第8章直流稳压电源

直流稳压电源组成与功能小功率整流滤波电路全波整流电路桥式整流电路电源滤波电路倍压整流电路串联型反馈式稳压电路二极管稳压电路主要性能参数组成及稳压原理二极管稳压电路设计时参数的选择工作原理及电路分析串联型反馈式稳压电路设计半波整流电路其他形式的滤波电路开关稳压电路集成稳压电路三端集成稳压器的组成框图及功能概述三端集成稳压电路分类三端集成稳压器的应用串联型开关稳压电路开关稳压电路分类并联型开关稳压电路8.1直流稳压电源的组成及各部分的作用

直流稳压电源是电子设备的重要组成部分，其作用是将电力网交流电压变换为电子设备所需要的稳定的直流电源电压。直流电源的组成框图如下图所示。电源变压器:

将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。整流电路滤波电路稳压电路u1u2u3u4uo整流电路:

将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。滤波电路:

将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。稳压电路:

清除电网波动及负载变化的影响,

保持输出电压uo的稳定。8.1直流稳压电源的组成及各部分的作用Exit整流电路的任务：把交流电压转变为直流脉动的电压。

常见的小功率整流电路，单相半波、全波、桥式和倍压整流等。为分析简单起见，把二极管当作理想元件处理。8.2小功率整流滤波电路Exitu2>0

时，二极管导通iLu1u2aTbDRLuo忽略二极管正向压降：

uo=u2u1u2aTbDRLuoiL=0u2<0时，二极管截止,输出电流为0。uo=08.2.1半波整流电路Exit1.电路工作原理2.电压电流波形图由上分析，不难得到右图所示半波整流电路有关电压、电流波形如右图所示。输出电压uO为单向脉动电压。3.主要参数（1）整流输出电压的平均值UO若则（2）整流输出电流的平均值IO（3）整流二极管正向电流的平均值ID（4）整流二极管最高反向电压URMu1u2aTbDRLuou2<0时，二极管截止,输出电流为0。因此，二极管的反偏电压为u2。（5）脉动系数S

定义：输出电压中基波分量幅值Uo1m与输出电压平均值之比，即半波电压uO用付立叶级数展开，其基波分量幅值Uo1m为则4.二极管选择原则主要根据流过二极管的平均电流ID和所承受最大反向电压URM选择,留有10%余量，二极管允许最大整流电流IF应满足最大反向工作电压UR≥1.1URM=1.1×1.414U2半波整流电路只利用了半个周期交流电压，输出电压低，效率低，且脉动系数大，实际中较少用到。桥式整流电路+-u2正半周时电流通路u1u2TD4D2D1D3RLuo8.2.3桥式整流电路Exit1.电路工作原理桥式整流电路-+u0u1u2TD4D2D1D3RLu2负半周时电流通路Exit四只二极管连成电桥形式，故称为桥式整流电路。图（b）是电路图中简化画法。u2>0时D1,D3导通D2,D4截止电流通路:A

D1RLD3Bu2<0时D2,D4导通D1,D3截止电流通路:BD2RLD4A输出是脉动的直流电压！u2uD4,uD2uD3,uD1uou2D4D2D1D3RLuoABExit2.电压电流波形图几种常见的硅整流桥外形：+AC-~+~-~+-~单相整流电路Exit3.主要参数（1）整流输出电压的平均值UO若则（2）整流输出电流的平均值IO（3）整流二极管正向电流的平均值ID（4）整流二极管最高反向电压URM当D1和D3导通时，D2和D4反偏。此时二极管的反偏电压为u2。u2D4D2D1D3RLuoAB(5)脉动系数Ｓ用傅氏级数对全波整流的输出uo

分解后可得:4.二极管选择原则根据流过二极管的平均电流ID和所承受最大反向电压URM选择,留有10%余量，二极管允许最大整流电流IF应满足最大反向工作电压UR≥1.1URM=1.1×1.414U2半波整流电路只利用了半个周期交流电压，输出电压低，效率低，且脉动系数大，实际中较少用到。结构特点:

电容与负载RL并联，或电感与负RL串联。交流电压脉动直流电压整流滤波直流电压原理：利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性,滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。8.2.4电源滤波电路Exit以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。（1）滤波原理桥式整流电容滤波电路au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–1.电容滤波电路Exit1）空载时的情形u2tuot设t1时刻接通电源t1u2>0时，电容快速充电至u2的最大值，随后因无放电通路而维持这个最大值充电结束没有电容时的输出波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–空载时,滤波输出电压平均值为2）带电阻负载RL时的情形u2tuotExitau1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–当u2>0且上升时，D1、D3导通，电容充电，充电时间常数比较小，因此输出能跟随u2快速上升至u2的最大值。当u2>0且开始下降时，D1~D4截止，电容放电，充电时间常数很大，因此输出缓慢下降。当输出电压下降到使D2、D4导通时，电容再次快速充电，至u2的最大值后，D1~D4再次截止，电容放电使输出再次缓慢下降，如此周而复始的进行。τ2=RLC越大，uo下降越慢，滤波效果越好。RLC是不是越大越好呢？au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–

RLC

越大ＵO

越高，IO

越大整流二极管导通时间越短iD

的峰值电流越大。

较大的冲击电流将严重影响二极管的寿命。通常选T是电源电压的周期3.主要参数（1）整流滤波输出电压的平均值UO滤波电路输出电压波形很难用确定的数学解析式表示，近似估算时，其输出波形近似用锯齿波代替，这样，滤波电路输出电压近似满足：当负载开路，即RL=∞时：当RLC=（3～5）T/2时：（2）整流滤波输出电流的平均值IO（3）整流二极管正向电流的平均值ID（4）整流二极管最高反向电压URM（5）脉动系数

近似估算时，同样将滤波输出波形近似用锯齿波代替，以此为基础可以证明[1]滤波电路输出电压脉动系数S可近似表为：

τ2=RLC比周期T大得越多，S越小，滤波效果越好。小功率整流滤波电路、RL为几十欧姆～几百欧姆左右，加大RLC，靠加大C来满足。实际取C为几百微法～一、二千微法左右。为进一步减小纹波电压，在滤波电路输出端加稳压电路。4.二极管选择原则考虑到整流滤波电路中二极管的导通时间很短，二极管瞬时电流很大。为了确保二极管的安全使用，通常选二极管最大反向工作电压UR≥1.1URM=1.1×1.414U2结论：电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。改善滤波特性的方法：采取多级滤波。如：L-C型滤波电路：在电感滤波后面再接一电容。RC–

型滤波电路：在电容滤波后再接一级RC滤波电路。性能及应用场合分别与电容滤波和电感滤波相似。LC–

型滤波电路：在电容滤波后面再接L-C型滤波电路。8.2.6其他形式的滤波电路电路结构:

在桥式整流电路与负载间串入一电感L。电感滤波电路u2u1RLLuo1.电感滤波电路Exit滤波原理对直流分量:

XL=0相当于短路,电压大部分降在RL上。对谐波分量:

f

越高，XL越大,电压大部分降在XL上。因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。Uo=0.9U2当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：u2u1RLLuoExit电感滤波的特点整流管导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，适用于低电压大电流(RL较小)的场合。缺点是电感铁芯笨重，体积大，易引起电磁干扰。Exit(1)倒L型滤波电路2.复式滤波电路滤波电路Exitu2u1LuoCRLuo1滤波原理

当流过电感的电流发生变化时，线圈中产生自感电势阻碍电流的变化,使负载电流和电压的脉动减小。

对直流分量:XL=0，L相当于短路,电压大部分降在RL上。对谐波分量:f

越高,XL越大,电压大部分降在L上。因此,在负载上得到比较平滑的直流电压。Uo=0.9U2u2u1LuoC2RLuo1C1(2)LC–

型滤波电路

滤波效果比LC滤波器更好，但二极管的冲击电流较大。Uo=1.2U2uoRu2u1C1C2uo1´RL(3)RC–

型滤波电路

比形LC滤波器的体积小、成本低。R愈大，C2愈大，滤波效果愈好。但R大将使直流压降增加，主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。8.3二极管稳压电路整流滤波电路存在两个方面问题：其一，输出直流电压受电网电压波动影响不稳定。其二，当负载电阻变化时，输出直流电压发生变化。基于上述两方面的原因，实际中，在整流滤波电路后面接入稳压电路。2.工作原理UO

=UZ

IR=IO+IZUIUZRL(IO)IR设UI一定，负载RL变化UO

基本不变IR

(IRR)基本不变UO

(UZ

)IZ1.电路+–UIRL+CIOUO+–+–uIRRDZIz限流调压稳压电路8.3.1二极管稳压电路的组成及稳压原理UIUZ设负载RL一定，UI变化UO

基本不变IRRIZIR8.3.2稳压电路主要性能参数

稳压性能可用稳压系数Sr和输出电阻RO两个主要性能参数描述。

1．稳压系数Sr

稳压系数Sr定义为：负载电阻RL一定时，输出电压相对变化量与其输入电压相对变化量的比值，即设rZ为稳压管动态电阻，其值相比R和RL而言很小则可见，选择rZ小的稳压管、适当增大R，有利于稳压电路输出电压的稳定；但是，加大R，UR变大，则UI要加大，这又使稳压系数Sr增大；电路设计时，应综合考虑、合理选择R和UI值，稳压系数Sr才可能做到比较小。2．输出电阻输出电阻RO定义：UI一定时，输出电压变化量与输出电流变化量的比值，即由此可见，选择动态电阻rZ小的稳压二极管，不仅可以减小稳压系数，而且可以减小输出电阻；可见，稳压二极管动态电阻rZ越小，稳压电路输出电压越稳定。8.3.3稳压电路参数的选择

设计一个二极管稳压电路，就是根据设计要求，适当选择电路元件参数，使电路满足实际需要。设计之前，应首先根据电路实际需要，提出具体的设计要求：①输出电压UO；②负载电流IO的取值范围：IOmin～IOmax（或RL的取值范围：RLmin～RLmax）；③需考虑输入电压UI的波动（一般为±10%）。电路设计原则：（1）根据U0确定输入电压UI

输入电压UI取值对稳压系数Sr有直接影响，UI太低，满足不了负载电流IO要求和稳压管正常取值范围（Izmin＜Iz＜Izmax）需要；UI太高，不利减小稳压系数Sr，还会加大限流电阻的功耗，降低稳压电路的效率。

综合考虑，实际中，一般选择

UI=（2～3）UO负载电流IO大，上式系数可取下限；负载电流IO小，上式系数可取上限。（2）稳压二极管的选择

从击穿电压UZ和击穿电流两方面考虑。应满足

UZ=UO

另外，由稳压原理可知，当负载电流IO发生变化时，流过稳压二极管的电流IZ将产生一个与IO相反方向的变化，即：△IZ≈-△IO，这就要求稳压管正常工作电流变化范围应大于负载电流变化范围，即

IZmax-IZmin＞IOmax-IOmin

考虑稳压管安全运行最不利情形，空载（未接RL），流过限流电阻电流全部流经稳压管、稳压管电流达到最大，此时，要求流经稳压管最大电流不能超过所允许通过最大电流，即

IZmax＞IR=(UI-UZ)/R

再加上

IZmax-IZmin＞IOmax-IOminUZ=UO这三个公式是电路设计时选择稳压二极管依据（3）限流电阻R的选择

考虑到电网电压波动使UI波动（±10%）和负载变化，流过稳压管电流变化，电路设计选限流电阻R要考虑上述两因素影响，从最不利情形考虑：

求解这两个不等式可得R的取值范围二极管稳压电路的优点是电路简单、只需两个元件；其缺点是：输出电压由稳压二极管击穿电压所决定而不可调节；受稳压二极管IZmax、IZmin限制、输出电流较小；因此，只适用于负载电流较小、负载电压固定不变的场合。

二极管稳压电路输出电流小，输出电压不可调，大多数场合满足不了实际需要。串联型反馈式稳压电路以二极管稳压电路作为基准电压电路，利用晶体电流放大特性增大电路输出电流；并引入深度电压负反馈、使输出电压更稳定（稳压系数Sr可做到小于1%）、输出电阻更小（输出电阻RO可小于0.1Ω）；通过改变反馈网络参数使输出电压可在一定范围内连续调节。8.4串联型反馈式稳压电路UiTR2UZRLUO+–R3++––+UB+–DZ+–Uf+–R18.4.1串联型稳压电路1.电路结构

串联型稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成。调整元件比较放大基准电压取样电路

当由于电源电压或负载电阻的变化使输出电压UO

升高时，有如下稳压过程：2.稳压过程

由电路图可知UOUfUBUOICUCE

由于引入的是串联电压负反馈，故称串联型稳压电路。UITR2UZRLUO+–R3++––+UB+–DZ+–Uf+–R1R1’R1’’3.输出电压及电压调节范围UITR2UZRLUO+–R3++––+UB+–DZ+–Uf+–R1R1’R1’’

输出电压

输出电压调节范围运放引入深度负反馈，工作于线性区，满足虚短，则8.5集成稳压电路将串联型稳压电路和保护电路集成在一起就构成集成稳压电路（或集成稳压器）。随着半导体集成工艺技术的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电路，具有体积小，可靠性高，使用灵活，价格低廉等优点。一般简单集成稳压电路只有输入端，输出端和公共端三个引出端，故称之为三端集成稳压器。8.5.1三端集成稳压器分类根据输出电压能否调节，分为可调式和固定式两类，可调式能通过引出脚外接电位器使输出电压在某一范围连续可调；固定式集成稳压器输出直流电压是固定不变的几个电压等级。固定式类型中又分负输出电压79XX系列和正输出电压78XX系列。这里XX两位数字代表输出电压值。本节介绍W78xx、W79xx系列三端集成稳压器，外形如图，稳压器硅片封装在外壳内，内部有短路过流和过热保护。1—输入端3—公共端2—输出端78xx1—

公共端3—输入端2—输出端79xx三端集成稳压器型号意义说明W7800系列——稳定正电压W7805输出+5VW7806输出+6VW7808输出+8VW7812输出+12VW7815输出+15VW7818输出+18VW7824输出+24VW7900系列——稳定负电压W7905输出-5VW7906输出-6VW7908输出-8VW7912输出-12VW7915输出-15VW7918输出-18VW7924输出-24V8.5.2三端集成稳压器的组成框图及其功能概述组成框图如图8-27。各部分功能简述如下。1)调整管当电网电压或负载电流波动时,通过控制电路使调整管自动调整自身的集－射压降使输出电压基本保持稳定。

2)放大电路

将基准电压与从输出端得到采样电压进行比较,进行放大后送到调整管的基极，以控制调整管集－射压降朝着与输出电压相同方向变化3)基准电源基准电源为比较放大电路提供基准电压，以便从输出端得到的采样电压与其进行比较。

4)采样电路由两个分压电阻组成,它将输出电压变化量的一部分（采样电压）送到放大电路的输入端与基准电压进行比较。

5)启动电路刚接通时，使调整管、放大电路和基准电源等建立起各自工作电流,正常工作时，启动电路自动断开,以免影响电路性能。

6)保护电路

W7800系列,