0 引言

DC-DC直流降压电路是一种应用广泛的电源电路，直流降压电路主要分为开关电源电路和线性稳压电路。开关电源由于采用高频通断方式，存在着抗电磁干扰能力弱，输出纹波大等[1,2]致命缺点，且难以满足大功率输出要求。中小规模线性稳压集成电路以其集成度高、外围电路简单、电源效率高[3]等优点成为现代集成系统中不可或缺的部分，并在各种便携式和移动式产品如手机、数码相机、笔记本电脑、机器人等产品中得到广泛的应用[4]。目前市场上常用的三端集成稳压芯片，如W78XX/LM78XX系列等，其大多数应用电路存在输出稳定性不高，输出电压固定不可调，最大输出功率低（大多数不超过100W）等问题，难以满足需要多档电压且较大输出功率要求的工作环境。

本文以德州仪器（TI）的LM7805芯片作为主芯片，设计出一款降压电源电路，实现48V直流电源转24V、12V和5V的三档降压。对设计电路进行应用测试，结果表明所设计的电路结构简单，电源稳定性好，可靠性高，可输出的功率大。适用于对电源要求高，具有多档电压需求且功率较大的产品，如用于特殊环境机器人的电机驱动，具有良好的应用前景。

1 原理与设计

1.1 集成稳压芯片的选择

常用的W78XX/LM78XX系列三端集成稳压芯片主要型号有LM7805、LM7812和LM7824等。这些型号中，LM7805三端稳压IC内部电路具有过压保护、过流保护和过热保护功能，在性能上具有稳定性。LM7805芯片在正常工作时，若输入电压在一定范围内且波动较小，就可以输出稳定电压，且输出电流能够实现1A以上，在输出上具有可靠性。LM7805在使用时，可以运用本地调节消除噪声影响，解决与单点调节相关的分散问题，能使输出电压误差精度控制在±3%和±5%。同时，LM7805器件具有良好的温度系数，使得产品能够应用的范围广泛。基于LM7805芯片的突出优点，本设计使用它作为主芯片来完成集成方案。

1.2 可调降压电路方案设计

设计可调降压电路方案由初步降压级，可调稳压输出级和功率输出级组成。

因LM7805的最大输入电压为35V，低于设定电源电压48V，故在进行初步降压级设计时，需考虑防止元件损坏，将48V的输入电压进行初步降压到24V～35V的范围，考虑到实际的可能电压波动，设计降压到29V的中间值。初步降压级电路由分压电阻网络和运放组成的电压跟随器构成（如图1所示）。运放选用输入电阻较大的LM675T功放芯片，输出电压Vo=Vi（R5/R5+R4），在R5取15KΩ，R4取10KΩ时，Vo为28.8V。

图1 初步降压级电路原理图

LM7805稳压芯片可以使其Vo端对GROUND端的电压稳定在5V，为了达到输出电压可调的目的，在可调稳压输出级设计中，通过改变LM7805对GROUND端的对地电压来改变降压电路的输出电压。同时，除了以LM7805芯片为主的5V恒压输出电路外，设计由电阻和电压跟随器组成的调压电阻网络，通过分压法来调节输出电压（如图2所示）。在该级电路中，电压跟随器使R2上的电压始终为5V，在进行5V输出时，调节开关组将R3，R6短路。要输出12V时，调节开关组将R3短路，R6接入电路，由分压可得Vo=5V（R2/R2+R6）=12V。要输出24V时，调节开关组使R3、R6都接入电路，由分压可得Vo=5V（R2/R2+R3+R6）=24V。

图2 可调稳压输出级电路原理图

功率输出级是由一个集成功放构成的电流放大器（如图3所示）。因为LM7805芯片的最大输出电流只能达到1.5A，无法满足功率要求。为实现大电流大功率输出的目的，选用OPA512SM功放，在前面的可调稳压输出级输出端加上一个由功率运放组成的电流放大器，将初步降压级和可调稳压输出级电路与负载隔开。初步降压级和可调稳压输出级仅用于提供要输出的稳定电压值，而其元件上的电流很小，功率输出级则输出可调稳压输出级Vo端的电压值，同时能输出大电流来满足高功率指标。当调节到最大功率档24W～300W时，输出电流则达到12.5A以上。

图3 功率输出级电路原理图

通过初步降压级，可调稳压输出级和功率输出级集成可调降压电路总体方案（如图4所示），可实现48V直流电源转24V、12V和5V的三档降压，负载功率分别达到300W、50W和10W。

图4 可调整输出电压电路总体方案

1.3 电路散热方案

初步降压级和可调稳压输出级电路中的电流很小，几乎不会产生废热，无需考虑散热问题。但功率输出级电路由于要通过大电流，会产生较多废热，且集中在OPA512功放上，需要进行散热。设计中选用的OPA512采用TO-3金属封装，自身导热性能良好，同时设计在功率管上涂抹散热硅脂后安装散热片，再安装60mm24V供电散热风扇和在PCB空余处上设置大量过孔进行辅助散热（如图5所示），基本解决了大电流大功率工作条件下的废热问题。