直流稳压电源的设计与制作电子系统设计.ppt

直流稳压电源的设计与制作,直流稳压电源的组成及工作原理,串联反馈式稳压电路,开关式直流稳压电路,4,数控直流稳压电源的设计与制作,第一节 直流稳压电源 的基本组成及工作原理,一、直流稳压电源的组成 二、直流电源各部分原理 三、直流稳压电源的性能指标,一、直流稳压电源的组成,直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四部分组成。,VO,VI,功能,作用,交流电压变换部分,将电网电压变为所需的交流电压,将直流电源与交流电网隔离,二、直流稳压电源各部分原理,电源变压器,1、电源变压器,电源变压器,电源变压器,仿真一：电源变压器的基本特性 1、要求：电源变压器：10：1，200V/50Hz 负载电阻：100欧，示波器 2、仿真电路：,电源变压器,2、整流部分,作用：将变换后的交流电压转换为单 方向的脉动电压。 (ACDC) 说明： 1、单方向的脉动电压存在很大脉动成 份，不能直接提供给负载。 2、脉动谐波成份纹波,整流电路,技术：二极管的单向导电性 电路形式：半波整流 全波整流 桥式整流,整流电路,整流电路,1、电路图：如图所示，利用二极管的单向导电性，在负载电阻RL上得到单向脉动电压VO,整流：利用二极管的单向导电性，把交流变成脉动的直流,2、电路特点：电路结构简单，输出电压波动较大、效率低,输出的直流电压值为:,整流电路,3、工作原理： U2为正半周： D管导通，有输出电压； U2为负半周： D管截止，无输出电压,输出的直流电压值为:,整流电路,仿真二：半波整流电路 1、要求：二极管（理想）1只 2、仿真电路：,整流电路,4、参数计算,（1）输出的直流电压值为:,（2）流过负载平均电流:,IDO= UO /RL=0.45U2/ RL,（3）流过整流二极管的平均电流:,IF= IDO =0.45U2/ RL,（4）整流二极管的最大反向电压:,UDR=SQR（2）U2,整流电路,5、二极管的选择： （1）D管的最大整流电流IF必须大于 实际流过二极管的平均电流IDO ： IF IDO =ULO/RL=0.45 U2/RL （2）D管的最大反向工作电压UR必须 大于二极管实际所承受的最大反 向峰值电压URM UR URM =SQR（2） U2,整流电路,1、电路图：如图所示，二极管D1、 D2分别在V2的正、负半周导通，在RL上得到如图所示电压波形。,整流电路,2、电路特点：是输出电压波动小，变压需中心抽头，绕制复杂，成本高，笨重,整流电路,3、工作原理： 在U2正半周： D1导通、D2管截止，负载中有电流流过； 在U2负半周： D1截止、D2管导通，负载中有电流流过。,整流电路,仿真三：单相全波整流电路 1、要求：二极管（理想）2只 2、仿真电路：,整流电路,4、参数计算：,（1）输出的直流电压值为:,（2）流过负载平均电流:,IDO= UO /RL=0.9U2/ RL,（3）流过整流二极管的平均电流:,IF= IDO /2=0.45U2/ RL,（4）整流二极管的最大反向电压:,UDR=2SQR(2)U2,整流电路,5、二极管的选择： （1）D管的最大整流电流IF必须大于 实际流过二极管的平均电流IDO ： IF IDO =ULO/RL=0.45 U2/RL （2）D管的最大反向工作电压UR必须 大于二极管实际所承受的最大反 向峰值电压URM UR URM =2SQR(2)U2,整流电路,1、电路图：如图所示，二极管D1、 D2 、D3、 D4四只二极管接成电桥的形式，名称由此而来。,整流电路,2、工作原理： 在V2的正半周， D1、 D3导通， D2、 D4截止， 通过D1、 D3给RL提供电流，方向由上向下（图中虚线)； 在V2的负半周， D2、 D4导通， D1、 D3截止，通过D2、 D4给RL提供电流，方向仍然是由上向下（图中虚线）由此得到图示的整流波形,整流电路,3、波形图,导通,导通,导通,导通,Vo的大小与全波整流电路相同，即:,整流电路,仿真四：桥式整流电路 1、要求：整流桥（理想）1只。 2、仿真电路：,整流电路,4、参数计算：,（1）输出的直流电压值为:,（2）流过负载平均电流:,IDO= UO /RL=0.9U2/ RL,（3）流过整流二极管的平均电流:,IF= IDO /2=0.45U2/ RL,（4）整流二极管的最大反向电压:,UDR= U2,整流电路,5、整流二极管的选择： （1）D管的最大整流电流IF必须大于 实际流过二极管的平均电流IDO ： IF IDO =ULO/RL=0.45 U2/RL （2）D管的最大反向工作电压UR必须 大于二极管实际所承受的最大反 向峰值电压URM UR URM =SQR（2） U2,整流电路,3、滤波电路,作用：对整流电路输出的脉动直流进 行平滑，使之成为含交变成份 很小的直流电压。 说明： 1、滤波电路实际上是一个低通滤波器。 2、截止频率低于整流输出电压的基波 频率,滤波电路,电路形式：,一、电容滤波 二、电感滤波 三、 L型滤波电路 四、 型滤波电路,滤波电路,（1）电容滤波电路,尽管整流后的电压为直流电压，但波动较大，仍然不能直接作为电源使用，还需进一步滤波，将其中的交流成份滤掉。滤波通常是采用电容或电感的能量存储作用来实现的常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波、倒L型滤波、型滤波等几种。在小功率整流滤波电路中，电容滤波是最常用的一种，其特点是结构简单，效果较好。本节中只介绍电容滤波电路。电感滤波电路主要用于大电路中，其他滤波电路自行分析。,滤波电路,电容滤波电路,（1）桥式整流、电容滤波电路如图所示,1,电路组成：,滤波电路,（2）电容滤波的原理： 电容是一个能储存电荷的元件。有了电荷，两极板之间就有电压UC=Q/C。在电容量不变时，要改变两端电压就必须改变两端电荷，而电荷改变的速度，取决于充放电时间常数。时间常数越大，电荷改变得越慢，则电压变化也越慢，即交流分量越小，也就“滤除”了交流分量。,电容滤波电路,1,电路组成：,滤波电路,（1）负载未接入（开关S断开）时：设电容两端初始电压为零，接入交流电源后，当V2为正半周时， V2通过D1、 D3向电容C充电； V2为负半周时，经D2、 D4向电容C充电。充电时间常数为：C=RintC,t,电容滤波电路,2,工作原理：,滤波电路,（1）其中Rint包括变压器副绕组的直流电阻和二极管的正向电阻。由于Rint一般很小，电容器很快就充电到交流电压V2的最大值V2 ，由于电容无放电回路，故输出电压（电容C两端的电压)保持在V2不变。,电容滤波电路,2,工作原理：,滤波电路,电容滤波电路,2,工作原理：,（2）.1 接入负载RL（开关S合上）时：设变压器副边电压V2从0开始上升时接入RL，由于电容已到V2 ，故刚接入负载时， V2 VC，二极管在反向电压作用下而截止，电容C经RL放电，放电时间常数为：d=RLC。因d一般较大，故电容两端电压Vc(即Vo)按指数规律慢下降（图中a,b段）,滤波电路,电容滤波电路,2,工作原理：,（2）.2 当V2升至V2VC时，二极管D1、 D3在正向电压作用下而导通，此时V2经D1、 D3一方面向RL提供电流，一方面向C充电（接入RL后充电时间常数变为C=RL/RintCRintC ）。VC将如图中b、 c段所示,滤波电路,（2）.3 当V2又降至V2VC时，二极管又截止，电容C又向RL放电，如图中c 、d段所示.电容如此周而复始充放电，就得到了一个如图所示的锯齿波电压Vo = VC ，由此可见输出电压的波动大大减小。,电容滤波电路,2,工作原理：,滤波电路,（2）.4 为了得到平滑的负载电压，一般取 d=RLC(35)T/2 (T为交流电周期20ms) 此时：Vo = (1.11.2) V2,电容滤波电路,2,工作原理：,滤波电路,滤波电路,仿真五：电容滤波 1、要求：电容1000F 1只 2、仿真电路：,滤波电路,电容滤波电路,3,电容滤波的特点,1、RLC越大，电容放电速度越慢，负载电压中的纹波成份越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的输出电压，一般取： RLC（35）T/2 (T交流电源电压周期),滤波电路,2、RL越小，输出电压越小。 （1）当C一定时， RL时，即空载： ULO=1.4U2 （2）当C=0时，即无电容时： ULO=0.9U2 （3）一般情况下，ULO=（1.11.2)U2 3、电容滤波适用于负载电压较高、负载变化不大的场合。,滤波电路,v1,D,vo,v2,Tr,RL,L,滤波电路,（2）电感滤波电路,1、电路图,电感滤波电路,2、电感滤波的原理： 电感滤波是利用电感的储能来减小输出电压纹波的。当电感中电流增大时，自电感电动势的方向与原电流方向相反，自感电动势阻碍电位增加的同时，也将能量储存起来，使电流的变化减小；反之，当电感中电流减少时，自感电动势的作用阻碍电流的减少，同时释放能量，使电流变化减小，因此，电流的变化小，电压的纹波得到抑制。,滤波电路,3、电感滤波电路的几点说明： 1、L越大、RL越小，输出电压纹波越小； 2、忽略电感内阻， ULO=0.9U2 （理论值） 3、电感滤波适用于低电压，大电流的场合,电感滤波电路,滤波电路,1、L型滤波电路,其它滤波电路,滤波电路,2、型滤波电路,其它滤波电路,滤波电路,4、稳压部分,作用：维持输出直流电压的基本稳定。 说明： 1、经过滤波电路后的电压的稳定性比 较差。 2、电压受温度、负载、电网电压波动 等因素的影响较大,稳压电路,一、稳压管电路组成（并联稳压电路）： 1、电路图： 2、说明： R限流电阻 Dz稳压二极管,稳压电路,仿真一：稳压管稳压电路 1、要求：稳压二极管（1N4740A，Uz=10V）1只 电阻R=100欧，电阻RL=1K 2、仿真电路：,四、R的取值范围： （UImax-UZ)/IZmaxR(UImin-UZ)/(IZmin + UZ /RLmin) 注：一般情况下，在稳压管安全工作条件下，R应尽可能小，从而使输出电流范围增大。,稳压电路,直流稳压电源的性能指标：,1、最大输出电流IOmax： 2、输出电压UO和电压调节范围： 3、保护特性： 4、效率： 5、过冲幅度：,稳压电源性能指标,二、质量指标,1、输入电压调整因数Su和稳压系 数Sr： 2、输出电阻Ro： 3、温度系数ST：,稳压电源性能指标,串联反馈式稳压电路,直流稳压电源的组成及工作原理,开关式直流稳压电路,一、电路组成,串联反馈式稳压电路,串联线性稳压电路如图所示，它由四部分组成：调整电路、比较放大电路、基准电压和取样电路。根据比较放大电路的不同，它可分两种基本电路。一种是三极管组成比较放大器的稳压电路，另一种是由运放组成比较放大器的稳压电路。尽管电路不同，但工作原理是相同的。下面以运放为例分析其工作原理。,一、 电路组成,串联反馈式稳压电路,集成运放作比较放大电路,串联反馈式稳压电路,vI,vo,+,+,_,R1,RL,R2,A,DZ,vREF,vF,R,vB,T,b,c,e,比较放大,调整,基准电压,取样,二、工作原理,串联反馈式稳压电路,VO VF VB VO VCE IC,集成运放作比较放大电路：,VO VF VB VO VCE IC ,三、输出电压的计算,串联反馈式稳压电路,运放作比较放大电路：,单片集成稳压器,单片集成稳压器是把稳压电路的调整管、误差放大器、取样电路、启动电路、保护电路等集成在一个芯片上的专用集成电路。 单片集成稳压器品种繁多，我们只介绍应用最多、最简单的一种：固定输出的三端集成稳压器。 固定输出的三端稳压器有输出正压和输出负压两在系列，分别用CW78和CW79表示,单片集成稳压器,它又分为CW78、CW78M和CW78L三类。 CW78表示输出电流为1.5A； CW78M表示输出电流为0.5A； CW78L表示输出电流仅为0.1A。其中表示输出的电压值，实际有0.5、 0.6、0.8、12、15、20、24几种规格，分别表示输出电压为5V、 6V、 8V、 12V、 15V、 20V和24V。 其外型封装及接线图如图所示。,1,CW78系列(输出正压)：,1、 CW78系列(输出正压)：,单片集成稳压器,单片集成稳压器,CW79系列与CW78系列意义完全相同。所不同的是输出为负电压。 其外型封装及接线图如图所示。 要求：输入电压VI比输出电压VO高23V,2,CW79系列(输出负压)：,2、 CW79系列(输出负压)：,单片集成稳压器,开关电源的结构和基本原理,开关电源工作原理,通过高频开关技术将输入的较高的交流电压(AC)转换为PC电脑工作所需要的较低的直流电压(DC),开关电源的中心思想：用提高工作频率等手段来提高电源的功率密度，进而达到减少变压器的体积和重量的目的。采用开关变换的显著优点是大大提高了电能的转换效率，典型的PC电源效率为70%-75%，而相应的线性稳压电源的效率仅有50%左右。,输出电压的稳定则是依赖对脉冲宽度的改变来实现，这就叫做脉宽调制PWM。,开关电源工作流程,当市电进入电源后，先经过扼流线圈和电容滤波去除高频杂波和干扰信号，然后经过整流和滤波得到高压直流电。,接着通过开关电路把直流电转为高频脉动直流电，再送高频开关变压器降压。,然后滤除高频交流部分，这样最后输出供电脑使用相对纯净的低压直流电。,框图,一个典型的半桥式开关电源的结构流程图,EMI器件,功率输出,PWM,主变压器,整流滤波,驱动变压器,开关管,AC输入,SB器件,辅助变压器,SB输出,取样,供电,控制,VCC,常用元器件性能及主要参数介绍,电阻 电容 电感 二极管 三极管 变压器 比较器 PWM控制器,电路图,一个典型的电路图,开关电源原理示意图,1经过了EMI滤波电路以及PFC电路的交流电波形,2整流滤波电路后的波形输出,3从高压滤波电容出来的电压波形,4经过开关管后的波形,5经过变压后的波形,6低压整流后的波形,7终于得到了最终需要的电压,抗干扰电路（EMI） 由一个线圈和两个电容组成，通常有两级EMI。 功能：滤除由电网进来的各种干扰信号，防止电源开关电路形成的高频扰窜电网。,抗干扰电路（EMI） 整流滤波电路 开关电路 PFC电路 保护电路,电路结构,PFC电路 PFC（Power Factor Correction）即“功率因数校正”，主要用来表征电子产品对电能的利用效率。功率因数越高，说明电能的利用效率越高。通过CCC认证的电脑电源，都必须增加PFC电路。 PC电源采用传统的桥式整流、电容滤波电路会使AC输入电流产生严重的波形畸变，向电网注入大量的高次谐波，因此网侧的功率因数不高，仅有0.6左右，并对电网和其它电气设备造成严重谐波污染与干扰。 PFC有两种，一种是无源PFC（也称被动式PFC），一种是有源PFC（也称主动式PFC）。,无源PFC 无源PFC一般采用电感补偿方法，通过使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，但无源PFC的功率因数不是很高，只能达到0.70.8。 位置在第二层滤波之后，全桥整流电路之前。,有源PFC 输入电压可以从90V到270V； 高于0.99的线路功率因数，并具有低损耗和高可靠等优点； 有源PFC电路可用作辅助电源，而不再需要辅助电源变压器； 输出不随输入电压波动变化，因此可获得高度稳定的输出电压； 有源PFC输出DC电压纹波很小，且呈100Hz/120Hz（工频2倍）的正弦波，因此采用有源PFC的电源不需要采用很大容量的滤波电容。,EMI电路,整流滤波电路 高压整流滤波电路由一个全桥（由四个二极管组成）和两个高压电解电容组成。把220V交流市电转换成300V直流电。 低压整流滤波电路由二极管和电解电容组成(12V使用快恢复管，5V和3.3V使用肖特基管 )，如图。,关键元件：辅助电源开关管、辅助电源变压器、三端稳压器 300V直流电通过辅助电源开关管成为脉冲电流，通过辅助电源变压器输出二组交流电压，一路经整流 、三端稳压器稳压，输出+5VSB，加到主板上作为待机电压；另一路经整流滤波，输出辅助+12V电源，供给PWM等芯片工作。,辅助电源电路,开关电路核心部分 关键元件：PS-ON、精密稳压电路 、 PWM 控制芯片、推动管（由两个三极管组成）、驱动变压器、主开关变压器 原理：由推动管和PWM （Pulse Width Modulation）控制芯片构成振荡电路，产生高频脉冲 待机时，主板启闭控制电路的电子开关断开， PWM 控制