Электроника. Проектирование источника питания микроэлектронных устройств

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
__________________________________________________________________________ 
 
 
 
И.И. ЛИТВИНОВ, М.А. КУПАРЕВ, В.Е. ГЛАЗЫРИН 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОНИКА 
 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ  
ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ  
МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ 
УСТРОЙСТВ 
 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета 
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2020 

УДК 621.38.049.77(075.8) 
Л 641 
Рецензенты: 
канд. техн. наук, директор Новосибирского филиала Петербургского 
энергетического института повышения квалификации В.В. Зуйков 
канд. техн. наук, доцент НГТУ С.В. Спутай 
канд. техн. наук, доцент НГТУ О.В. Танфильев 
 
 
Работа подготовлена на кафедре электрических станций  
для студентов ФЭН, обучающихся по направлениям:  
13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»,  
14.03.01 «Ядерная энергетика и теплофизика»,  
20.03.01 «Техносферная безопасность» 
 
Литвинов И.И. 
Л 641  
Электроника. Проектирование источника питания микроэлектронных устройств: учебное пособие / И.И. Литвинов, 
М.А. Купарев, В.Е. Глазырин. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 
2020. – 115 с. 
ISBN 978-5-7782-4279-1 
Приведены основные сведения о параметрических, компенсационных 
и импульсных источниках питания постоянного тока для микроэлектронных устройств. Рассмотрены принципиальные схемы источников 
питания в целом, а также их структурных составляющих: силовых 
трансформаторов, выпрямителей, сглаживающих фильтров и стабилизаторов напряжения. Изложена методика выбора всех микроэлектронных 
элементов источников питания с рассмотрением конкретных числовых 
примеров. Дано руководство по работе в программном пакете Tina TI 
(разработчик – Texas Instruments) для моделирования работы источников 
питания. Представлены результаты исследовательской работы по технико-экономическому обоснованию вариантов схем источников питания.  
В тексте даны QR-коды и ссылки для мгновенного перехода к дополнительным образовательным ресурсам, содержащим описанные в пособии 
математические модели, обучающие видеоролики и пр. 
УДК 621.38.049.77(075.8) 
ISBN 978-5-7782-4279-1 
© Литвинов И.И., Купарев М.А.,  
 
Глазырин В.Е., 2020 
 
© Новосибирский государственный 
 
технический университет, 2020 

 
 
 
 
 
 
 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение .................................................................................................................. 4 
1. Структура источника питания ........................................................................... 5 
2. Стабилизаторы напряжения ............................................................................... 9 
2.1. Параметрические стабилизаторы напряжения ......................................... 9 
2.2. Компенсационные стабилизаторы напряжения ...................................... 21 
2.3. Импульсные стабилизаторы напряжения ................................................ 35 
3. Выпрямители ..................................................................................................... 47 
4. Сглаживающие фильтры .................................................................................. 55 
5. Расчет емкостных фильтров ............................................................................. 65 
6. Расчёт трансформаторов .................................................................................. 80 
7. Графическая часть работы ............................................................................... 89 
8. Краткое руководство по работе в программном пакете Tina TI ................... 91 
9. Технико-экономическое обоснование схемы источника питания .............. 101 
Примерный список вопросов для защиты РГЗ ................................................. 110 
Библиографический список ............................................................................... 113 
Приложение. Примеры исходных данных для РГЗ ......................................... 114 
 

 
 
 
 
 
 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Микроэлектронные устройства, реализующие функции преобразования сигналов, широко используются в системах обработки данных, 
автоматизации и управления в современной промышленности, в том 
числе и в современной энергетике. Курс промышленной электроники 
необходим для подготовки специалистов электроэнергетической отрасли не только для того, чтобы уметь анализировать схемы сложных 
электронных устройств, понимать принципы их работы и правильного 
использования, но и получить навыки самостоятельной разработки 
устройств автоматики и управления, без которых невозможна эффективная и безопасная работа электроэнергетической системы. Для этого 
рабочей программой курса предусматривается выполнение расчетнографического задания (РГЗ), в процессе которого студенты знакомятся 
с назначением и принципами работы основных микроэлектронных 
элементов, порядком выбора их номинальных параметров, а также с 
современными программными средствами проектирования электронных схем. 
В настоящем учебном пособии рассматриваются вопросы проектирования источника питания постоянного тока для микроэлектронных 
устройств. В основу пособия легли материалы, преподаваемые на протяжении многих лет на кафедре электрических станций НГТУ. Для 
более ясного понимания студентами сути рассматриваемых вопросов 
изложение материала сделано более глубоким, пособие дополнено 
примерами расчета и кратким руководством пользователя программ 
моделирования электронных схем. Коллектив авторов выражает благодарность студенту ФЭН И.А. Бородину за работу над расчетами 
примеров решения задач. 
 

1. СТРУКТУРА ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ 
 
Содержанием РГЗ является проектирование маломощного источника питания постоянного тока,  подключаемого к однофазной сети 
переменного тока. Проектирование источника питания можно разделить на пять этапов: 
 этап 1 – проектирование стабилизатора напряжения; 
 этап 2 – проектирование сглаживающего фильтра; 
 этап 3 – выбор параметров диодной схемы выпрямителя; 
 этап 4 – выбор параметров питающего трансформатора; 
 этап 5 – моделирование схемы спроектированного источника питания в программной среде разработки микроэлектронных систем. 
Перечисленные этапы включают в себя построение электрической 
схемы и выбор номинальных параметров используемых элементов (типов полупроводниковых приборов, сечений проводников обмоток 
трансформаторов и т. д.). Для моделирования спроектированного источника в качестве программной среды рассматривается пакет Tina TI (разработчик – Texas Instruments). В рамках РГЗ рассматривается проектирование двухполярного источника питания, который структурно может 
быть выполнен как два связанных однополярных (рис. 1 и 2). 
 

 
Рис. 1. Структурная схема однополярного источника питания 

Рассмотрим подробнее понятие полярности питания. Как известно, 
значение и направление электрического тока определяются не потенциалом, который не имеет физического смысла, а разностью потенциалов и знаком этой разности (больше или меньше нуля). Полярность 
питания (одно- или двухполярное) определяется тем, сколько можно 

получить знаков разности потенциалов, принимая потенциал одного из 
выводов за «нуль» (точку отсчёта). 
 

 
Рис. 2. Структурная схема двухполярного источника питания 

Рассмотрим пример (рис. 3). В электронных схемах принято все 
напряжения измерять относительно общей точки, которую часто называют «землёй». Примем за общую точку (или «землю») чёрный щуп 
вольтметра (на рис. 3 и 4 черный щуп обозначен тонкой стрелкой, а 
красный – толстой). Произвольным образом подключим его к схеме на 
рисунке. Тогда, подключая красный щуп к оставшейся клемме, можно 
будет получить только положительное или только отрицательное 
напряжение. Итак, в нашем примере мы имеем дело с однополярным 
источником питания. 
 

 
а 
 б 

Рис. 3. Пример однополярного источника питания на 15 В: 

а – чёрный щуп вольтметра подключается к катоду (отрицательной клемме); б – чёрный щуп вольтметра подключается к аноду  
                                    (положительной клемме) 

Проделаем те же самые операции с новой схемой (рис. 4), при этом 
подключим чёрный щуп к среднему выводу. Тогда, устанавливая красный щуп на свободные клеммы поочерёдно, получаем в результате измерения или +15 В, или –15 В, т. е. уже два разных варианта питания 
по полярности. 
 

а 
б 

Рис. 4. Пример двухполярного источника питания на 15 В: 

а – красный щуп вольтметра подключается к аноду (положительной клемме); б – красный щуп вольтметра подключается к катоду  
                                   (отрицательной клемме) 

Теоретически однополярный источник питания может быть применён в любой схеме. Но из-за особенностей работы конкретной схемы 
могут потребоваться дополнительные элементы, значительно удорожающие схему и/или ухудшающие её параметры. Рассмотреть эти особенности можно в схеме питания блока формирования сигнала для динамика от источников разных типов (рис. 5). 
 

 
а 
б 

Рис. 5. Питание динамика от однополярного источника: 

а – для подавления постоянной составляющей ЭДС применён конденсатор;  
б – для подавления постоянной составляющей ЭДС использован трансформатор 

Работа динамика обеспечивается переменным током, поскольку 
только переменный ток заставляет мембрану колебаться и издавать 
звук. Протекание постоянной составляющей сигнала в цепи динамика 
нежелательно, так как это увеличивает нагрузку на проводники, а также 

ухудшает качество звучания за счёт несимметричного изгиба мембраны. В приведённых схемах для исключения постоянной составляющей 
из сигнала, поступающего в обмотку динамика, применяется конденсатор C (рис. 5, а) или трансформатор Т (рис. 5, б). Однако подобные 
решения ухудшают работу динамика на определённых частотах: конденсатор оказывает большое сопротивление сигналам низкой частоты, 
а трансформатор – сигналам высокой частоты (комплексное сопротивление конденсатора обратно пропорционально частоте сигнала  f,  а 
комплексное индуктивное сопротивление трансформатора прямо пропорционально частоте сигнала  f).  
Для обеспечения высокого качества пропускания на всех частотах 
при применении однополярного питания необходимо или увеличивать 
ёмкость конденсатора, или уменьшать индуктивность рассеяния 
трансформатора, что в обоих случаях приводит к удорожанию схемы и 
ухудшению её массогабаритных характеристик. Решить эту проблему 
можно, применяя двухполярный источник питания (рис. 6). 
 

 
Рис. 6. Питание динамика от двухполярного  
источника питания  

В этой схеме нет необходимости устанавливать развязывающую 
ёмкость или трансформатор перед динамиком, так как при такой схеме 
питания постоянная составляющая и без этих элементов отсутствует в 
полезной нагрузке. Таким образом, за счёт некоторого усложнения источника питания улучшается качество работы устройства и его массогабаритные показатели. 
Важно отметить, что, хотя двухполярный источник питания позволяет получить напряжение питания до 
пит
2
,
E
 эта его особенность на 
практике не используется, поскольку нагрузка рассчитывается на 
пит.
E
 

Заметим также, что схема источника питания, показанная на рис. 2, 
позволяет использовать его не только как один источник двухполярного питания, но и как два независимых источника однополярного питания. В последнем случае мощность питающего трансформатора должна рассчитываться на двойную мощность нагрузки, что в дальнейшем 
и будем полагать при проектировании. 
 
 
2. СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ 
 
Стабилизатором напряжения называется устройство, которое 
поддерживает уровень напряжения на выходе постоянным при колебаниях уровня напряжения  на входе. В настоящем пособии рассматриваются три вида стабилизаторов постоянного тока: параметрический, 
компенсационный и импульсный. 

2.1. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ  
НАПРЯЖЕНИЯ 

В схемах параметрических стабилизаторов напряжения используется свойство некоторых приборов сохранять постоянство напряжения 
при изменении протекающего через них тока [1]. Из полупроводниковых приборов таким свойством обладает стабилитрон [2]. 
 

Перед изучением последующего материала 
рекомендуем читателю ознакомиться с принципом работы полупроводникового диода…  

 

…а также выполненного на его основе полупроводникового  стабилитрона, изучив обучающие видеоролики, доступные по ссылкам 

 

Рассмотрим сначала схему простейшего параметрического стабилизатора напряжения (рис. 7, а). На этой схеме 
вх
н
, 
U
U  – соответственно напряжение на входе схемы и напряжение на нагрузке; 

вх
н
VD
, 
, 
I
I
I
 – соответственно ток на входе схемы, ток в нагрузке и 
ток, протекающий через стабилитрон. Расчёт такого стабилизатора 
напряжения заключается в определении сопротивления балластного 
резистора 
б,
R
 а также в выборе параметров стабилитрона VD (другое 
название стабилитрона – диод Зенера). 
 

 
а 
б 

Рис. 7. Параметрический стабилизатор напряжения: 

а – схема без транзистора; б – схема с транзистором 

Стабилитрон представляет собой полупроводниковый диод, работающий при обратном смещении в режиме обратимого пробоя. До 
наступления такого пробоя через стабилитрон протекают незначительные токи утечки, а его сопротивление весьма высоко. При наступлении 
пробоя ток через стабилитрон резко возрастает, а его дифференциальное сопротивление падает до значений от долей ома до сотен ом. Поэтому в режиме обратимого пробоя напряжение на стабилитроне поддерживается с достаточной точностью в широком диапазоне обратных 
токов. 
Минимальное значение тока, при котором наступает пробой стабилитрона и переход в режим стабилизации напряжения (пологий участок 
вольт-амперной характеристики), называется минимальным током стабилизации 
ст min.
I
 Максимальное по условию термической стойкости 
значение тока называется максимальным током стабилизации 
ст max.
I
 
Указанным токам соответствует минимальное и максимальное напря

жение стабилизации 
ст min
U
 и 
ст max.
U
 Номинальному току стабилитрона 
ст.ном
I
 соответствует номинальное напряжение стабилизации 
ст.ном,
U
 которое является некоторым средним значением между 
максимально и минимально допустимым обратным напряжением, приложенным к стабилитрону. Как номинальный ток, так и номинальное 
напряжение часто фигурируют в номенклатуре стабилитронов, произведённых в России и СССР. Например, кремниевый стабилитрон марки КС512А при номинальной температуре окружающей среды имеет 
номинальный ток стабилизации 
ст.ном
5 мА,
I

 при котором падение 
напряжения на нём составляет 
ст.ном
12 В.
U

 В общем виде вольтамперная характеристика (ВАХ) стабилитрона показана на рис. 8, где 

пр
пр
, 
I
U
 – прямой ток и прямое напряжение, а обр
обр
, 
I
U
 – обратный 
ток и обратное напряжение. 
 

Iпр

Uпр

Iобр

Icт.max

Uобр
Ucт.min
Ucт.max

Icт.min

 
Рис. 8. Вольт-амперная характеристика стабилитрона