模电第8章直流稳压电源1

1、(4-1) 8.2 整流及线性稳压电路整流及线性稳压电路 8.3 低频功率放大电路低频功率放大电路8.1常用功率电子器件及特性常用功率电子器件及特性第八章第八章 功率电路及电源管理功率电路及电源管理8.1 常用功率电子器件及特性常用功率电子器件及特性 12第八章第八章 功率电路及电源管理功率电路及电源管理(4-4)滤波滤波整流整流稳压稳压变压变压交交流流电电源源负负载载组成框图组成框图直流稳压电源的作用直流稳压电源的作用 将交流电网电压转换为直流电压，为放大电路提供直流工将交流电网电压转换为直流电压，为放大电路提供直流工作电源。作电源。变压器：变压器：整流：整流：滤波：滤波：稳压：稳压：降压降

2、压滤除脉动滤除脉动交流变脉动直流交流变脉动直流进一步消除纹波，提高电压的稳定性和带载能力进一步消除纹波，提高电压的稳定性和带载能力 8.2 整流及线性稳压电路整流及线性稳压电路滤波滤波整流整流稳压稳压变压变压交交流流电电源源负负载载Otu220 VOtu合适的交流电压合适的交流电压Otu合适的交流电压合适的交流电压Otu单向脉动电压单向脉动电压Otu滤滤 波波Otu稳稳 压压(4-6)8.2.1 单相整流电路单相整流电路一、半波整流一、半波整流)sin(222tVv tO 2 3 v222V tO 2 3 vO22V OdVV02)()sin(221tt245. 0V tO 2 3 iD= i

3、O tO 2 3 vD22V22VVRMLODVRII245. 0RL220 V+ vv2iD+ vD(4-7)D3RLD4D2D1v1v2ioRLD4DV3D2D1+vo v2v1二、桥式整流二、桥式整流输入正半周输入正半周1. 1. 工作原理工作原理输入负半周输入负半周+uo (4-8)3. 参数估算参数估算1) ) 整流输出电压平均值整流输出电压平均值 O 01U2Usin()d()tt 222 2U0.9U 2) ) 二极管平均电流二极管平均电流ODOLU122IIR2LU0.45R3) ) 二极管最大反向压二极管最大反向压RM2U2U to to to to 2 3 2 3 Im 2

4、 2 3 3 vOv2vDiD = iO22U22U22U(4-9)4. 简化画法简化画法+uo RLio+u2 5. 整流桥整流桥把四只二极管封装把四只二极管封装在一起称为整流桥在一起称为整流桥 整流桥整流桥(4-11)io + uo= uc RLD1D4DV3D2+u 8.2.2 滤波电路滤波电路一、电容滤波一、电容滤波1. 电路和工作原理电路和工作原理C(4-12)io + uo= uc RLD1D4D3D2+u D导通时给导通时给 C 充电，充电，D截止时截止时 C 向向 RL 放电放电；滤波后滤波后 Uo 的波形变得平缓，平均值提高。的波形变得平缓，平均值提高。电容电容充电充电电容电

5、容放电放电COtu(4-13)2. 波形及输出电压波形及输出电压O2U2U 当当 RL = 时：时：O tvO 2 22U当当 RL 为有限值时：为有限值时：2O20.9UU2U 通常取通常取RC 越大越大 UO 越大越大RL = UO = 1.2U2(4-14)RM2U2U3. 选二极管应满足：选二极管应满足：IF (2 3) ID4. 选滤波电容选滤波电容2)53(LTCR 为获得良好滤波效果，一般取：为获得良好滤波效果，一般取：( (T 为输入交流电压的周期为输入交流电压的周期) )(4-15)电容滤波的特点电容滤波的特点A. 电容滤波后，平均输出电流比原来提高，而导电角电容滤波后，平均

6、输出电流比原来提高，而导电角却减小了，整流管在短暂的导电时间内流过一个很大却减小了，整流管在短暂的导电时间内流过一个很大的冲击电流，对管子的寿命不利，所以必须选择较大的冲击电流，对管子的寿命不利，所以必须选择较大容量的整流二极管。容量的整流二极管。B. 直流电压直流电压 VL 随负载电流增加而减少随负载电流增加而减少当当 d （3 5） 时，时，2TUL = ( 1.1 1.2 )V2ID=(2 3)(1/2)(UL/RL)C. 最大反向电压最大反向电压RM22 UU(4-16)二、其他形式滤波二、其他形式滤波1. 电感滤波电感滤波RLL+v2 整流后的输出电压：整流后的输出电压：直流分量直流

7、分量被电感被电感 L 短路短路交流分量交流分量主要主要降在降在 L 上上 电感越大，滤波效果越好电感越大，滤波效果越好(4-17)2. 型滤波型滤波L C1RL+v2 C2C1、C2 对交流对交流容抗小容抗小L 对交流对交流感抗感抗很很大大负载电流小时负载电流小时(4-18)2. 型滤波型滤波L C1RL+v2 C2负载电流小的情况下负载电流小的情况下L 可用阻值小的可用阻值小的R代替代替负载电流小的情况下负载电流小的情况下(4-19)8.2.3 串联反馈式稳压电路串联反馈式稳压电路1） 稳压电源质量指标稳压电源质量指标2） 工作原理工作原理3) 三端集成稳压器三端集成稳压器4) 三端集成稳压

8、器的应用三端集成稳压器的应用(4-20)输出电压输出电压1) 稳压电源质量指标稳压电源质量指标OIO( , , )Uf UIT输出电压变化量输出电压变化量OVIoO TUKURIST输入调整因数输入调整因数OOu00IITUKU 电压调整率电压调整率OOOu00I/100% ITUUSU 稳压系数稳压系数OOO00II/ /ITUUUU 输出电阻输出电阻IOo00OUTURI 温度系数温度系数IO00 TUTUST (4-21) IZDZILRLU0UiR1. 电路组成电路组成2) 串联反馈式稳压电路的工作原理串联反馈式稳压电路的工作原理稳压管稳压电路稳压管稳压电路IZmin IZ IZmax

9、并联型稳压电路并联型稳压电路扩流扩流基本调整管稳压电路基本调整管稳压电路(4-22)1.电路组成电路组成2) 串联反馈式稳压电路的工作原理串联反馈式稳压电路的工作原理基本调整管稳压电路基本调整管稳压电路串联型稳压电路串联型稳压电路基本调整管稳压电路基本调整管稳压电路(4-23)1.电路组成电路组成2) 串联反馈式稳压电路的工作原理串联反馈式稳压电路的工作原理 IZDZILRLU0UiR(4-24)1.电路组成电路组成2) 串联反馈式稳压电路的工作原理串联反馈式稳压电路的工作原理(4-25)8Uo+UI RLV1+UCE +UI 取取样样电电路路调整管调整管比较放比较放大电路大电路基准电压基准电

10、压UZUF 2.结构结构10.2.2 串联反馈式稳压电路的工作原理串联反馈式稳压电路的工作原理(4-26)2) 串联反馈式稳压电路的工作原理串联反馈式稳压电路的工作原理3. 工作原理工作原理(+)(+)(+)(+)输入电压波动输入电压波动负载电流变化负载电流变化输输出出电电压压变变化化OU)U(UREFF不变 UB CICEUOU电压串联负反馈电压串联负反馈输出电压输出电压)1 (UU21REFORR（满足深度负反馈（满足深度负反馈 ）212OFUURRRFV Q uCE/V iC/mA Q 单片集成稳压电源优点：单片集成稳压电源优点： 具有体积小具有体积小, ,可靠性高可靠性高, ,使用灵活

11、使用灵活, ,价格低廉。价格低廉。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端引出端,故称之为三端集成稳压器。故称之为三端集成稳压器。1. 分类分类两位数字为输出电压值两位数字为输出电压值三三端端稳稳压压器器输出固定电压输出固定电压输出正电压输出正电压78XX 输出负电压输出负电压79XX （1. 25 37 V 连续可调）连续可调）LM11/217/317和LM137/237/337(4-29)1 基本原理基本原理78系列为正输出电压，系列为正输出电压， 79系列负正输出电压系列负正输出电压 78MXX， 79MXX 为0.5 ， 78XX， 79X

12、X 为1.5 ， 78LXX， 79LXX 为0.1 。 XX表示输出电压的大小，XX为05V，输出电压有输出电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V和和24V等等7档。档。注意：注意：输入、输出电压差最小为输入、输出电压差最小为23V。一、输出固定三端集成稳压器一、输出固定三端集成稳压器 输出电流超过输出电流超过 1. 5 A（加散热器）（加散热器） 不需要外接元件不需要外接元件 内部有过热保护内部有过热保护 内部有过流保护内部有过流保护 调整管设有安全工作区保护调整管设有安全工作区保护 输出电压容差为输出电压容差为 4%(4-31)调整管启动电路基准电源采样电路放大电路保护电路输入输

13、出UiUo一、输出固定三端集成稳压器一、输出固定三端集成稳压器(4-32)三端固定电压式集成稳定器 比较放大器取样电路基准电压源调整电路UoRLUI(a)R18R4V12R5R6VZ1V14R7V13V10V5V6R15V7V1V2R3R10R8V8V9R9V11R16R2CV3V4R14R20R19公共输出输入R17R11R12V15V16V17R13VZ2(b)R1URW78MXX系列稳压器外形系列稳压器外形1输入端输入端3 公共端公共端2 输出端输出端W79MXXW79MXX系列稳压器外形系列稳压器外形1 公共端公共端3输入端输入端2 输出端输出端(4-34)三端固定三端固定正正输出集成

14、稳压器输出集成稳压器78XX的外形及管脚排列的外形及管脚排列(4-35)三端固定三端固定负负输出集成稳压器输出集成稳压器79XX的外形及管脚排列的外形及管脚排列CoW7805CiUI+_+_Uo123Co1 0.11 F10 F 0.11 F(4-38)一.基本应用电路10.2.3 三端集成稳压器的应用三端集成稳压器的应用(4-39)932220V 24V+C 24V+CW7815Ci+15V123CiW79151CoCo 15V1 F1 F0.33 F0.33 F1000 F1000 F(4-43)(a)W78132UoUiR1R2UXXIQ(b)W79213UoUiR2R1UXXIQ212

15、21)1 ()(RIURRRIRUUUQXXQXXXXO忽略静态电流IQ在电阻R2两端的电压降IQR2 Uo(1XXURR)12(4-44)LM78UoUiC1(c)C2ARW(4)、三端稳压器功能的扩展、三端稳压器功能的扩展输出电压可调电路输出电压可调电路IO= I2 + ICCoW78XXCiUI+_+_Uo123RURICI2IOT+ R 可由功率管可由功率管 T的的UBE和稳压器的和稳压器的确定确定, 即即R UBE /IiM。IiM(4-46)内内部部结结构构调整电路基准电路误差放大启动电路偏置电路电路保护电路电路IREFUOADJ外外形形引引脚脚CW1171 2 3UIUOADJU

16、ICW1371 2 3UIUOADJ 50 A二、二、 三端可调集成稳压器三端可调集成稳压器可调式三端集成稳压器（正电压可调式三端集成稳压器（正电压LM317、负电压、负电压LM337 ）(4-48)基本应用电路基本应用电路Uo CW3173C2+UiC1C30.1 F10 F33 FR1R2C4I REF0.1 FD1D2UREF = 1.25 Vxx使使 UREF 很稳定很稳定I REF 50 A输出电压输出电压2REF211REFO)(UURIRRR)/1 (25. 112RRD1 防止输入端短路时防止输入端短路时C4 反向放电损坏稳压器反向放电损坏稳压器D2 防止输出端短路时防止输出端

17、短路时C2 通过通过调整端放电损坏稳压器调整端放电损坏稳压器(4-50)1、0 30 V 连续可调电路连续可调电路Uo CW3173+UiC10.33 F10 FR1R2C31 FVC2R3+ 3 k 120 680 +32 V10 VAUA = 1.25 V当当 R2 = 0 时，时，UO= 0 V(4-51)3. 正负输出可调式应用正负输出可调式应用(4-54)4. 并联应用举例并联应用举例5、功率放大器、功率放大器6、恒流源电路、恒流源电路(4-61)8.4.1 开关稳压电源的基本原理开关稳压电源的基本原理8.4.2 集成开关稳压器集成开关稳压器 8.4 开关型稳压电源开关型稳压电源(4

18、-62)8.4 开关型稳压电源开关型稳压电源 线性稳压电源具有稳定性好、波纹小，瞬态响应快、线路简单、工作可靠等优点，然而由于功率调整器件串联在负载回路里，而且工作在线性区，因此功率转换效率比较低。为了提高效率，降低稳压电源的重量和体积，从20世纪60年代中期开始，开关稳压电源在国内外得到迅速的发展和广泛的应用。 开关稳压器中调整管处于开关工作状态，即由截止到饱和及由饱和到截止两种状态，大大地减小了功耗。另外，开关稳压器还可以将低电压变换成稳定的高电压，或转换极性等。它的主要缺点是输出电压纹波较大， 电路比较复杂。 (4-63) 7.4.1 开关稳压电源的基本原理开关稳压电源的基本原理 开关稳

19、压电源的方框图如图7- 35所示。图中50Hz市电通过输入回路中的整流器和滤波器转换成直流电压输入高频变换器。高频变换器把输入的直流电压转变为高频(20kHz)脉冲方波电压，该脉冲方波电压通过输出回路中的高频整流器和滤波器变成直流电压供给负载。高频变换器是开关稳压电源的核心。它和输出回路一起组成开关稳压电源的主回路。稳定输出电压的任务是由控制电路来完成的。控制电路内部包含有基准电源，振荡频率由外接电阻RT和电容CT决定的振荡器，比较放大器，脉宽调制器(或脉频调制器)等。 (4-64)图 7- 35 开关稳压电源方框图高频整流器和滤波器高频变换器输入整流器和滤波器电源5060 HzDC20500

20、 kHzDC脉宽或脉频调制器振荡器基准电源比较放大器输出负载控制电路(4-65) 控制电路稳定输出电压的原理为：当负载RL的阻值增大或输入电网电压升高而引起开关稳压电源的输出电压轻微上升时，控制电路就能使高频变换器输出的脉冲方波的宽度变窄(或开关频率降低)，从而使开关稳压电源的输出电压下降， 起到稳定输出电压的作用；反之，当电网电压下降引起输出电压下降时，控制电路使高频变换器输出的脉冲方波的宽度展宽(或开关频率升高)，从而使输出电压上升。 1. 串联型脉宽调制式开关稳压电路串联型脉宽调制式开关稳压电路 串联型脉宽调制式开关稳压电路的主要回路如图7- 36所示。 图中功率开关管、输入电压、输出电

21、压三者串联，故称串联型。 (4-66)图 7- 36 串联型脉宽调制式开关稳压电路UIVLuLUIVDCUoRL(a)0tTTonToffUI UI0tUI Uo UouL0tIDiLILmILmtiC00tUouo(b)iCiL(4-67) 在、L、C、D均为理想元件的情况下，当开关管基极上加有正脉冲电压时，导通，此时电感L两端的电压为Ui-Uo，电压极性是左正右负，D处于反偏截止，L上流过一个线性增长的电流，将从最小值ILm开始增加。此电流先向负载RL输送电流(此时电感上的电流低于负载电流，故C向RL放电)。当电感上电流大于RL上电流时，电感上电流一方面向C充电，另一方面向RL输送，在此期

22、间， 电感上逐步积累磁能。 当开关管基极上无脉冲电压或加有负脉冲电压时，截止， L上的电压极性发生反转，即变为左负右正，导通，先前储存在L中的磁能开始转换成电流而释放。 (4-68) 此电流一方面向RL提供电流以维持RL中电流的连续性； 另一方面先向电容C充电(当电感中的电流大于负载电流时)， 继而向RL放电(当电感中的电流小于负载电流时)，此期间电感L上的电压被钳位于Uo。电感L及电容C上的电压、电流波形如图7- 36(b)所示。由uL波形得到 (Ui-Uo)Ton=UoToff即ionioffononioUKTTUTTTUU(4-69) 式中，k=Ton/T称为时间比例系数。 改变k就能改

23、变输出直流电压Uo。由式(7- 27)可以看出，改变脉冲宽度Ton稳定输出电压。例如因负载电流增大或电网电压降低, 而使输出电压Uo下降时，通过控制电路使Ton增加，就可以使Uo上升到原来的稳定值。续流二极管D电感释放储能量提供通路，使截止时负载中仍有电流流过。 2. 并联型脉宽调制式开关稳压电路并联型脉宽调制式开关稳压电路 并联型脉宽调制式开关稳压电路的主要回路如图7- 37所示。图中功率开关管、输入电压、输出电压三者并联，故称并联型。当开关管基极上加有正脉冲电压时，导通，集电极电位近似为零，使D反偏截止。 (4-70)图 7- 37 并联型脉宽调制式开关稳压电路 UIVDC(a)RLUoL

24、VDC(b)RLUoLUIiiVDC(c)RLUoLUI(4-71) 输入电压Ui通过电流ic向电感L储能。这时负载电流由前几个周期已充了电的电容C的放电电流供给， 电流方向如图 7- 37(b)所示。当开关管基极上没有正向脉冲电压或所加的是负脉冲电压时，截止。由于电感中电流不能突变， 这时在L两端产生自感电势并通过续流二极管D向电容C充电，以补充放电时所消耗的电能，同时向负载RL供电，电流方向如图 7- 37(c)。 当开关管再次加有正脉冲电压时，将再次重复Ui向L输送能量的过程， 如此循环下去。 (4-72) 7.4.2 集成开关稳压器集成开关稳压器 常用的集成开关稳压器通常分为两类。一类

25、是单片的脉宽调制器，其代表产品有SG1524、 TL494等。 这类脉宽调制器需要外接开关功率调整管，其电路复杂，但应用灵活。另一类把脉宽调制器和开关功率管制作在同一芯片上，构成单片集成开关稳压器， 其代表产品有LH1605、A78S40等。这类集成开关稳压器集成度更高，使用方便。 1.SG152425243524 SG1524系列是采用双极型工艺制作的模拟、数字混合集成电路， 其原理框图及管脚图如图7- 38所示。(4-73)图 7- 38SG152425243524原理框图和管脚图(a) 152425243524原理框图; (b) 管脚图81234567910111213141516151

26、6电压基准误差放大器12945CL101 k10 k振荡器768TQQ5V提供所有内部电源V1V2121113143(a)(b) CL检测3524 CL检测RTCTGND振荡器输出同相输入反相输入UrefUIN发射极输出B控制B控制A发射极输出A关闭控制校正VRVINEBCBCAEASDCOMPCTRT CL CLOSCNIINV比较器(4-74) 外接电容C及电阻决定振温频率f(f1.15/(RC)。开关管1和2交替通/断。误差放大器根据输出电压控制开关管的导通时间，以保持输出电压恒定。 +CL与-CL之间接一电阻，其电压为0.2 以上时就可以限制输出电流。 SG1524部分内部电路的波形如

27、图7- 39所示。图中只画出了触发器Q和1管的基极波形。 由该图可以看出，由于某种原因使输出电压Uo升高时，取样电阻取得的电压将增大，误差放大器的输出降低（如图中误差放大器输出2），导致比较器输出的正脉冲变宽，基极正电压脉冲宽度变窄，输出电压降低，从而达到调整输出电压Uo的目的。 图7- 40示出了SG1524的几种应用电路。 (4-75)图 7- 39SG1524部分内部波形误差放大器输出1误差放大器输出2锯齿波矩形波Q比较器 输出V1驱动管的基极波形(4-76) 图 7- 40SG1524应用电路(a) 降压输出正电压; (b) 升压扩流输出; (c) 倒换极性(a)5 kR1输入5 kR

28、3 CL CL SG1524INVNIOSC CL CLRTCTGNDVRVINEBCBCAEASDCOMPC1CTRTRCL接 CL端接 CL端输出C0LVD1RF(c)5 kCTRTC0LVDUi5 k5 kGNDUoGNDR1R2Io SG1524INVNIOSC CL CLRTCTGNDVRVINEBCBCAEASDCOMP SG1524INVNIRTCTEBCBCAEACOMPVrefVINGNDVV1V2UiUoIo15 V 0.5 A5 VR2 12 kL11 k2 k240 C5C6 500 F0.1 FGNDC46 F50 k0.001 FR42.4 kR32.4 kR12.

29、4 kRT3 kCT0.02 FC15 F0.1 FC2(b)R25 kR450 k1000 pFVD3VD2C3VD1(4-77) 图7- 40(a)为降压输出正电压开关稳压电源，电阻R1和R2对基准电压5分压，取出电压2.5送至误差放大器的同相输入端， 取样电阻F和R3取出输出电压的一部分送至误差放大器的反相输入端，C1和R4为相位补偿电路，L和C0为滤波电路， 用于减小输出的纹波电压。 图7- 40(b)为升压扩流正电压开关稳压电源。该电路输入电压为5，输出电压为15，最大输出电流为0.5A，1和2为扩流管。 对于某些电子设备需要采用正负电源供电，但仅有一种直流电压输入的时候，倒换电压极

30、性的电源就非常有用了。 (4-78) 图7- 40(c)所示的电路就是将正电压输入变成稳定的负电压输出的开关稳压电源。极性的转换主要由扩流管、电感L、 续流二极管D和滤波电容C0完成。其工作过程为：当扩流管导通时，二极管D截止，负载电流由C0中储存的电荷提供， 输入电压Ui加至L两端，L中储存的磁能增加。当扩流管截止时，电感中产生的感应电动势为下正上负，L中的电流提供给负载，并给C0充电，补充C0损失的能量。由此可见，该电路的输出电压为负值。 2.LH1605/1605C LH1605/1605C是混合式具有输出大电流(5A)能力的高效开关稳压器，输出电压 3.030之间可调，其内部电路原理图

31、和管脚图如图7- 41所示。 (4-79)图 7- 41LH1605/1605C内部电路原理图和管脚图Ucc5&输入CA基准振荡定时电容4缓冲832误差放大器输入输出外壳GND2 k7续流二极管(阳极)(a)NC12345678输入二极管输出外壳接地NCVref放大器输入CT(b)(4-80) 应用时只需外接很少元件。典型应用如图7-42所示。图中RS为取样电阻， 与内部2 k的电阻共同决定输出电压Uo， 输出电压Uo的表达式为 LC为输出滤波电路，用于减小输出纹波；CT为定时电容，其大小决定了片内振荡器的振荡频率f。CT与振荡频率f之间的关系如图7- 43所示；C2为基准电压的滤波电容，通常为10 F。 )21 ( 5 . 2KRUSO(4-81)图 7- 42LH1605/1605C应用电路图UiLH1605INOUT58L3RS2C2CCT4GNDC1150 F7GNDUo外壳(4-82)图 7- 43 定时CT与振荡频率