逢 甲 大 學

自動控制工程學系專題製作

專 題 論 文

可調式高電壓電源供應器

High Voltage Adjustable Power Supplies

指導教授： 黃建立 學 生： 蔡宗翰 楊育哲

黃文賢

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誌 謝

在修業期間，承蒙恩師 黃建立老師在課業上的協助與專題論文上的細心

照顧與指導，毫無保留的給與您寶貴的經驗以及觀念，並提供個人在學習上的心

路歷程、各種在業界的經驗和指導學生在專題上應該注意的細節，實在是受益良

多。再來要感謝的是電子學老師，洪三山老師與林賢龍老師，在製作專題的過程

中，老師們所教授的上課內容與編寫的講義和各種補充資料都帶給我們很大的幫

助。 感謝張志華助教提供我們實驗場地及圖書館所提供的各項資源，最後感謝

學長姊和助教的細心指導。

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摘 要

由於日常生活中，我們使用的電器用品大部分其內部元件所使用的電源均為

直流電，所以我們必須使用電源供應器將交流市電轉換成各種不同的直流電壓以

供電器使用，而電源供應器的好壞也直接影響到電器的安全性、穩定度和壽命，

有些電器或元件需要高壓電流才能趨動，然而所販售的高壓電源供應器都要數萬

元以上，所以在本專題中，我們運用在電子學的相關知識以及老師們的指導，我

們完成了我們的可調式高壓電流供應器，而在本論文中我們將會說明運用到的原

理和理論，以及如何製造可調式高壓電源供應器，我們也將說明其可調電壓範圍

及相對的電流變化。

我們系統是由橋式整流電路、LM317、LM337和中央抽頭式變壓器所組成。

其中橋式整流電路將變壓器所輸入的交流電壓轉換為直流電壓，此直流電壓經過

穩壓電路後，最後完成一組輸出電壓為170V-175V / 150mA 之電源供應器。

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ABSTRACT

Because for the most part of electric equipment we used, the power supply used

by internal component all is direct current, so we must have a power supply to switch the exchanges electricity to the different direct current voltages to use by electric equipment. The quality of power supply influences directly to the security and stability of the electric equipment. However, the high voltage power supply sold all over than ten thousand dollars. So we use relevant knowledge of the electronics and the guidance by teachers. We finish our high voltage adjustable power supply. We will explain what the principle and theory we used in this paper, and we how to make a high voltage adjustable power supply. We will also explain the range of adjustable voltage and the changes of relative electric current.

Our system is commutated a machine， LM317， LM337 by the whole bridge

type steady press chip with central take out a type transformer constitute.Among them，the whole bridgeses commutate a machine to is a direct current electric voltage the exchanges electric voltage conversion that the transformer inputs， this direct current electric voltage has been completed a set of exportation electric voltage as the power supply of 150 Vs Vs-165ses/100 mAs finally after pressing electric circuit steadily。

5

目錄 誌謝………………………………………………………………………….……..…ii

摘要…………………………………………………………………………....……...iii

ABSTRACT……………………………………………...…………….………...….. iv

目錄……………………………………………………………………………..……. v

圖目錄……………………….…………………………………………………….…vii

表目錄.………………………………………………………………...………..……ix 附錄………………………………………………………………………………....…x 第一章 緒論..........................……………………………………………………....1 1.1 前言..........................……………………………………………………....1 1.2 研究動機..................……………………………………………………....2 1.3 內容摘要..................……………………………………………………....3 第二章 基本原理…….……………………………………….……………………4 2.1 概述……….……………………………………….……………………….4 2.2 基本原理介紹……………………………….……………………………..5 2.2.1 電壓轉換………………………………………………………………5 2.2.2 整流器…………………………………………………………………5 2.2.3 濾波……………………………………………………………………9 2.2.4 穩壓…………………………………………………………………..11 第三章 實驗準備…………………………………………………………………12

3.1 電源供應器……………………………………………………………….12 3.2 電源供應器的選擇.....................................................................................12

3.2.1 線性穩壓器／控制器……….………………………………...……..12 3.2.2 無電感 DC/DC 轉換器……….………………………………...……..13 3.2.3 採用電感 (Inductor-Based) 的DC/DC轉換器……………...……14 3.3 元件的介紹…..…………………………………………………………..16 3.3.1 LM317/LM337……………………………………………………...16 3.4 實驗設備..................……………………………………………………....18 3.4.1 中央抽頭式變壓器..............................................................................18 3.4.2 示波器................…………………………………………………......19 3.4.3 三用電錶……………………………………………………………. 20 第四章 實驗成果…………………………………………………………………21 4.1 前言………………………………….……………………………………21 4.2 實驗電路與結果………………………………………………………….22 4.3 電路設計簡介…………………………………………………………….28 4.3.1 達靈頓電路簡介……………………………………………………..29

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4.3.2 其他設計……………………………………………………………..30 第五章 結論與未來展望…………………………………………………………31 5.1 結論……………………………………………………………………….31 5.2 未來展望………………………………………………………………….31 第六章 附錄………………………………………………………………………32 參考文獻……………………………………………………………………………..33

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圖目錄 圖 1.1線性式電源供應器……...…………..…………………………………….…... 2 圖 3.1交換式電源供應器.…..…………..……………………………………….…... 2

圖 2.1為傳統線性電源供應器之結構………………………………………………..4

圖 2.2半波整流器電路圖……………………………….……………………….……6

圖 2.3半波整流器輸出入轉換曲……………………………………………………..6

圖 2.4半波整流器的輸出波形………..………………………………………………6

圖 2.5 全波整流器電路圖……………………………………………………………7

圖 2.6 全波整流器輸出入轉換曲線…………………………………………………7

圖 2.7 全波整流器輸出波形圖………………………………………………………7

圖 2.8 全波橋式整流器電路圖………………………………………………………8

圖 2.9 全波橋式整流器輸出入轉換曲線……………………………………………8

圖 2.10 全波橋式整流器輸出圖……………………………………………………..9

圖2.11 有濾波電容器之半波整流電路…………………………………………….10

圖 2.12 電容充電流程………………………………………………………………10

圖2.13 電容器選擇對波形影響………………….…………………………………11

圖2.14 基鈉二極體的特性圖…………………….…………………………………11

圖3.1電源供應器………….……………………………..…………………………12

圖 3.2 無電感交換式轉換器的效率曲線例………………………...…………….14

圖 3.3 採用電感的交換式轉換器的效率曲線範例…………………...…………..15

圖 3.4 LM317 實體…………………………………………………………………..17

圖 3.5 LM317 電路圖和輸出電壓公式……………………………………………..17 圖 3.6 LM337 實體….………………………………………………………………..18 圖3.7 LM337電路圖和輸出電壓公式.……………………………………………..18

圖3.8中央抽頭式變壓器模擬電路圖.…………………………………….………19

圖 3.9 示波器…………………………………………..……………………………19

圖3.10三用電錶………………………………...……..……………………………20

8

圖 4.2流程圖………………………………….……………………………………...21

圖 4.3 負端電路圖…………………………………………………………………..22

圖 4.3 負端輸出電壓波形…………………………………………………………...23

圖 4.4 負端輸出結果………………………………………………………………..23

圖 4.5 正端電路圖…………………………………………………………….…….24

圖 4.6 正端電壓輸出波形…………………………………………………………..25

圖 4.7 正端輸出結果…….………………………………………………………….25

圖 4.8 輸入電壓之漣波…….……………………………………………………….26

圖 4.9 輸出電壓之漣波………….………………………………………………….26

圖 4.10 最高電壓之輸………………………………………………………………27

圖4.11 最低電壓之輸出…………………………………………………………….27

圖 4.12 達靈頓電路………….……………………………………………………...29

9

表目錄 表 2.1 整流器電路的優點與缺點之比……………………………………………….9 表3.1轉換器電路拓樸的比較果………...…………………...…………………….16 表 4.1 正端所使用 NPN 電晶體 2SC5129 規格表………………………….………28 表 4.2 負端所使用的 PNP 電晶體 2SA1294 規格表……………………….……….28

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附錄 附件一 可調式電源供應器之電路實體正面………………………………………32 附件二 可調式電源供應器之電路實體反面………………………………………32

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第一章 緒論

1.1 前言

隨著科技的發展，電子產品在我們日常生活中仍佔有極重要的地位，而這

些電子產品所仰賴的動力來源，依然是以直流電源為主。目前仍然利用整流濾波

的方式來獲得直流電源供應，因此直流電源供應器可以處在任何環境需求下工

作。

在使用上，電源供應器可分為兩種 -線性式電源供應器 (Linear Power

Supply)，外觀，如圖1-1所示;及交換式電源供應器(Switching Power Supply)，外

觀，如圖1-2所示。簡單的線性式電源供應器大都由低頻變壓器將輸入電源由高

壓轉變為低壓，在使用電晶體、電阻和電容組合成的串並聯穩壓器組成。），其

優點是電路簡單、穩定度高、暫態響應快、可靠度高、漣波小、電磁干擾小，然

而因其使用大電流變壓器，體積大且重量重，大多無法直接安裝在電路基板上，

轉換效率低（約30~50％）、不可做直流輸入都是其缺點。而切換式電源供應器

改進了線性式電源電源供應器的缺點，使其效率由百分之三十到五十，大幅提高

到百分之六十到九十，其優點是轉換效率高、空載時耗電小、重量輕、可做直流

輸入。雖然在電路結構上比線性式電源供應器來得複雜，漣波比較大、電磁干擾

也比較大，但整體而言，切換式電源供應器仍優於線性式電源供應器，故目前電

源供應器的市場乃以切換式電源供應器為主流。

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圖 1.4 線性式電源供應器

圖 1.5 交換式電源供應器

1.2 研究動機

電源供應器是電子產品或設備之心臟核心部份，為整個電子系統運作的動力

來源，其品質的好壞更是直接影響到電子產品的安全性。今日普遍使用於3C電

子產品之電源供應器大部分是提供低壓直流，具有體積小，重量輕及能量散失小

的特性，可使用於個人電腦、螢幕、儀器和通訊等方面。但是有一些高電壓的運

算放大器需要高壓直流，而這方面的電源供應器比較少，所以才朝這方面研究。

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1.3 內容摘要

本論文內容共分五章， 主要針對可調式高電壓電源供應器的電路設計，各

章主要內容概述如下：

第一章: 簡單介紹本論文之研究背景與目的和前言。

第二章: 理論探討(原理、計算方法、公式……)。

第三章: 實驗準備。

第四章: 實驗結果。

第五章: 結論

第六章: 附錄

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第二章 基礎理論

2.1 概述

本章首先對系統的整體架構做一個簡單說明，接著說明各部份的原理，至於

系統中的電路之實作與結論則分述於第三、四、五張。圖2.1所示為一個傳統線

性電源供應器(Power-Supply)之結構，一個完整的電源供應器應包括橋式整流

器、濾波器，穩壓器，負載…等。

圖2.1為傳統線性電源供應器之結構

直流對直流電源轉換器是針對負載所需電壓，提供穩定電源供應，其不受線

電壓(Line Supply)負載及周圍環境影響。一般上直流電源轉換器又稱為電源供應

器(Power Supply)。

一般的電源供應器可以分為以下兩種：

(A)線性式電源供應器(The Linear Supply)

(B)交換式電源供應器(Switching-mode Power Supply)或稱切割式電源供應器

(Chopper Power Supply)

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2.2 基本原理介紹

大部分的電子設備如電視機、音響、電腦等，其內部元件所使用的電源均為

直流電，除了較為輕便簡單的電子設備採用乾電池作電源外，大都必須有電源供

應器或是將交流電經由整流與濾波轉換成各種不同的穩定直流電壓，以供電子設

備使用。本文件即針對整流二極體與濾波電容器的原理做介紹，並敘述整流器之

實際製作。當我們討論到電源供應器的電路時，則必需考慮到以下四個基本的功

能：

2.2.1 電壓轉換

將電壓器將 110 伏特或 220 伏特的輸入的交流電壓，升壓或降壓至使用者所

需的電壓準位，因此不會改變 110 伏特或 220 伏特的交流耦合(A.C.)與直流耦合

(D.C.)。

2.2.2 整流器

將具有正負極性的交流耦合的電壓轉制恆定的電壓值，所得的結果稱為脈動

直流電壓(pulsating D.C. voltage)。

A. 半波整流器

如圖2.2中， 當輸入信號再出及圈的頂端為正電位時，則在次級所感應的電

壓亦將為正電位，因此二極體的陽極則處於正電位狀態，所以會呈現順向偏壓，

如此二極體就被導通了。反之，在輸入電壓的負半週上，次級繞組的頂端則為負

電位，此時二及體會被逆向偏壓，所以二極體就不會導通了，因此僅當輸入電壓

將二極體順向偏壓時，輸出才會有電壓產生。圖2.3為半波整流器輸出入轉換曲

線，圖2.4為輸出波形。

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圖2.2 半波整流器電路圖

圖2.3 半波整流器輸出入轉換曲線

圖2.4 半波整流器的輸出波形

B. 全波整流器

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如圖 2.5 中，在變壓器的初級圈我們輸入交流電壓，當變壓器的初級圈的 A

點為正電位時，則 C 點就為負電位，此時 D1 二極體就會被順向偏壓，D2 二極

體則被逆向偏壓。電流將會流經變壓器的中間抽頭至地端，然後再流至負載，

D1 二極體，最後則流回至變壓器的頂端。在下一個半週期裡，A 點將趨於負電

位，而 C 點則趨於正電位，所以，D1 二極體將被逆向偏壓，D2 二極體則被導

通，此時電流經變壓器的中間抽頭至地端，然後再流至負載，二極體，最後則流

回至變壓器的底端。圖 2.6 為全波整流器輸出入轉換曲線，圖 2.7 為輸出波形。

圖 2.5 全波整流器電路圖

圖2.6 全波整流器輸出入轉換曲線

圖2.7 全波整流器輸出波形圖

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C. 全波橋式整流器

如圖 2.8 中，全波橋式整流器的電路結構須用到四個二極體，在第一個的半

週期裡會有兩個二極體導通而再下一個的半週期裡另外兩個二極體會被導通。當

變壓器的頂端為正電位時，A 點將為正電位，而 B 點為負電位，這也就是說 D3

的陽極為正電位，而 D4 的陰極為負電位，所以，D3 與 D4 都在順向偏壓的狀態。

至於 D1 的陰極則在正電位，而 D2 的陽極則在負電位，所以，D1 與 D2 都在逆

向偏壓的狀態。因此，在正半週期裡的 D3 與 D4 二及體會導通，而在負半週期

裡會導通的二極體則為 D1 與 D2，電流則由變壓器的底端流經 D4 二極體，然後

流至共用線上，負載，與 D3 二極體，最後再流至變壓器的頂端。在下一個的半

週期裡，D3 與 D4 二極體會再 off 狀態，電流則由變壓器的頂端流經 D1 二極體

至共用線上，負載，與 D2 二極體，最後再流至變壓器的底端。圖 2.9 為全波橋

式整流器輸出入轉換曲線，圖 2.10 為輸出波形。其波形與全波整流相同但輸出

電壓與二極體上的峰值逆向電壓卻有不同。如表 8.1為以上三種整流電路之比較。

圖 2.8 全波橋式整流器電路圖

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圖 2.9 全波橋式整流器輸出入轉換曲線

圖 2.10 全波橋式整流器輸出圖

表 2.1 整流器電路的優點與缺點之比較

優點 缺點 半 波 整 流

1. 低價格 2. 電路結構簡單

1. 僅有一半的輸入波形被使用 2. 三者之中較沒效率 3. 平均輸出電壓較低

全 波 整 流

1. 較半波電路更有效率 1. 需要一個中間抽頭變壓器 2. 二極體需要較高的 P.I.V.值

全 波 橋 式 整 流

1. 低價格 2. 不需要中間抽頭變壓器

1. 高負載電流狀態下，效率較低 2.輸出的電壓幾乎為全波整流產生電壓的 2 倍。 3.對相同輸出電壓而言，二極體的峰值逆向電壓只有全波電路二極體的

峰值逆向偏壓的一半。

2.2.3 濾波

無論半波或全波整流，雖然輸出電壓是直流的形式，但並非良好的直流，而是週期性的「脈動直流」，其脈動成份稱為「漣波(ripple)」。多數電子元件都不希望在有脈動的工作電壓下運作，因此我們必須設法減小輸出之脈動，以供應平

穩之直流電壓。 圖 2.11 為一簡易之加上濾波電容器半波整流電路，當通電時 Vin 不但通過二極體

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D，同時亦對電容器 C(capacitor)充電，當電容器充電至最大值 Em，電壓開始下降，並對負載 RL放電，負載 RL 之電能由電容器 C 供給，並一直循環到下個週期，如圖 2.21 所示之作動流程。

圖 2.11 有濾波電容器之半波整流電路

圖 2.12 電容充電流程

電容器之容量越大，所能儲存之電荷越多，放電時電壓下降較小；反之，選擇較

小的電容器，則電壓下降的較多，如圖 2.13 所示，電容的選用對輸出波形有很

大的影響，因此電容器在濾波效果上扮演重要的角色。

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圖 2.13 電容器選擇對波形影響

穩壓

基本的穩壓電路都由基納二極體組成，是 PN 結合矽的一種。基納二極體特

性如圖 2.14 所示，順向時和一般整流二極體一樣；但逆向時，當逆向電壓達到

崩潰電壓後，通過基鈉二極體之逆向電流便大量增加。由於 Iz 在 Imin 與 Imax

之間時，基鈉二極體兩端之電壓穩定不變，因此可以作為穩壓之用。在 Iz 小於

Izmin 提，基鈉二極體會工作於特性曲線的彎曲處，無法提供穩壓作用，若 Iz 大

於 Izmax 則基鈉二極體會燒毀，故必須在基鈉二極體串聯一個適當的電阻器，使

Iz 介於 Imin 與 Imax 之間而得良好的工作。

圖 2.14 基鈉二極體的特性圖

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第三張 實驗準備

3.1 電源供應器

圖 3.1 電源供應器

3.2 電源供應器的選擇

系統設計人員利用處理器發展電子設備時，通常須為他們的應用選擇最好的

電源供應架構，這是極具挑戰性的工作。在某些情形下，插入式電源 (plug-in

power) 解決方案是最理想的選擇，但在其它應用中，只有採用離散零件的電源

供應器才是最佳解決方案。插入式電源解決方案的選擇比較簡單直接，但對於缺

少電源供應設計經驗的數位設計工程師來說，離散式電源解決方案的設計卻是項

艱巨任務。絕大多數 DC/DC 電源供應控制元件供應商都會提供完整的設計資

料，協助工程師完成電路設計，但在設計電源供應器之前，工程師必須先選擇適

當的電路拓樸。對於以微控制器、DSP 和 FPGA 為基礎的現代電子產品，在這

將提供某些設計準則，使工程師能針對這些產品的常用架構，選擇最正確的電源

供應電路拓樸。

3.2.1 線性穩壓器／控制器

線性穩壓器是最簡單的轉換器，只能把較高的輸入電壓轉換為較低的輸出電

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壓，輸入電流則等於輸出電流。線性穩壓器由誤差放大器、參考電壓和導通元件

(pass element) 組成，它們可能完全整合成單顆元件，也可能由控制元件和外接

式導通元件構成，導通元件可能是雙極電晶體或 MOSFET。線性穩壓器的優點

是簡單，輸出電壓的雜訊和漣波也很小，差距很大時，線性穩壓器的轉換效率會

變得很低，這是它的主要缺點。由於功耗會以熱量的形式散發出來，若應用的輸

出電流很大，穩壓器的封裝就必須承受可觀的散 熱要求。面對較大的供應電流，

採用外接導通元件的線性穩壓器略佔優勢，因為它可以選擇導通元件，以便承受

更大電流，並且安裝適當的散熱片。

線性穩壓器若要提供穩壓能力，輸入端和輸出端的電壓差就必須超過某個最

小值，又稱為「最小電壓差」(dropout voltage)，這是線性穩壓器的另一個缺點。

許多內建導通元件的最新穩壓器都提供非常低的最小電壓差，甚至在更大電流時

也是如此，因此就算輸入電壓很低，它們也能正常工作；舉例來說，即使輸入電

壓只有 1.8-V，提供 1.5 V 固定輸出電壓的 TI TPS72515 還是能發揮穩壓效果，

並提供 750 mA 輸出電流，此時它的轉換效率仍高達 83%。

3.2.2 無電感 DC/DC 轉換器

交換式穩壓器會以個別脈衝的形式把輸入電能送至輸出端，它使用電感或電

容做為電能儲存裝置，負責把電能從輸入端轉送至電源供應電路的輸出端。不同

於只能降 壓的線性穩壓器，交換式穩壓器可以升壓、降壓或將輸入電壓反相；

此外，電能儲存元件也可讓輸出電流不等於輸入電流。舉例來說，交換式穩壓器

可將 5-V 低電 流電源轉換成電流較大的 3.3-V 電源，或是將 3.3-V 大電流電源

升壓為電流比較小的 5-V 電源。此外，相較於線性穩壓器，交換式穩壓器也能實

現較高的 電源轉換效率。

24

無電感交換式 DC/DC 轉換器有時又稱為電荷泵浦，它們是最簡單的交換式

穩壓器。電荷泵浦使用多顆開關和電容，輸入電源的電荷會經由一個或多個「飛

馳」(flying) 電容移動至輸出電容。這種轉換器的設計很簡單，效率也很高，這

是它的主要優點。圖 3.1即是TPS60130 300 mA無電感交換式轉換器的效率曲線。

圖 3.2 無電感交換式轉換器的效率曲線範例

為了在更寬廣的輸入至輸出電壓範圍內提供更高效率，轉換器可能會切換至

不同的倍壓模式 (multiplication mode)，例如 1.5 倍或 2 倍；如圖 3.2 所示，切換

至不同的倍壓模式會造成效率曲線步階改變。若不採用回授穩壓電路，這類的轉

換器只能提供輸入電壓整數倍 的輸出電壓，但不同的回授方法卻會對轉換器效

率和漣波產生不同影響，因此工程師應針對他們的應用需求來選擇適當的回授方

法。

3.2.3 採用電感 (Inductor-Based) 的 DC/DC 轉換器

採用電感的交換式轉換器元件除了包含控制電路外，至少還會內建一個開關

電晶體，交換式控制器元件則只包含控制電路，因此需要外接開關電晶體，這兩

25

種元件的 輸出電流範圍都大於無電感轉換器。另外還有多種電路組態，某些是

前述降壓、升壓和反相轉換器的簡單組合，它們能為特定應用提供更多功能或更

高效率。這些交 換式轉換器至少會使用一個電感器做為電能儲存元件，它們也

需要輸出電容器；相較於線性穩壓器和無電感的交換式轉換器，交換式轉換器能

在更寬廣的負載範圍內 提供高效率，這是它們的主要優點。圖 3-2 是 TPS62200

降壓轉換器的效率曲線。

交換式轉換器的最大弱點在於成本，包括設計時間、零件數目、電路板面積

以及輸出雜訊和漣波。設計時間包括分析各種電路組態、開關方式，操作模式和

回授控制 機制，其中每一項都可以根據成本、效率和輸出雜訊來排名。包括電

感、輸出電容以及做為外接開關的二極體或 FET 電晶體在內，外部零件的選擇

對於降低成本、 把電路板使用面積減至最小、提供更高效率和減少漣波非常重

要；面對這麼多的設計選項，交換式轉換器似乎缺乏吸引力，但極高的轉換效率，

某些情況甚至可超過 95%，卻讓設計時間和零件成本值回票價。

要為應用選擇最好的離散式 DC/DC 轉換器，就必須在成本、效率和輸出雜

訊或漣波之間做出適當取捨。表 1 是各種轉換器的比較結果，評比項目包括：最

大輸出電流、效率、輸出漣波／雜訊以及整體成本。

圖 3.3 採用電感的交換式轉換器的效率曲線範例

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表 錯誤! 所指定的樣式的文字不存在文件中。.2 轉換器電路拓樸的比較結果

最大輸

出電流

輸入電壓 > 輸出電壓 成本

優勢

效率 低輸出雜訊

(漣波)

低 穩壓式電荷泵浦 良好 良好 普通

中 低壓降線性穩壓器 傑出 不良 傑出

中 DC/DC 降壓轉換器 普通 傑出 不良 2

高 低壓降線性穩壓控制器 + 外接導通元件 良好 不良 1 傑出

高 DC/DC 降壓控制器 + 外接開關元件 不良 傑出 不良

最小輸入電壓 < 輸出電壓 < 最大輸入電壓

低 穩壓式電荷泵浦 + 低壓降穩壓器 普通 普通 普通

中 DC/DC 升壓轉換器 + 低壓降穩壓器 不良 普通 良好

中 降壓／升壓或 SEPIC 轉換器 普通 普通 不良 2

高 降壓／升壓或 SEPIC 控制器 + 外接開關元件 不良 普通 不良 2

輸入電壓 < 輸出電壓

低 穩壓式電荷泵浦 良好 良好 普通

中 DC/DC 升壓轉換器 普通 傑出 不良 2

高 DC/DC 升壓控制器 + 外接開關元件 不良 傑出 不良

3.3 元件的介紹

3.3.1 LM317/LM337

LM317/LM337 是美國國家半導體公司的三端可調正穩壓器集成電路。 我國

和世界各大集成電路生產商均有同類商品可供選用，是使用極為廣泛的一類串聯

集成稳壓器。 LM317/LM337 的輸出电壓範圍是 1.2V 至 37V，負載電流最大

為 1.5A。 它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設置輸出電壓。此外它的線

性調整率和負載調整率也比標準的固定穩壓器好。LM317/LM337 內置有過載保

護、安全區保護等多種保護電路。通常 LM317/LM337 不需要外接電容，除非輸

入濾波電容到 LM317/LM337 輸入端的連線超過 6 英寸（約 15 厘米）。使用輸

出電容能改變瞬態響應。調整端使用濾波電容能得到比標準三端穩壓器高的多的

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紋波抑制比。LM317/LM337 能夠有許多特殊的用法。比如把調整端懸浮到一個

較高的電壓上，可以用來調節高達數百伏的電壓，只要輸入輸出壓差不超過

LM317/LM337 的極限就行。當然還要避免輸出端短路。還可以把調整端接到一

個可編程電壓上，實現可編程的電源輸出。

圖 3.4 LM317 實體

圖 3.5 LM317 電路圖和輸出電壓公式

28

圖 3.6 LM337 實體

圖 3.7 LM337 電路圖和輸出電壓公式

3.4 實驗設備

3.4.1 中央抽頭式變壓器

使用中央抽頭的變壓器可以達到正負的全波，經過橋式後，更可以得到正、

負兩端的電壓。此種電路電源變壓器的利用率差，漣波頻率高但漣波含有率小，

29

而且交流電壓的正、負半週都已利用，電源變壓器便不會產生極化的作用故適合

大電流場電路。

V1

110 V 60 Hz 0Deg

T1

2

D1

DIODE_VIRTUAL R11kΩ

XSC1

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _

R21kΩ

D2

DIODE_VIRTUAL

圖 3.8 中央抽頭式變壓器模擬電路圖

3.4.2 示波器

在電子電路中，我們必須瞭解其動作情形及反應的波形，才能正確判斷電路

是否良好，及判斷其故障的部位。但觀察動作情況，反應波形，用一般電表是無

法判斷正確性，尤其在動作快及頻率高的電路中根本無法測試，必須借助於示波

器。

圖 3.9 示波器

30

3.4.3 三用電錶

用於測試系統之電壓與電流。

圖 3.10 三用電錶

31

第四章 實驗成果

4.1 前言

本實作電路為可調式高電壓電源供應器，其流程圖如下:

圖 4.6 流程圖

我們的可調式高壓電源供應器是由交流的市電 110V 經由中央抽頭式的變壓

器轉換成 220V 的交流電,再經由橋式整流器把本來的跨越正負的弦波,整流成完

整的正半波跟負半波,接下來經由電容濾波,把波形整理成直流加上鏈波,最後經

由穩壓 IC 把鏈波抑制成直流,就成為我們最出想要得到的高電壓直流輸出。

這樣的電源轉換器特性的優劣除了要選擇合適的電路架構之外，零件的選用

跟設計的考量對整個架構能否有最佳化的效能發揮是有很大個關連性的！

而且設計上要考慮到電路規格(External Specification)或客戶規格(Customer's

Specification);這些規格包括：輸入電壓、輸出電壓、輸出功率、效率、漣波、功

因、電壓調整率、負載調整率、各項保護與控制功能等等。

32

4.2 實驗電路與結果

圖 4.7 負端電路圖

33

圖 4.3 負端輸出電壓波形

圖 4.4 負端輸出結果

圖 4.2 是負端輸出電路，從圖 4.3、圖 4.4 我們可以看出電壓的確由 110V 的交

流電降成負 178V 的 DC 直流電。

34

圖 4.5 正端電路圖

35

圖 4.6 正端電壓輸出波形

圖 4.7 正端輸出結果

圖 4.5 是正端輸出電路，從圖 4.6、圖 4.7 我們可以看出電壓的確由 110V 的交流電轉換成正 178V 的直流電壓。圖 4.8 為經過橋式整流跟電容濾波過後的直流濾波

36

圖 4.8 輸入電壓之漣波

圖 4.9 為經過 LM317,LM337 穩壓過後的電壓波形

圖 4.9 輸出電壓之漣波

37

圖4.10 最高電壓之輸出

圖4.11 最低電壓之輸出

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4.3 電路設計簡介

本穩壓電路利用達靈頓電路提高LM317跟LM337的電流驅動力,而在高壓電源供應器裏要使用達靈頓電路，當然得選用可以耐高壓的電晶體。因此我們選用

ＮＰＮ的２ＳＣ５１２９和ＰＮＰ的２ＳＡ１２９４來完成電路。

表4.1 正端所使用NPN電晶體2SC5129規格表

表4.2 負端所使用的PNP電晶體2SA1294規格表

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4.3.1 達靈頓直流分析

如下圖所示為典型的達靈頓放大器，信號由 Q1 的基極輸入，由 Q2 的射極

輸出，Q2 基極與 Q1 射極直接連接，所以 Q2 基極電流等於 Q1 射極電流。

圖 4.12 達靈頓電路

兩級放大器都採用「共集極」組態，以獲得高電流增益。達靈頓電路中，輸

入電流為 Q1 的基極電流 ，輸出電流為 Q2 的射極電流 ，我們可驗證輸入

與輸出間具有高倍率的電流放大作用：

所以達靈頓電路的輸出電流幾乎放大了兩個電晶體 β 值的乘積的倍率，即

β1 β2 倍。

第一步驟：列出輸入方程式與輸出方程式：

輸入方程式：VCC=IB1RB+VBE1+VBE2+IE2R

輸出方程式：VCC=VCE2+IE2RE

另外：IE1=IB2

第二步驟：輸出電流 IE2 與輸入電流 IB1 的關係

40

第三步驟：將 IE2 與 IB1 的關係代回輸入方程式，計算 IB1

第四步驟：將 IB1 代入輸出方程式，找出 VCE2

IE2=β1β1IB1 代入輸出方程式，得出

VCE2= VCC - IE2RE

4.3.2 其他設計

耐高壓電晶體需含有較低的 β，而其達靈頓接法的電晶體是用來隔離高

壓，提高電流驅動力

R3 電阻限制了短路電流在 50mA~100mA

輸出端的 RC 電路是用來改善暫態響應

調整腳在短路時，R4 和 D1 是用來保護其工作正常

其中 Q2 所耗損的瓦數會比較高，正常時約 5W， 當有短路電流產生時，

約 10W

稽納二極體是為了確保 LM317 的輸入、輸出端相差 5V

稽納二極體的阻抗足以小到讓 LM317 的輸入端不用接旁路電容

41

第五章 結論與未來展望

5.1 結論

本篇論文針對傳統的線性式電源供應器的原理做一詳盡的說明，並實際製作

一台輸出電壓為 165V-250V，電流為 150mA 之電源供應器，並且與原理互相印

證。在本文中，我們以實驗來探討我們的輸出是否為一穩定高電壓輸出，由於電

壓過高，在電路設計上，常常要保護元件避免被燒壞，因為電路的設計，讓能量

將會以熱的方式消耗掉，所以會有過熱之現象，因此燒壞不少的的元件，經過改

良之後，電路逐漸趨於穩定。

而在輸出電壓的漣波上，經過穩壓電路，我們可以看出輸出電壓明顯的將漣

波現象改善很多，在模擬與實作的比較結果，在負載的變化與電源變動，會有較

好的穩壓效果。

線性式電源供應器之優點如下：

1. 電路簡單

2. 電路穩定度高

3. 暫態響應快

4. 漣波較小

5. 電磁干擾小

5.2未來展望 本文所提供之相關理論與方法，經由實作電路可以得到佐證，但仍有改進空

間，其方向為:

1. 保護裝置：在電路中可能因為某個元件過熱而導致電路的損壞，因此若能增

加保護裝置就能提高電路的安全性。

2. 性能的提升：在電能轉換過程中，會造成功率的損失，若能減少功率的損失

就能提升電路的性能。

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第六張 附錄

附件一 可調式電源供應器之電路實體正面

附件二 可調式電源供應器之電路實體反面

43

參考文獻

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[2] 楊明松，"應用於電暈之電源供應器設計與研製"，私立中原大學

電機工程學系碩士學位論文，93 年。

[3] 無線電界雜誌社編輯部編著，"直流電源供應器的原理與設計"，

無線電界雜誌社。

[4] 孫銘宏，"交換式直流電信電源之電磁干擾雜訊自動量測與濾波

器設計"，私立義守大學電子工程所碩士論文，92 年。

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http://219.133.31.204:81/gate/big5/www.guangdongdz.com/club/detail

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國立成功大學工程科學係碩士論文，93 年。

[11] 郭朝生，"升降壓型電源轉換器之 T-S 模糊式控制"，私立中原

大學電機工程學系碩士學位論文，92 年。

[12] George C. Chryssis 著，梁適安 譯， "高頻交換式電源供應器

44

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[13] 林慧之，"交換式電源供應器，散熱性能之電腦輔助設計"，國

立清華大學動力機械學系碩士論文，90 年。