我們想構(gòu)建一款高性能Hi-Fi功放專用線性穩(wěn)壓電源以適合廣大對(duì)線性電源喜愛的人們及“Realtek 無線 + ST 功放”的應(yīng)用場(chǎng)景。

下面講述的是一款高性能DIY單軌線性穩(wěn)壓電源（PSU）的設(shè)計(jì)制作。該電路具有低噪聲、大電流、出色的線路/負(fù)載調(diào)節(jié)、寬帶寬和穩(wěn)定性特性。 非常適合 DIY 立體聲耳機(jī)放大器、前置放大器、DAC、網(wǎng)絡(luò)媒體播放器和其他需要單軌穩(wěn)壓 PSU 的應(yīng)用。該電路使用所有分立元件（無集成電路），并采用大電流 MOSFET 作為輸出“通過”器件。電路設(shè)計(jì)以及印刷電路板布局是PADS，可開源給用戶使用的。它被設(shè)計(jì)成相對(duì)容易構(gòu)建，但不推薦作為初學(xué)者的首次項(xiàng)目。要獲得空白印刷電路板和一些相關(guān)部件，后續(xù)可訪問大大邦商城。具體的物料請(qǐng)參閱BOM Lists部分。在嘗試構(gòu)建 PSU 之前，請(qǐng)務(wù)必完全理解所有內(nèi)容，否則請(qǐng)考慮讓更有經(jīng)驗(yàn)的人為您構(gòu)建線性穩(wěn)壓放大器，或者構(gòu)建一個(gè)更簡(jiǎn)單的項(xiàng)目。該項(xiàng)目主要以 PSU 板為中心。要構(gòu)建一個(gè)工作電源，因此還需要一個(gè)電源變壓器、IEC 電源輸入插座、電源開關(guān)，以及一個(gè)外殼機(jī)箱來容納電路板。 由于變壓器的存在，此類PSU系統(tǒng)的效率往往只有60%（可以簡(jiǎn)單的看作輸出功率與輸入功率之比）。另外開關(guān)電源因其電壓反饋信號(hào)通道過長(zhǎng)和控制電路復(fù)雜，其瞬態(tài)提供大電流的能力（瞬態(tài)特性）不如傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源。而瞬態(tài)響應(yīng)特性卻是區(qū)別音頻功率放大器優(yōu)劣的重要特性指標(biāo)，以下是組裝好的PSU 電路板：

二、電路說明

2.1 工作原理

來自電源變壓器次級(jí)的交流輸入由分立的快速恢復(fù)二極管 D4、D5、D12、D13 進(jìn)行全波整流，并由電容器 C4 進(jìn)行平滑處理。每個(gè)二極管都由一個(gè)緩沖電容器 C7、C21-C22 旁路以降低噪聲。整流后的 DC 然后饋入電壓調(diào)節(jié)器部分。該穩(wěn)壓器由一組分立器件實(shí)現(xiàn)的等效高電流輸出運(yùn)算放大器組成，用作誤差放大器。 Q5 和 Q6 形成一個(gè)經(jīng)典的差分長(zhǎng)尾對(duì) (LTP)，由電流鏡像電路（Q4、Q8）加載以增加開環(huán)增益。因?yàn)樵黾拥娜址答亴⒂兄诒３值洼敵鲎杩共⑻岣哒w穩(wěn)定性。通過 LTP 的電流由電流源D11 控制。Q7 是 VAS 級(jí)，由電流源D8 加載，并由電容器 C27 補(bǔ)償。兩個(gè)18A功率MOSFET Q1和Q2并聯(lián)，作為輸出“通過”晶體管。兩個(gè)設(shè)備的并聯(lián)分開了散熱，并確保它們?cè)趪?yán)重的過流條件下不會(huì)失效。這消除了對(duì)限流電路的需求。只需要一個(gè)合適尺寸的交流電源保險(xiǎn)絲來保護(hù)電源變壓器和其他組件免受損壞。

該電源的最大電流容量基本上僅受變壓器、整流器和 MOSFET 的散熱量（當(dāng)然還有交流電源保險(xiǎn)絲）的限制。誤差放大器作為同相放大器工作。該放大器的輸入由齊納二極管 D6提供的直流參考電壓供電。齊納電流來自電流源 D9。由 R9 和 C26（轉(zhuǎn)換頻率為 1.6Hz）形成的 RC 濾波器有效地消除了任何齊納噪聲。然后誤差放大器將參考電壓乘以所需的輸出電壓。輸出電壓由 D6 的齊納電壓和誤差放大器的增益設(shè)置決定（并且可以通過改變 R6的值來改變）。電壓基準(zhǔn)和誤差放大器（輸出 MOSFET 除外）通過由 Q3、R8 和 C23 形成的電容倍增器獲得電源電壓。這與額外的電容器 C24 和電流源的使用一起，顯著提高了 PSRR（電源抑制比）以改善線路調(diào)節(jié)。 D7 和 C5 有助于防止在高負(fù)載電流期間增加的預(yù)調(diào)節(jié)電壓紋波影響電容倍增器的性能。

2.2 多路電壓輸出

本PSU版能提供四組直流輸出接線端子，其中主電源設(shè)計(jì)有用于“開機(jī)”指示燈的LED電路。即使沒有任何連接到輸出，LED 也會(huì)為穩(wěn)壓器（從 V+ 到 V-）提供較小的標(biāo)稱負(fù)載。它還有助于在電源關(guān)閉后緩慢地對(duì)軌道電容器放電。

三、電路及電路板設(shè)計(jì)

3.1，主電路仿真

為了保證正確的輸出，我們采用業(yè)內(nèi)著名的電路仿真軟件TINA-TI進(jìn)行簡(jiǎn)單的模擬電路的各種輸出參數(shù)以保證電路的正確性及可靠性（仿真軟件采用TINA-TI，仿真模型基于TINA-TI的自帶庫(kù)。仿真條件為：25℃下全典型模型），以下是輸出的電路參數(shù)圖示：

3.1 PSU電路仿真原理圖

3.2  PSU 電路的直流特性圖

3.2，電路板設(shè)計(jì)

電路板設(shè)計(jì)采用PADS Layout工具，PCB打樣采用優(yōu)質(zhì) FR-4 玻璃環(huán)氧樹脂制成，雙層鍍通孔以及絲印和阻焊層。 銅層為 2 盎司重載結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)低阻抗。 下圖說明了一些重要的電路板尺寸。 當(dāng)您在機(jī)箱外殼上工作時(shí)，可以將其用作參考。電路板設(shè)計(jì)完成如下：

四、零件清單

下面說明了為 24VDC 輸出配置的 PSU。請(qǐng)參閱下面有關(guān)其他輸出電壓的詳細(xì)信息。另請(qǐng)參閱板和散熱器部分以了解散熱器注意事項(xiàng)。有關(guān)特定零件建議和選項(xiàng)，請(qǐng)參閱以下部分。也可從 大大邦商店購(gòu)買,零件數(shù)量說明見附件BOM清單.

五、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1), 誤差放大器的電壓增益由 R6 和 R1 的比率決定。該增益乘以 D6 齊納二極管電壓，決定了穩(wěn)壓器的輸出電壓。增益由以下公式計(jì)算：

G = (R6 / R1) + 1

當(dāng)R6和R1均為10KΩ時(shí)，增益為2。D6為18V齊納二極管，則輸出電壓為24V。請(qǐng)不要更改 R6 的值，因?yàn)樗c C25 形成了一個(gè) RC 時(shí)間常數(shù)，從而形成了誤差放大器的高頻響應(yīng)。這些值經(jīng)過仔細(xì)調(diào)整，以在保持穩(wěn)定性的同時(shí)提供擴(kuò)展的帶寬。
2), 齊納穩(wěn)壓二極管設(shè)置參考電壓，該電壓與誤差放大器的電壓增益一起設(shè)置 PSU 的輸出電壓。

注：PSU板輸出電壓的精度取決于 D6 齊納穩(wěn)壓管的電壓精度。齊納二極管具有相當(dāng)寬的容差，因此您的實(shí)際輸出電壓可能不完全符合目標(biāo)。通常這無關(guān)緊要，因?yàn)橐纛l電路通常對(duì)這種電壓容差不敏感。如果您的應(yīng)用需要高水平的電壓精度，那么您應(yīng)該選擇一些 高精度的 齊納穩(wěn)壓二極管。

3), R7 是 LED 的限流電阻。這些電阻器的最佳值取決于您選擇的 LED。使用這個(gè)在線 LED 電阻值計(jì)算器來確定您的 R7 應(yīng)該是什么值。根據(jù)電阻器的值及其兩端的壓降，您應(yīng)該注意使用額定功率足夠高的電阻器。實(shí)際功耗由下式計(jì)算：

瓦特 = V2 / R

其中 V 是壓降，R 是 R7 的值。

例如，如果使用10KΩ的電阻，壓降為28V，則功耗約為0.08W。在這種情況下，一個(gè) 1/8W 或 1/4W 的電阻器就可以正常工作。電阻器的類型并不重要，只要合適即可。

4), 電容器

C7、C20、C21、C22、C25：多層陶瓷電容器（NP0或C0G）220pF

C6、C19：金屬化聚酯薄膜電容器1μF

C4：鋁電解電容低ESR高可靠

±30V或以下輸出：2x 2200μF 50V 或 1x 4700μF 50V

對(duì)于 ±36V 輸出：2x 1500μF 63V 或 1x 2700μF 63V

C5、C23：鋁電解電容63V低ESR高可靠100μF

C24、C26：鋁電解電容63V低ESR高可靠470μF

C27：金屬化聚酯薄膜電容器3900pF

D9、D11：2.0mA-2.2mA電流調(diào)節(jié)二極管

DO-35、DO-41、TO-92 或 TO-18（參見BOM）

Semitec E-202

Onsemi半導(dǎo)體 1N5306

Vishay-Siliconix CR240 

Vishay-Siliconix J508

D8：4.7mA-5.6mA電流調(diào)節(jié)二極管

DO-35、DO-41、TO-92 或 TO-18（參見BOM）

Semitec E-562

Onsemi半導(dǎo)體 1N5314

Vishay-Siliconix CR470

Vishay-Siliconix J511

晶體管(參考BOM)

關(guān)于晶體管的注意事項(xiàng)：

不需要特殊的晶體管匹配。

不要用其他類型的晶體管和 MOSFET 代替。補(bǔ)償電容器的值已針對(duì)指定器件的最佳性能進(jìn)行了調(diào)整。更改為其他類型可能會(huì)降低性能或?qū)е虏环€(wěn)定。

不要將 MOSFET 安裝在遠(yuǎn)程散熱器上。從電路板到 MOSFET 的附加布線可能會(huì)導(dǎo)致振蕩。

散熱片

由于高度和其他機(jī)械/物理屬性，您選擇的散熱器會(huì)影響機(jī)箱的兼容性。

連接器

PCB 接線端子（可選，允許輕松連接/斷開與 PCB 的接線）：

電源變壓器

支持單次級(jí)、雙次級(jí)和中心抽頭次級(jí)變壓器。為了最小的雜散磁場(chǎng)，推薦使用環(huán)形類型。下表列出了針對(duì)各種輸出直流電壓的變壓器次級(jí)建議。

輸出電壓 變壓器次級(jí)

對(duì)于其他輸出電壓，該 PSU 的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則是，在負(fù)載下，傳輸 MOSFET 兩端應(yīng)保持大約 7V 的壓降。這允許 MOSFET 的 2V Vgs 加上大約 5V 的裕量以允許線路電壓波動(dòng)。以 24V 輸出為例，預(yù)穩(wěn)壓電壓應(yīng)為 31V。考慮到整流二極管兩端的電壓降，該數(shù)字高達(dá) 33V。變壓器電壓應(yīng)該是整流后的直流電壓的0.707倍，所以33V * 0.707 ~= 23V。因此，24V 或雙 12V 變壓器應(yīng)該可以正常工作。

變壓器的適當(dāng) VA 額定值取決于預(yù)期負(fù)載。 Realtek藍(lán)牙無線+ST 的耳機(jī)放大器的推薦變壓器額定值為 15VA 或 25VA。對(duì)于 PPA 耳機(jī)放大器，一個(gè) 15VA 的變壓器就足夠了。

以下是一些推薦的變壓器及機(jī)箱類型：

1)，變壓器環(huán)牛：淘寶自行淘

2)，機(jī)箱/機(jī)箱

請(qǐng)務(wù)必使用為您選擇的散熱器提供足夠內(nèi)部間隙的外殼。如果您的散熱器不在機(jī)箱外部（暴露的散熱片），那么您應(yīng)該在機(jī)箱中切割通風(fēng)槽（如果尚未配備）以確保正常冷卻。

5), 其他

各種各樣的帶保險(xiǎn)絲的 IEC 電源輸入插座

用于電源開/關(guān)的 SPST 撥動(dòng)開關(guān)、撥片或旋轉(zhuǎn)開關(guān)（如果 IEC 插座沒有集成開關(guān)）

?場(chǎng)景應(yīng)用圖

?產(chǎn)品實(shí)體圖

?展示板照片

?方案方塊圖

?核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1，新型的一種將內(nèi)部基準(zhǔn)源和誤差放大器融為一體的分立式電路。 2，成本低廉可靠。

?方案規(guī)格

1，PCB 尺寸 :103*103 2，功耗：>60w @三路獨(dú)立電源輸出：+24V ; +/-12; +5V 3，主電源輸出：+24v @2.5A