基于高精度光耦器件的供电电路设计

欧阳鹏，周伟平

（湖南科技大学，湖南湘潭，411201）

本文将介绍一种电源模块设计，这种电源模块可以提供多路电压输出，并且可以稳定地输出双电压。该设计采用了LT8471 芯片以及TPS7A4700RGWT 芯片和TPS7A3301RGWR芯片，这些芯片的特性使得设计的电源电路具有高精度、高稳定性以及高效率等优点。

图1 硬件总体结构

1 总体设计

本文所设计的供电电路是一种具有高精度、低噪声的电源模块，其总体结构主要由供电电源、一级电源电压输出调整电路和二级电源电压输出调整电路三个部分组成。首先，供电电源是整个系统的能源供给部分，它负责将外部输入的12V 电压转化为供电电源，为整个系统提供12V 电压。供电电路输出端与一级电源电压输出调整电路的输入端相连，为后续的电压调整提供稳定的能量来源。一级电源电压输出调整电路是整个电源模块的核心部分，它主要由降压型开关电压调节芯片和TPS7A4700RGWT 电压转换芯片、TPS7A3301RGWR 电压转换芯片等组成。这个电路的设计目的是在一级电源电压输出调整电路的输出端稳定地输出+5V3 和-5V3 的电压。这一部分的设计与实现对于整个电源模块的性能起着至关重要的作用，因为它要实现对供电电源输出的直流电进行第一次调整，以满足高精度光耦器件对电源电压的需求。最后，二级电源电压输出调整电路是整个系统的最终输出部分，它的输入端与一级电源电压输出调整电路的输出端相连，输出端则是稳定输出+5V 和-5V 的电压。这个电路的设计目的是通过对+5V3 和-5V3 的电压进行第二次调整，以获得最终稳定的+5V 和-5V 的电压输出。在整体设计上，三个组成部分之间通过电路结构的设计互相连接，互相影响，共同构成了这个高精度、低噪声的电源模块。其中一级电源电压输出调整电路可同时稳定输出+5V3和-5V3 电压，二级电源电压输出调整电路可分别稳定输出+5V 和-5V 电压。这种结构设计的优点在于它能够提供稳定且精确的电压输出，从而满足高精度光耦器件对电源电路的需求。

2 电源模块的主要性能

电源模块使用的芯片包括LT8471、TPS7A4700RGWT、TPS7A3301RGWR，LT8471 是一款高性能的PWM DC/DC转换器，其内部包含了两个2A、50V 开关和一个额外的500mA 开关。每个2A 通道可以独立地配置为降压转换器，而且LT8471 的输出端能够分别输出正负电压，它是电源电路设计的理想选择之一，可以独立给高精度光耦器件提供电能。LT8471 的使用不仅能够提高电源模块的电能转换效率，而且还可以有效降低电源模块的设计复杂度，同时提升电源模块的可靠性。TPS7A4700RGWT 是一种正电压超低噪声低压降线性稳压器芯片，它能够稳定地提供正电压。这种稳压器芯片具有低噪声、低功耗、高效率等优点，而且其输出电压稳定性非常好，可以满足高精度光耦器件对电源电压的需求。TPS7A3301RGWR 则是一种负电压超低噪声低压降线性稳压器芯片，它能够稳定地提供负电压。这种稳压器芯片同样具有低噪声、低功耗、高效率等优点，而且其输出电压稳定性也非常好，同样可以满足高精度光耦器件对电源电压的需求。

综上所述，本设计的电源模块所采用的这些芯片不仅具有低噪声、高效率等优点，而且还可以稳定地提供正负电压，这使得本设计的电源模块在应用上具有非常高的实用性和广泛性，它不仅可以应用在需要稳定电压的电子设备中，如敏感的仪器、测试和测量设备、音频和射频应用等场合中，而且还特别适用于高精度光耦器件的供电电路中，具有很高的实用价值和应用前景。

3 电路设计

■3.1 供电电路设计

供电电源的主要作用是提供稳定的12V 电源，将外部12V 输入电压转化为稳定的直流电压，该电路主要由滤波电容、滤波电感、电阻、增强型MOS 管、稳压管构成，可以有效滤除杂波，适用于各类电路，图2 中J19 为排针，该器件的作用是连接外部输入电压，是整个电路电压的来源。F1 为保险丝，防止外部电压输入过大破坏整体电路功能。D1为稳压管，具有稳压的作用，便于后续对输入电压的处理。U1 器件为增加型MOS 管，该器件具有整流的作用，可以使输出电压更加稳定。L2 为共模滤波电感，适合于开关电源，具有良好的滤波作用。

图2 供电电路

为了使电源正常工作，需要注意以下要点：首先，要确保输入电压在规定范围内，以保证电路的安全性和稳定性；其次，要选择合适的滤波元件参数，以实现最佳的滤波效果；最后，要注意保护电路元件的额定值和负载情况，以保证电路的安全性和稳定性。整体电路设计如图2 所示。在实际应用中，该电路具有很强的实用性。经过实际测试发现，该电路抗干扰性较强，可以稳定提供12V 的输出电压。此外，该电路还具有结构简单、易于制造和调试的优点。因此，本电路设计可以在各种需要提供稳定直流电压的电子设备中得到广泛应用。总之，本供电电源电路具有良好的稳压性能和滤波性能，能够提供稳定的12V 输出电压，适用于各种需要直流电源的电子设备中。在实际应用中，为了保证电路的安全性和稳定性，需要注意输入电压的范围和滤波元件的参数选择等问题。同时，本电路设计具有较强的实用性和广泛的应用前景，值得在电子设备领域中推广和应用。

■3.2 一级电源电压输出调整电路设计

一级电源电压输出调整电路主要由LT8471 芯片、滤波电容网络等构成，供电电路的输出端与该电路的输入端相连，如图3 所示，该电路有两个输入端和输出端，该芯片C1、C2 引脚为输入引脚，旁路电容为滤波电容，输出引脚E1 和E2 可分别输出正负电压，通过E1 引脚、FB1 引脚和E2 引脚、FB2 的引脚的反馈电路，可实现升压、降压功能，本电路实现的是降压功能，通过设置反馈电阻R1、R4、R7、R8 的电阻值，电路可完成降压功能，引脚可输出+5V3 和-5V3 电压，输出电压由反馈电路中的反馈电阻R1、R4、R7、R8 计算得出，根据LT8471 数据手册可知，反馈网络中电阻的计算公式为R1=R4·(Vout/VFB-1)、R7=R8·(Vout/VFB-1)，Vout 为电路设定的输出值，VFB 为反馈电压，当输出为正电压时，VFB 的值为0.789V，输出为负电压时，VFB 的值为-0.789V，根据数据参考手册提供参考电路可知，R4 和R7 的电阻值可为59k，经过计算可知，当R4 和R7 的值为59k，输出电压为+5V3 和-5V3 时，R1和R8 的电阻值约为340k。输出电压后续经过由滤波电容构成的滤波电路后可输出稳定的直流电压，该滤波电路由电解电容和滤波电容构成，可滤波多种频段的杂波，该电路可为二级电源电压输出调整电路提供电压。

图3 一级电源电压输出调整电路

■3.3 二级电源电压输出调整电路设计

二级电源电压输出调整电路（见图4、图5）主要由TPS7A4700RGWT、TPS7A3301RGWR 芯片、滤波电容组成，TPS7A4700RGWT 芯片的作用是正电压超低噪声低压降线性稳压器，其中，TPS7A4700RGWT 主要采用双极型技术，主要用于高准确度、高精度仪器仪表应用。配置该芯片输出电压时，用户可通过芯片引脚或使用外部反馈电阻器调节。在此类应用中，规整的电压轨对于系统性能的最大化至关重要。这种设计使其成为光耦器件供电的首选器件之一。TPS7A3301RGWR 芯片的作用是负电压超低噪声线性稳压器，性能与上述芯片功能类似。由数据手册可知，在负电压输出电路中，当R10 电阻值设为332k，R12 电阻值设为102k 时，可保证输出电压为稳定的-5V 直流电源。在正电压输出电路中，TPS7A4700RGWT 芯片中的第6 引脚和第10 引脚接地时，则可以稳定输出的+5V 电压。

图4 二级电源电压输出调整电路

图5 二级电源电压输出调整电路

图7 二级电源电压输出调整-5V 电路输出仿真结果

图8 电路实物图

4 电路仿真结果

通过使用Pspice 软件对二级电源电压输出调整电路进行模拟仿真，我们发现该电路设计具有高精度和高稳定性的特点，能够同时输出+5V 和-5V 的电压。这一特性在电源电路中非常重要，因为同时提供正负电压是许多应用场景的关键需求。在仿真过程中，我们观察到二级电源电压输出调整电路的输出电压表现出了很强的稳定性。即使在输入电压波动等条件下，其输出电压仍然保持在预定范围内，没有出现大的偏差。这一结果表明该电路设计具有良好的稳定性和可靠性。为了进一步验证实际应用效果，我们对二级电源电压输出调整电路进行了实际测量。通过分析和评估这些实际测量数据，我们得出结论：该电路设计和实现不仅满足了基本的功能需求，而且在实际应用中能提供稳定可靠的电源输出，具有一定的实用性。总之，二级电源电压输出调整电路的设计和实现具有良好的性能和稳定性，能够满足同时提供正负电压的基本需求。在实际应用中表现出了一定的实用性。因此，该电路设计和实现方法可以应用于需要稳定电源输出的电子设备中。

5 电路测试

在整个电路打样完成后，应先检查电路模块是否存在缺陷，包括元器件短路、虚焊等情况，观察芯片是否存在焊错和焊反位置的情况，接入12V 电源电压后，使用万用表分别测量一级电源电压输出调整电路的输出端是否输出正常，再测量二级电源电压输出调整电路的输出端是否输出正常，最后观察该电路是否可以长时间稳定工作。

6 结语

本文介绍了一种基于高精度光耦器件的电源电路设计，其目的在于提供一种能为高精度光耦器件提供高精度的电源输出的方法，通过设置互相配合的供电电源、一级电源电压输出调整电路、二级电源电压调整电路，该电路能够有效提高电源转换效率，提高了电压输出的精度，一级电源电压输出调整电路可同时输出+5.3V 和-5.3V 的电压，二级电源电压调整电路可同步稳定输出+5V 和-5V 的电压，解决了光耦器件受到供电电源输出噪声影响的问题，该电源电路具有很强的实用性。对于现代电子设备而言，电源电路的设计是至关重要的。尤其对于那些需要高精度光耦器件的应用，一个稳定、高效的电源电路是必不可少的。本文详述的设计，不仅考虑了电源的精度和效率，还着重解决了光耦器件可能受到供电电源输出噪声影响的问题。总的来说，本文所介绍的高精度光耦器件的电源电路设计，不仅解决了供电电源噪声对光耦器件的影响，而且优化了电源的工作效率和稳定性。其简洁、实用、高效的设计理念，值得在现代电子设备中广泛应用和推广。