模电2-7功率电路

1、主讲教师：张德华（电气工程学院）主讲教师：张德华（电气工程学院） 第七章第七章 功率变换电路功率变换电路1 1、从功率变换的角度讨论放大电路如何有效地将直流供电、从功率变换的角度讨论放大电路如何有效地将直流供电电源的能量转换为负载所需要的信号功率。电源的能量转换为负载所需要的信号功率。 2 2、如何将交流电网的能量转换为电子电路所要求的直流电、如何将交流电网的能量转换为电子电路所要求的直流电能。能。 主要讨论：主要讨论： 低频功率放大电路低频功率放大电路 直流稳压电路直流稳压电路一、一、 主要特点主要特点 2.7.1 功率放大电路的特点和基本类型功率放大电路的特点和基本类型 由于输出电压或输出

2、电流的幅度较大，功率放大电路必须由于输出电压或输出电流的幅度较大，功率放大电路必须工作在大信号条件下，因而容易产生非线性失真。如何尽工作在大信号条件下，因而容易产生非线性失真。如何尽量减小输出信号的失真是首先要考虑的问题。量减小输出信号的失真是首先要考虑的问题。 输出信号功率的能量来源于直流电源，应该考虑转换的效输出信号功率的能量来源于直流电源，应该考虑转换的效率。率。 半导体器件在大信号条件下运用时，电路中应考虑器件的半导体器件在大信号条件下运用时，电路中应考虑器件的过热、过流、过压、散热等一系列问题，并要有适当的保过热、过流、过压、散热等一系列问题，并要有适当的保护措施。护措施。 1.甲类

3、单管功放级甲类单管功放级+VCCRLRb+-viCbVCC/RLVCC为了取得最大的动态范围，必须使静态工作点为了取得最大的动态范围，必须使静态工作点Q位于负载线的中位于负载线的中点，静态管压降点，静态管压降 ，静态电流，静态电流 。在正弦输入信号在正弦输入信号vi的驱动下，晶体管的电压和电流将在静态值的的驱动下，晶体管的电压和电流将在静态值的基础上分别叠加交流成分：基础上分别叠加交流成分：2/CCCEQVV)2/(LCCCQRVItIIitVVvcmCQCcemCEQCEsinsin二、二、 基本类型基本类型 因为集电极交流电流也为正弦波，电源输出的平均电流为因为集电极交流电流也为正弦波，电

4、源输出的平均电流为ICQ，因而电源提供的功率不变因而电源提供的功率不变负载上得到的输出信号功率为负载上得到的输出信号功率为由此可得该功率输出级的效率为由此可得该功率输出级的效率为 CQCCEIVP LcmORIP221CQCCLcmEOIVRIPP221电源提供的功率输出信号功率当晶体管处于最大不失真输出时，如不考虑其饱和压降当晶体管处于最大不失真输出时，如不考虑其饱和压降VCES，则极限情况下则极限情况下2/CCcemVV)2/(LCCcmRVI%25)2/()8/(22LCCLCCRVRV该类电路的理想效率为该类电路的理想效率为 +VCCRLRb+-viCb可见这类放大器的功率转换效率很低

5、，原因是电源可见这类放大器的功率转换效率很低，原因是电源VCC所提所提供的总功率中，大部分消耗在晶体管的管耗和负载电阻的直流供的总功率中，大部分消耗在晶体管的管耗和负载电阻的直流功耗上了。这类单管放大器由于不允许在一个周期内出现截止功耗上了。这类单管放大器由于不允许在一个周期内出现截止失真，所以必须取失真，所以必须取 ，这显然是造成较大管耗和负载直，这显然是造成较大管耗和负载直流功耗的根源。流功耗的根源。cmCQII为了提高功率输出级的效率，人们设想能否使晶体管的静态为了提高功率输出级的效率，人们设想能否使晶体管的静态电流电流 ？若这样，波形中将出现半个周期的截止区。？若这样，波形中将出现半个

6、周期的截止区。但如果再用另一个同样的电路，使之与前一个电路交替工作但如果再用另一个同样的电路，使之与前一个电路交替工作(即前一电路中晶体管截止时，后一电路晶体管工作），则即前一电路中晶体管截止时，后一电路晶体管工作），则负载上仍可得到完整的正弦波。我们把在一个周期内，要求负载上仍可得到完整的正弦波。我们把在一个周期内，要求完整导通的放大器称为甲类放大器，而对仅导通半个周期的完整导通的放大器称为甲类放大器，而对仅导通半个周期的放大器（放大器（ ）称为乙类放大器。根据静态工作点的不同）称为乙类放大器。根据静态工作点的不同设置，功率放大器可以工作在乙类设置，功率放大器可以工作在乙类=180 ，甲类，

7、甲类=360和甲乙类和甲乙类=180360（为导通角）。为导通角）。 0CQI0CQI 功率放大器的工功率放大器的工作点设置作点设置 乙类乙类=180 甲类甲类=360 甲乙类甲乙类=180360乙类放大乙类放大甲类放大甲类放大甲乙类放大甲乙类放大ICQ略大于略大于0主要有互补对称式和变压器耦合推挽式两种类型主要有互补对称式和变压器耦合推挽式两种类型 。1。双电源供电的互补对称功放电路，又称。双电源供电的互补对称功放电路，又称OCL电路电路(Output Capacitorless) 静态静态(vi0)时，时，T1、T2管管均截止，均截止，VOQ0正半周正半周(vi0)时，时，T1管导管导通，

8、通，T2管截止，管截止，+VCCT1RLGND负半周负半周(vi0)时，时，T1管截管截止，止，T2管导通，管导通， GNDRLT2-VCC2.乙类功率放大器乙类功率放大器2。单电源供电的互补对称功放。单电源供电的互补对称功放电路，又称电路，又称OTL电路电路(Output Transformerless) OCLOTL大容量大容量(几几百几千百几千微法微法)的电的电解电容器解电容器 OTL功率放大器由于静态功率放大器由于静态时时 , 所以要求输所以要求输入端入端(T1、T2基极基极)上的静上的静态电压也为态电压也为 ，即，即而而OCL电路的输入端上不电路的输入端上不需要静态电压。需要静态电压

9、。 2/CCoVv 2/CCViCCIvVv)2/( 单电源互补功放电路单电源互补功放电路(OTL)的工作原理的工作原理OTL功放电路与功放电路与OCL功放电路的工作原理类似，都由功放电路的工作原理类似，都由NPN和和PNP管构成，但增加了一只大容量管构成，但增加了一只大容量(几百几千微法几百几千微法)的电的电解电容器。解电容器。静态静态(vi0)时，时，T1、T2管均截止，管均截止， voVCC/2 ，所以电容，所以电容C 上充有上充有VCC/2的电压，的电压，VOQ0正半周正半周(vi0)时，时，T1导通，导通，T2截止，截止，+VCCT1 C RLGND。电容充电。电容充电。负半周负半周

10、(vi0)时，电容时，电容C上的电上的电压压VCC/2作为电源，作为电源，T1截止，截止，T2导通，电容放电，导通，电容放电， RL C T2GND 。负载上流过负半周。负载上流过负半周信号电流。信号电流。2. 变压器耦合推挽式变压器耦合推挽式Tr1、Tr2为输入和输出变压器；为输入和输出变压器；T1、T2为同极型对称推挽管；为同极型对称推挽管；Rb1、Rb2提供静态偏置，克服交越失提供静态偏置，克服交越失真。真。正半周正半周(vi0)时，时，v21为正，为正，T导通，导通， v22为负，为负，T截止输截止输出正半周。出正半周。负半周负半周(vi0)时，时， v21为负，为负，T1截止，截止，

11、 v22为正，为正，T2导通，导通，输出负半周。输出负半周。变压器耦合的突出优点是，通过改变变压器的变比，能变压器耦合的突出优点是，通过改变变压器的变比，能找到一个最佳的等效负载找到一个最佳的等效负载(此时输出功率最大，且不失此时输出功率最大，且不失真真)。并且，在不提高电源电压的条件下，可以使输出电。并且，在不提高电源电压的条件下，可以使输出电压幅度压幅度Vom超过电源电压。超过电源电压。一、一、 功率放大电路的主要技术指标功率放大电路的主要技术指标tVvimisintRVitVvLomoomosin)/(sinLomomomoooRVIVIVP2222设输入：设输入：则输出：则输出：输出功

12、率：输出功率：2.7.2 功率放大电路的分析计算功率放大电路的分析计算以双电源互补对称式（以双电源互补对称式（OCL）功率放大电路为例。）功率放大电路为例。 输出功率输出功率PoLomCCLomCCoCCERVVtdRtVVtdiVP2)(sin)(21200电源提供平均功率：电源提供平均功率： 输出效率输出效率CComEoVVPP4输出效率输出效率: 输出效率是输出功率与电源提供的平均功率之比。输出效率是输出功率与电源提供的平均功率之比。LomomomoooRVIVIVP2222当输入信号幅度达到理想的最大值当输入信号幅度达到理想的最大值 时，时，输出功率达到最大，此时输出效率也最大。输出功

13、率达到最大，此时输出效率也最大。CComVV考虑功放管的饱和压降考虑功放管的饱和压降VCES时，时，Vom=VCC-VCES，实际效率将小于实际效率将小于78.5%(一般为一般为6070%)。 最大输出功率及最大效率最大输出功率及最大效率LCComRVP22LCCERVP22%5 .784maxEoPP互补对称功放电路的工作波形互补对称功放电路的工作波形 LomomomoooRVIVIVP2222 管耗管耗PT T1、T2二管的总管耗为：二管的总管耗为：LomLomCCoETRVRVVPPP222为求最大管耗为求最大管耗PTM，对上式求导，并令，对上式求导，并令dPT/dVom=0。 CCCC

14、omVVV64. 02omomLCCTMPPRVP4 . 042222所以每个功放管的最大功耗为：所以每个功放管的最大功耗为： omTMMTMTPPPP2 . 02121此时此时:02LomLCComTRVRVdVdPLCComRVP22( 2 ) 功 放 管 的 耐 压功 放 管 的 耐 压 V (BR)CEO2VCC。(3) 功放管允许的最大集电功放管允许的最大集电极电流极电流ICMVCC/RL。在互补对称功率放大电路中，功放管必须在互补对称功率放大电路中，功放管必须按以下几点原则选取：按以下几点原则选取：(1) 管子的功耗管子的功耗PCM0.2Pomax。(2) 功放管的耐压功放管的耐压

15、V (BR)CEO2VCC。(3) 功放管允许的最大集电极电流功放管允许的最大集电极电流ICMVCC/RL。二、功率管的选取二、功率管的选取单电源互补对称式（单电源互补对称式（OTL）功率放大电路）功率放大电路tVvimisintRVitVvLomoomosin)/(sinLomomomoooRVIVIVP2222设输入：设输入：则输出：则输出：输出功率：输出功率： 输出功率输出功率PoLomCCLomCCoCCERVVtdRtVVtdiVP)(sin2)(2100电源提供平均功率：电源提供平均功率： 输出效率输出效率CComEoVVPP2输出效率输出效率: LomomomoooRVIVIVP

16、2222 最大输出功率及最大效率最大输出功率及最大效率LCCLomomRVRVP8222当输入信号幅度达到理想的最大值当输入信号幅度达到理想的最大值 时，输出功时，输出功率达到最大，此时输出效率也最大。率达到最大，此时输出效率也最大。2/CComVVLCCLomCCERVRVVP22%5 .7842CComEoVVPP(1)(1)功率管应该严格配对，大小工作电流时的功率管应该严格配对，大小工作电流时的一致。一致。在大电流下饱和压降小，且一致。在大电流下饱和压降小，且一致。(2)(2)管子的散热问题。在大功率场合，必须给管子装管子的散热问题。在大功率场合，必须给管子装上一定尺寸的散热板，或进行风

17、冷和水冷。上一定尺寸的散热板，或进行风冷和水冷。(3)(3)功放管因在大电流、高电压下工作，应对其采取功放管因在大电流、高电压下工作，应对其采取过压和过流保护措施。过压和过流保护措施。(4) (4) 消除低频自激的有效方法是在前置放大电路的供消除低频自激的有效方法是在前置放大电路的供电回路中加去耦滤波电容。电回路中加去耦滤波电容。 三、功放电路实际应用时需考虑的问题三、功放电路实际应用时需考虑的问题克服交越失真的功率输出电路克服交越失真的功率输出电路1、集成运放的扩流、集成运放的扩流集成运放扩流电路集成运放扩流电路2.7.3集成功率放大器集成功率放大器在集成运放的输出端再加一级互补对称功放。在

18、集成运放的输出端再加一级互补对称功放。利用利用T1、T2管子的管子的电流放大作用，达电流放大作用，达到扩大输出电流的到扩大输出电流的目的。目的。一、集成运放的扩流和扩压一、集成运放的扩流和扩压2、 集成运放的扩压集成运放的扩压当当vi0时，时，vO0。vB1=+15V，vB2=-15V，V+=+14.3V，V-=-14.3V。22)(2122)(2121oCCooCCBoCCooCCBvVvvVvvVvvVv经扩压后的输出电压可达经扩压后的输出电压可达24V以上。以上。 当加入信号当加入信号vi后，后，1122()()()() 1.422221.428.6VBBEBEBCCoCCoCCVVvv

19、vvVvVvVVV 运放和运放和OCL电路组成的功率放大电路电路组成的功率放大电路实际的功率放大电路通常由电压放大级和功率放大级组成，并实际的功率放大电路通常由电压放大级和功率放大级组成，并引入负反馈以改善各方面的性能。引入负反馈以改善各方面的性能。 12RRAvf电压串联型交、直流负反馈的引入既可稳定静态时的输出零电压串联型交、直流负反馈的引入既可稳定静态时的输出零电位，又可稳定动态时的闭环增益和改善非线性失真，并提电位，又可稳定动态时的闭环增益和改善非线性失真，并提高输入电阻，减小输出电阻。高输入电阻，减小输出电阻。121RRAvf一般通用型集成运放的输出功率是很小的，如一般通用型集成运放

20、的输出功率是很小的，如A741的的输出功率仅为输出功率仅为100mW左右。在需要较大功率场合，可选左右。在需要较大功率场合，可选用集成功率放大器。用集成功率放大器。 5W音频放大器音频放大器 二、集成功率放大器二、集成功率放大器20W音频放大器音频放大器 直流稳压电源的结构框图直流稳压电源的结构框图一、一、 整流与滤波电路整流与滤波电路2.7.4 整流、滤波、稳压电路整流、滤波、稳压电路整流电路的任务是利用二极管的单向导电性，把正、负交整流电路的任务是利用二极管的单向导电性，把正、负交变的变的50Hz电网电压变成单方向脉动的电压。电网电压变成单方向脉动的电压。 全波整流全波整流tVvvsin2

21、22221|sin2|2tVvO22 0 2)(9 . 022sin21VVdttVVAVO全波桥式整流输出波形全波桥式整流输出波形 在一个周期中，在一个周期中，D1、D3和和D2、D4各轮流导通一各轮流导通一次。次。 全波桥式整流电路全波桥式整流电路整流电路只是将交流电变换为单方向的脉动电压和电流，整流电路只是将交流电变换为单方向的脉动电压和电流，由于后者含有较大的交流成分，通常还需在整流电路的由于后者含有较大的交流成分，通常还需在整流电路的输出端接入滤波电路，以滤除交流分量，从而得到平滑输出端接入滤波电路，以滤除交流分量，从而得到平滑的直流电压。的直流电压。 滤波电路滤波电路利用电容的储能

22、利用电容的储能特性，将电容量特性，将电容量足够大的电容与足够大的电容与负载并联。负载并联。当开关当开关S断开时，断开时，22VvC当开关当开关S合上时，合上时，在在v2vC时，二极时，二极管均反偏截止，管均反偏截止，C对对RL放电，放电， vC缓慢下降。缓慢下降。CRLd在在v2vC时，时，D1、D3管导通，管导通，iD1,3一部分一部分提供负载电流，另一提供负载电流，另一部分对部分对C充电，充电，vC上升较快。上升较快。CRRRLdintint)/(在在RL=(空载空载)时，时， ，输出直流电压，输出直流电压VO为最大。为最大。2)(2VVAVORMRVVV22(二极管允许的反向电压二极管允

23、许的反向电压) (二极管最大整流电流二极管最大整流电流) 为确保二极管安全工作，要求为确保二极管安全工作，要求: 输出直流电压平均值输出直流电压平均值VO(AV)在在RLC值很小时，相当于无滤波值很小时，相当于无滤波电容的情况电容的情况 ，一般情况下，可按下式估算：一般情况下，可按下式估算：VO(AV)0.9V2VO(AV) 1.2V2FLAVOAVDIRVI2)()(CRL0CRL 滤波电路形式滤波电路形式 不同电子设备要求其电源电压的平滑程度不同，为此可采不同电子设备要求其电源电压的平滑程度不同，为此可采用不同的滤波电路。用不同的滤波电路。电容滤波电容滤波L型滤波器型滤波器电感滤波电感滤波

24、负载特性曲线负载特性曲线RC-型滤波器型滤波器LC-型滤波器型滤波器1、交流市电波动、交流市电波动2、负载变化、负载变化都要引起输出电压不稳定都要引起输出电压不稳定稳压电路稳压电路VIVO接整流接整流滤波电滤波电路路稳压电路稳压电路LOIrLLOIIOOIRVSIIVVVVV稳压系数稳压系数内阻内阻IL+VO-+VI-RRL+VO-+VI-RRL+VO-+VI-RRL(a)稳压管稳压电稳压管稳压电路路(b)加晶体管扩大负载电加晶体管扩大负载电流的变化范围流的变化范围(b)的常见画法的常见画法VI（或（或RL ） VO VBE IB VO二、二、 线性串联型稳压电路线性串联型稳压电路VI是输入电

25、压，是输入电压，T为调整为调整管，管，A为比较放大电路，为比较放大电路，VREF为基准电压，它由为基准电压，它由稳压管稳压管Dz与限流电阻与限流电阻R构构成。成。R1与与R2组成反馈网络，组成反馈网络，是用来反映输出电压变化是用来反映输出电压变化的取样环节。的取样环节。这种稳压电路的主回路由调整管这种稳压电路的主回路由调整管T与负载相串联构成，且与负载相串联构成，且T工工作在线性状态，故称为线性串联式稳压电路。作在线性状态，故称为线性串联式稳压电路。+VO-+VI-RRLVO=VI-VCE， VO由反馈网络由反馈网络取样，并经放大电路取样，并经放大电路(A)放大放大后去控制调整管后去控制调整管

26、T的基极电压，的基极电压，从而改变调整管从而改变调整管T的的VCE。VI增加增加(或或Io减小减小)VF与与VREF经比较经比较放大后使调节管的放大后使调节管的VB和和IC减小，减小，VO增加增加VF=R2VO/(R1+R2)=FvVO增加增加(Fv为反为反馈系数馈系数)。VCE增大增大VO下降，从而维持下降，从而维持VO基本恒定。显然，基本恒定。显然，这是电压负反馈电路基本性能。这是电压负反馈电路基本性能。 如把串联稳压电路看作反馈如把串联稳压电路看作反馈放大器放大器(输入为输入为VREF，输出，输出为为VO)，则这种电路属于电，则这种电路属于电压串联负反馈压串联负反馈 。在深度负反馈条件下

27、在深度负反馈条件下 )1 (21RRVVREFO212RRRFv212RRRVVOREF最大可能输出电压CESIVV 一一. 三端固定式集成稳压器三端固定式集成稳压器 w 塑料封装塑料封装(TO-220)w 最大功耗为最大功耗为10W(加散热器加散热器)w VI为不稳定电压输入端为不稳定电压输入端w VO为稳定电压输出端为稳定电压输出端w GND为公共接地端为公共接地端w 金属壳封装金属壳封装(TO-3) w 最大功耗为最大功耗为20W(加散热器加散热器)2.7.5 线性集成稳压电源线性集成稳压电源 7800系列系列w 最大输出电流为最大输出电流为1.5Aw 7800系列中输出稳定电压分为系列

28、中输出稳定电压分为5V、6V、9V、12V、15V、18V和和24V等多种等多种 w 输出电压允许有输出电压允许有5%的偏差的偏差w 最小的输入最小的输入-输出压差为输出压差为2V，但为使工作可靠，一般压差应，但为使工作可靠，一般压差应大于大于35Vw 最高输入电压最高输入电压VI35V。 7900系列系列 使用使用7800与与7900时需要注意，采用时需要注意，采用TO-3封装的封装的7800系系列，其金属外壳为地端；而同样封装的列，其金属外壳为地端；而同样封装的7900系列，金属系列，金属外壳是负压输入端。外壳是负压输入端。 TO-220封装封装TO-3封装封装w 7900系列属于负压输出系列属于负压输出w 外形、电压系列、允许电流与外形、电压系列、允许电流与7800系列完全相同系列完全相同w 但管脚排列顺序不同但管脚排列顺序不同 三端稳压器原理框图三端稳压器原理框图 三端稳压器的典型应用三端稳压器的典型应用w Ci是稳压器的输入电容，用于进一步减小高频纹波是稳压器的输入电容，用于进一步减小高频纹波w Co是稳压器的输出电容，用于改善负载的瞬态响应是稳压器的输出电容，用于改善负载的瞬态响应1、要防止浮地故障的发生，一旦、要防止浮地故障的发生，一旦GND端开路，稳压器的输端开路，稳压器的输出电压就会接近于输入电压，即出电压就