模拟电子技术基础-08直流稳压电源

2023/2/51第8章直流稳压电源2023/2/52本章基本要求掌握直流稳压电源的电路组成和工作原理(包括单相半波整流、滤波、串联反馈式稳压电路)；熟悉集成稳压器及其应用；了解开关式直流稳压电路及其工作原理等。2023/2/538.1概述稳定电源的分类稳定电源交流稳定电源直流稳定电源交流稳压电源化学稳压源直流稳压电源直流稳流电源交流稳流电源线性稳压源开关型稳压源直流电源简介2023/2/548.2直流稳压电源的电路组成及工作原理

8.2.1直流稳压电源的组成

＋12V－市电220V2023/2/559.2.2单相整流电路

9.2.2.1单相半波整流电路

电源变压器负载整流二极管2023/2/56单相电源变压器线圈铁芯9.2.2.1单相半波整流电路2023/2/57假设变压器二次侧的电压为

当二极管的阳极电位高于阴极电位时才导通。

由二极管的单向导电性分析的前提a.理想的变压器b.

理想的二极管如果将二极管反接，输出电压有何变化？2023/2/58

负载上得到的是单向脉动电压，其大小仍然在不断变化，其平均值为

(8-1)流过负载电阻电流的平均值为

(8-2)

单向半波整流电路中，二极管截止时所承受的最高反向电压就是(8-3)2023/2/598.2.2.2单相桥式整流电路

1．单相桥式整流电路

1)电路组成常用的单相桥式整流电路如图8-3a所示。

2023/2/510桥式整流硅堆：将四个二极管按桥式整流电路的方式连接好封装在一起，只留四个引脚。市面上有售的如QL62A，其额定电流为2A，最大反向电压为25V～1000V。桥式整流电路还有其它多种画法2023/2/5112)工作原理分析的前提性能理想的二极管D1~D4(a)(b)理想变压器u2ωt022Uu2

正半周时2023/2/512电压u2为正半周时D1、D3导通，D2、D4截止二极管D1、D3电流二极管D1、D3承受的反向电压u2ωt022Uωt0iD1iD3,L2/2RUωt0uD1uD3,22U详细分析2023/2/513u2负半周时u2ωt022U2023/2/514二极管D2、D4电流二极管D2、D4承受的反向电压电压u2为负半周时D1、D3截止，D2、D4导通u2ωt022Uωt0uD2uD4,22Uωt0iD2iD4,L2/2RU2023/2/515输入电压整流电路输出电压输出电流u2ωt022Uuoωt022UL2/2RUωt0io输出电流的平均值如果考虑二极管非线性，输出电压有何变化？2023/2/5162．桥式整流电路的性能指标

（1）输出电压一个周期内的平均值直流电流为

（2）脉动系数S

最低次谐波幅值与输出电压平均值之比定义为脉动系数

（3）流过二极管的正向平均电流

==uot02023/2/517（4）二极管承受的最大反向电压二极管在截止时管子承受的最大反向电压(9-8)（5）输出电压纹波因数

Uor——输出电压中各次谐波电压有效值的总和Uo——输出电压的平均值对于桥式整流电路2023/2/518

滤波电路的作用是滤除整流电压中的高频分量。常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波、复式滤波及有源滤波等。

整流输出尽管已经成为直流电压，但脉动太大，输出中的高频分量较多。全波和桥式整流输出电压可表示为：8.3滤波电路2023/2/5198.3.1电容滤波

滤波电路的作用是滤除整流电压中的纹波。常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波、复式滤波及有源滤波。

滤波电容uot02023/2/5208.3.1电容滤波2023/2/521滤波原理

(1)当C=0，外接RL时当C=0(无滤波电容)时输入电压输出电压波形π2π3π4πu2ωt022Uuoπ02π3π4πωt22U输出电压输出电压平均值2023/2/522(2)当C≠0、RL=∞时输出电压波形输入电压π2π3π4πu2ωt022Uuoπ02π3π4πωt22U电容器的充电时间常数为问题：ＲL开路，即空载时UO=？2023/2/523输出电压输入电压π2π3π4πu2ωt022Uπ02π3π4πωtuouC,22U二极管导通时电容器充电，充电时间常数uo=ucu2(3)当C≠0、RL≠∞时2023/2/524当C充电到最高点时C将通过RL开始放电。二极管D1、D3将截止，输入电压π2π3π4πu2ωt022UC充电到最高点π02π3π4πωtuouc,22UC开始放电2023/2/525输出电压波形C充电C放电D截止D导通滤波器输入电压波形电流流通角电流波形2023/2/5262)当C开路，即无电容滤波但有负载的情况3)正常情况下1)当R＝∞，即负载开路情况下电容滤波小结2023/2/527性能参数的工程估算

1)电容滤波电路的外特性

C=0C小C大0.9U2uoio022Ua.当io一定时，C越小，Uo(AV)越小，纹波越大。b.当C一定时，io越大,Uo(AV)越小。外特性特点电容滤波电路适用于负载电流比较小或负载基本不变的场合。2023/2/5282)输出直流电压

一般取

2O(AV)2.1UU»3)输出电流平均值

=若≥LCR=t2)5~(3T2023/2/5294)

整流二极管的平均电流

(b)二极管导通时，有冲击电流；其特点：(a)比无滤波电容时的平均电流大；二极管的平均电流放电时间常数越大，θ越小，冲击电流越大。(c)冲击电流与二极管的导通角θ(θ<)有关。(8-11)5)整流二极管的最高反向电压

2023/2/530【例8-1

，例8-2】链接

2023/2/531电容器的作用电容器在电路中的用途不同名称也不同，如旁路电容、耦合电容、滤波电容、谐振电容、去耦电容等，但其原理都一样。旁路(bypass)电容

耦合电容(如第3章中的RC耦合电路)滤波电容

谐振电容

电源去耦(decoupling)电容

2023/2/532在实际制作直流稳定电源或电子电路时，应考虑以下几点：①电源电路中对地滤波电容，多用容量较大的电解电容器。应考虑各种电容器的自谐振频率(FSR)值，所以需要在大容量滤波电容器两端并联小容量的电容器，以便为高频谐波电压提供了一个对地通路。②电源滤波中电容对地脚要尽可能靠近地，半导体器件(尤其是集成电路)电源引线端的去耦滤波电容器，应尽量靠近器件的电源引脚端。③电源滤波电容并非越大越好，应按实际需要选用。一般大电容滤除低频波,小电容滤除高频波。为使整流滤波电路能达到最高性价比，应选用能与负载电阻匹配的电容值，这样，既能使电路的输出电压达到要求，又不提高对其他元器件的性能要求，使电路达到最佳的性价比。2023/2/5338.3.2电感滤波电路

忽略电感器L的电阻时，负载上输出的平均电压和纯电阻(不加电感)负载相同，即=0.9(8-12)

2023/2/5348.3.3复式滤波器

2023/2/535常用整流滤波电路2023/2/5368.4稳压电路

8.4.1并联型稳压电路

【例8-3】链接2023/2/537稳压管稳压电路

在负载变化不大的场合，稳压管常用来做稳压电源，由于负载和稳压管并联，又称为并联稳压电源。稳压管在实际工作时要和电阻相配合使用，其电路如图2-18所示选择稳压管一般取UZ＝Uo

IZM＝(1.5~3)Iom

UI=(2~3)Uo

2023/2/538可得电阻R的取值范围为当负载电阻RL和输入电压UI一定时，电阻R的选择是根据稳压管的电流不超过正常工作范围来选的。稳压管的电流是在IZmin<IZ<IZM之间，2023/2/539UI↑→Uo（UZ）↑→IZ↑→IR↑→UR↑

Uo↓

稳压原理如下：当负载不变，输入电压UI波动使得输出电压Uo升高，其调节过程为：若输入电压UI不变，负载发生变化，如RL增大，其调节过程为：RL↓→Uo（UZ）↓→IZ↓→IR↓→UR↓

Uo↑

2023/2/5408.4.2串联反馈式稳压电路

8.4.2.1稳压电源的主要指标

（1）输入调整率和稳压系数

输入调整率是表征稳压器稳压性能的优劣的重要指标，是指在负载和温度不变的条件下，输入电压变化对输出电压的影响(8-14)工程常用稳压系数表示直流稳压电源的性能

(8-15)2023/2/541(2)负载调整特性

负载调整特性定义为输出电压的相对变化量与输出电流变化量的比。

(8-16)(3)输出电阻

(8-17)(4)温度系数

(8-18)2023/2/5428.4.2.2串联反馈式稳压电路的组成与工作原理

串联反馈式稳压电路稳定输出电压是利用了电压负反馈稳定输出电压的基本原理，如图8-12a所示。调整管2023/2/5431．电路组成调整环节取样环节比较放大环节基准环节如图8-13所示是串联反馈式稳压电路的组成框图。2023/2/5442．稳压原理iUCEuL)(R或FUOUBu¿¾¾¬¯LLLLLLOU图8-13中：

是整流滤波电路的输出电压，T为调整管，A为比较放大器，UREF为基准电压，R1与R2组成反馈网络用来反映输出电压的变化(取样)。这种稳压电路的主回路是工作于线性状态的调整管T与负载串联，

故称为串联型稳压电路。

2023/2/5453．输出电压在深度负反馈条件下(8-19)【例8-5】链接2023/2/5464．调整管参数选取原则(1)ICM≥Iomax(2)PCM≥o(max)CE(max)IU(3)≥CEO(BR)UCE(max)U2023/2/5478.5集成稳压器

8.5.1三端固定式集成稳压器

2.主要特点1.电路主要组成部分(1)串联反馈型线性稳压电路；(2)高精度基准电压源；(3)过流、过热保护等电路。(2)外接元件少；(1)工作可靠；(3)使用方便。2023/2/548

常用三端固定集成稳压器是7800系列和7900系列。7800系列输出正电压，其输出电压有5V、6V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、20V、24V等品种。

该系列的输出电流分5档，7800系列是1.5A，78M00是0.5A，78L00和是0.1A，78T00是3A，78H00是5A。7900系列与7800系列所不同的是输出电压为负值。外形图3.外形及特点2023/2/5494.分类按输出电压是否可调固定式三端稳压器可调式三端稳压器1——输入端3——输出端2——公共端78系列1——公共端3——输出端2——输入端79系列2023/2/550启动电路基准电源调整环节比较放大过热保护限流保护减流保护采样环节5.78××内部电路2023/2/551三端集成稳压器的应用C2防止自激振荡C3减小高频干扰C1

、C4减小输出纹波和低频干扰2023/2/552扩大输出电流UI+UOC1LM78×+–132C2R1T–OI¢OICI式中1RBOIII+=¢1BER1RUI=OBII¢+=bOCOIII¢+=图中A6.01R=IA4.0B=IA4C=IA5O=I若=10，R1=0.5,|UBE|=0.3V,。则A1O=¢I2023/2/553双路输出电源2023/2/5548.5.2三端可调式集成稳压器

(8-20)其中UREF=1.25V2023/2/555【例8-6】链接2023/2/556使用集成稳压器时应注意以下几个问题

(1)选择合适的集成稳压器类型

(2)选择集成稳压器的主要参数

(3)配置合适的外围条件

1)选择合适的滤波电容

2)防止产生自激

3)防止稳压器损坏

4)优化PCB布局工艺

5)采取必要的散热措施

2023/2/5578.5.3基准电压源

常用基准电压器件主要有：LM385-1.2(1.2V精密基准电压源)，LM385-2.5(2.5V精密基准电压源)，LM336-2.5(2.5V精密基准电压源)，MC1403(2.5V基准电压源)，LM431ACZ、TL431(精密可调2.5V～36V基准稳压源)，LM399H(6.9999V精密基准电压源)，LM336-5.0(5.0V精密基准电压源)等。1.TL431基准电压源TL431是一个性能优良的基准电压集成电路。该器件主要应用于稳压、仪器仪表、可调电源和开关电源中，是稳压二极管的良好替代品。2023/2/5588.6开关式稳压电源

传统的线性稳压电源虽然电特性优良，电路结构简单、工作可靠，但调整管串接在负载回路里是它的根本弱点，存在着效率低（只有40%～60%）、体积大、铜铁消耗量大，工作温度高及调整范围小等缺点，有时还要配备庞大的散热装置。为了提高效率，人们研制出了开关式稳压电源，它的效率可达（80%～95%），且稳压范围宽，此外还具有稳压精度高、不使用电源变压器等优点，因此，开关稳压电源已广泛用于各种仪器设备、计算机、通信系统、空间技术以及电视接收机等家用电器产品中。

2023/2/559线性稳压电路的主要特点(1)电压稳定度高；(2)纹波电压小；(3)响应速度快；(4)电路简单；(5)调整管的功耗大；(6)功率变换效率低。2023/2/5608.6.1开关式稳压电源的特点及分类

8.6.1.1开关式稳压电源的特点

（1）允许电网电压变化范围宽。

（2）功耗低，效率高。开关电源效率约为80～95％。(3)开关稳压电源的体积和重量要比同功率的串联式稳压电源小且轻。

（4）可靠性高。（5）容易实现多路电压输出和遥控。

2023/2/5618.6.1.2开关式稳压电源的分类

按负载与储能电感的连接方式分，有串联型与并联型开关稳压电源；

按不同的激励方式分，有自激式与他激式开关稳压电源；按电路结构可分为单管型、推挽型、半桥型和全桥型。

按控制方式分为脉冲宽度调制(PulseWidthModulation,PWM)、脉冲调频式(PulseFrequencyModulation,PFM)和混合调制式(PWM与PFM)三种。

2023/2/5628.6.2开关式稳压电源的基本工作原理

8.6.2.1开关稳压中换能电路的基本原理Uo+TuLUIIo+C1+T+iLC2+iC–uEDRLe––onToffT开关管续流二极管储能电感滤波电容2023/2/563控制脉冲的特点：

来自反馈控制电路,周期T恒定。Ui为高电平(Ton期间)时，T饱和导通，IEUu»D截止，C2充电、L储能；Ui为低电平(Toff期间)时，T截止，

D导通，C2、L放能。2023/2/564直流平均电压(8-21)q称为脉冲波形的占空比，即一个周期持续脉冲时间ton与周期T之比值。

(8-22)TTTTTqonoffonon=+=2023/2/5658.6.2.2串联开关稳压电路的基本原理Uo+TuLUIIo+C1+T+iLC2+iC–uEDRLe––onToffT开关管续流二极管控制脉冲储能电感滤波电容2023/2/5662023/2/567工作波形toffttt图8-31图9-22中uE(uD)、iL、uo的波形

ImintonImaxiL0UoIOuo-UD00uE(uD)电感电流iL输出电压uo射极电压uE2023/2