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河 北 科 技 大 学 教 案 用 纸第 17 次课 2 学时上次课复习：单片开关电源的及EMI滤波器本次课题（或教材章节题目）：第七章 特种集成电源第一节 基准电压源第二节 集成恒流源教学要求： 掌握基准电压源、集成恒流源的原理与应用重 点：带隙基准电压源的原理及可调精密集成恒流源的设计难 点：带隙基准电压源的原理教学手段及教具：讲授讲授内容及时间分配：1. 带隙基准电压源的原理 45分钟2. 集成恒流源的设计 45分钟 课后作业思考题：13参考资料1. 沙占友等编著. 数字化测量技术，机械工业出版社，2009.32. 沙占友等编著. 特种集成电源设计与应用，中国电力出版社，2007. 1注：本页为每次课教案首页河 北 科 技 大 学 教 案 用 纸第七章 特种集成电源特种集成电源的特点：电路新颖、功能奇特、性能优良、应用广泛。第一节 基准电压源的原理与应用基准电压源：可作为电压标准的高稳定度集成电压源。一、基准电压源的特点基准电压源的关键技术是电压温度系数T，它表示由于温度变化而引起输出电压的漂移量，简称温漂，单位是106/（即1ppm/）。基准电压源产品大致分成三类：精密型、较精密型、普通型。二、带隙基准电压源的基本原理传统基准电压源是基于晶体管或齐纳稳压管的原理而制成的，其T103/104/，无法满足现代电子测量之需要。70年代初，维德拉（Widlar）首先提出能带间隙基准电压源的概念，简称带隙电压。所谓能带间隙是指硅半导体材料在0K温度下的带隙电压，其数值约为1.205V，用Ug0表示。带隙基准电压源的基本原理是利用电阻压降的正温漂去补偿晶体管发射结正向压降的负温漂，从而实现了零温漂。由于未采用工作在反向击穿状态下的稳压管，因此噪声电压极低。带隙基准电压源的简化电路如图7-1-1所示。基准电压图7-1-1 带隙基准电压源的简化电路源的表达式为 UREFUBE3IC2R2UBE （7-1-1）式中，k为玻耳兹曼常数，q为电子电量，T是热力学温度。其电压温度系数 T （7-1-2）式中，右边的第一项为负数（dUBE /dT2.1mV/），第二项为正数。因此只要选择适当的电阻比，使两项之和等于零，即可实现零温漂。其条件是 UBE0Ug01.205V （7-1-3）式中，UBE0是常温T0下的UBE值。这表明从理论上讲，基准电压与温度变化无关。实际上由于受基极电流IB等因素的影响，UREF只能接近于零温漂。三、基准电压源的应用1. MC1403型基准电压源的应用MC1403是美国摩托罗拉公司生产的高准确度、低温漂、采用激光修正的带隙基准电压源。MC1403的典型应用如图7-1-3所示。RP为精密多圈电位器，用于精确调整输出的基准电压值。C是消噪电容（亦可不用）。若要求输出的基准电压值高于2.5V，可采用如图7-1-4所示电路。ICL7650属于斩波自稳零式第图7-1-4 利用ICL7650提高基准电压值四代精密运算放大器（以下简称运放），其输入失调电压为1V，仅相当于普通运放A741的1/1000，而温漂低至0.01V/。Rf是负反馈电阻，R1是反相输入端的电阻。有公式 UO2.5(1RfR1) （7-1-4）当RfR120k时，UO5V。2. LM399型精密基准电压源的应用LM399的结构如图7-1-5所示。第1、2脚分别为基准电压源的正、负极，第3、4脚之间接9V40V的直流电源。图7-1-5 LM399的结构a）引脚排列 b）结构框图 c）电路符号图中的H代表恒温器，能将芯片温度自动调节到90。普通稳压管是在半导体的表面产生齐纳击穿的，因此噪声电压高，稳定性差。次表面隐埋技术则是在半导体内部的次表面上发生齐纳击穿的，使器件的噪声电压显著降低，稳定性大为提高。LM399的基准电压，就是采用次表面隐埋技术制成的齐纳稳压管来提供的，具有长期稳定性好、噪声电压低等优点。此外它还具有恒温特性，只要环境温度TA90，就能消除温度变化对基准电压的影响，使T0.3106/（典型值），这是其他基准电压源难以达到的指标。其动态阻抗为0.5，输出电压UOUREFUZUBE6.30.656.95V。LM399的典型应用电路如图7-1-6所示，R为限流电阻。通常ILId，R值由下式确定： R(UIUREF)/IR （7-1-5）例如当UI20V，IR2mA时，R6.5k。调节RP可获得07V以内的任意基准电压值。在由HI7159A构成的5位智能数字电压表时，所需1.00000V基准电压，就可由LM399经过分压后产生。第二节 集成恒流源的原理与应用恒流源亦称电流源或稳流源，它能向负载提供恒定的电流。一、恒流源的特点与产品分类电真空稳流管半导体恒流二极管（CRD）恒流三极管（CRT）集成恒流源（包括三端可调恒流源、四端可调恒流源、高压恒流源、恒流型集成温度传感器）。目前，国内外生产的恒流管与集成恒流源典型产品的分类情况见表7-2。稳流管亦称镇流管，是电真空器件。恒流二极管的恒定电流IH为固定值。恒流三极管可在小范围（0.08 mA7mA）内调节IH值。三端可调恒流源能在较大范围（5 mA500mA）内精细调节IH。四端可调恒流源不仅能在极宽范围（3A2.5A）内对IH进行精细调节，还能调节自身的电流温度系数，使T为正、负或等于零。高压集成恒流源的最高工作电压可达100V150V。恒流式集成温度传感器则等效于高内阻且输出电流与温度成正比的恒流源，专用于测量温度。二、恒流二极管的原理与应用1. 工作原理恒流二极管属于两端结型场效应恒流器件，在正向工作时存在一个恒流区，IH不随UI变化。其图7-2-1 恒流二极管a）电路符号 b）伏安特性外形与3DG6晶体管相似，但它只有两个引脚，靠近管壳突起的引线为正极。其主要参数有恒定电流IH、起始电压US，正向击穿电压U（BO），动态阻抗ZH、电流温度系数T。有公式 T （7-2-1）当IH0.6mA时，T0；IH0.6mA时，T0。T的单位是/。2. 应用技巧恒流二极管只能提供几毫安的恒定电流，耐压值一般为几十伏。利用晶体管或场效应管可进行扩流及升压，电路分别如图7-2-2a、b所示。a图是由晶体管JE9013和恒流二极管构成的扩流电路。扩展后的恒流值为I H(hFE1)IHhFEIH （7-2-2）b图是由结型场效应管3DJ6与恒流二极管组成的升压电路。R1、R2为偏置电阻。设3DJ6的漏-源极击穿电压为U(BO)DS，则恒流源的耐压值 U (BO)U(BO)U(BO)DS （7-2-3）三、恒流三极管的原理与应用1. 工作原理恒流三极管是在恒流二极管的基础上发展而成的三端半导体恒流器件。利用其控制端可在一定范围内（0.08 mA7.00mA，视型号而定），对IH进行连续调节。恒流三极管的符号、接法和伏安特性如图7-2-4所示。与晶闸管（SCR）相似，它也有阳极（A），阴极（K），控制极（G）。在电路中A极接正电压，K极接可调电阻RK，G极接RK的另一端。由b图可见，当RK0时，G-K极间短路，恒流三极管就变成恒流二极管，此时输出电流为最大，有关系式图7-2-4 恒流三极管a）电路符号 b）典型接法 c）伏安特性 IOIHmax （7-2-4）接入RK之后，IH就减小，且IH随着RK的增大而继续减小。因此，调节RK能连续改变IH值。四、可调精密集成恒流源的原理与应用可调精密集成恒流源是目前性能最优良的恒流源，特别适合于制作精密型恒流源。可广泛用于传感器的恒流供电电路、放大器、光-电转换器、恒流充电器、基准电压源中。4DH系列属于四端双极型集成电路，其IH值的调节范围非常宽，并且还可调节T，调节范围是（2.00.2）。电路符号及典型接线如图7-2-6所示。RSET1、RSET2为设定电阻，改变二者的电阻比即可调节T。现以4DH5型为例，其恒定电流 IH540RSET1600RSET2 （7-2-5）式中，电阻单位取，IH单位是mA。当RSET2RSET11.26时，T0。下面介绍应用实例。红外光测量仪中的红外发射管，需采用恒流供电。TLN104型红外发射管的正向电流IF50mA，输出功率P1.5mW，峰值发光波长p940nm。其恒流供电电路如图7-2-7所示。图7-2-7 红外发射管的供电电路由4DH5提供50mA的恒定电流。不难算出，取RSET120、RSET225时，IH50mA，T0。思考题：1. 什么是基准电压源？衡量基准电压源性能的主要技术指标是什么？2. 简述带隙基准电压源的基本原理并说明实现零温漂的条件。3. 4DH1型可调式精密集成恒流源的恒定电流计算公式为：IH160/RSET1600/RSET2，式中，电阻单位取，IH单位是mA。当RSET2/RSET14时，T0。使用该恒流源给在线测量晶体管电路提供10A的基极电流，试求RSET2和RSET1的标称电阻值及标称功率。河 北 科 技 大 学 教 案 用 纸第 18 次课 2 学时上次课复习：第一节 基准电压源、集成恒流源本次课题（或教材章节题目）：第七章 特种集成电源第三节 DC/DC变换器教学要求： 掌握：DC/DC变换器的拓扑结构，降压式、升压式变换器原理与应用重 点：降压式、升压式变换器基本原理难 点： 降压式、升压式变换器的主要区别教学手段及教具：讲授讲授内容及时间分配：1. DC/DC变换器的拓扑结构 20分钟2. 升压式变换器、降压式变换器原理与应用 45分钟 3. 反激式/正激式DC/DC电源变换器 25分钟课后作业思考题：1、2参考资料1. 沙占友等编著. 数字化测量技术，机械工业出版社，2009.32. 沙占友等著. 开关稳压器应用技巧，中国电力出版社，2009.2 注：本页为每次课教案首页河 北 科 技 大 学 教 案 用 纸第七章 特种集成电源第二节 单片DCDC电源变换器的原理与应用DC/DC变换器（DC-DC Converters）属于高效率供电装置，它既可以单独使用，亦可构成开关电源。例如，给DC/DC变换器配上输入变压器和整流滤波器，即可构成与电网隔离的开关电源。此外通过高频变压器和光耦合器也能实现一次侧与二次侧的隔离。一、DC/DC变换器的拓扑结构与产品分类DC/DC变换器的拓扑结构主要有以下12种：极性反转（Inverting）式变换器；降压式变换器（Buck Converter），亦称降压式稳压器；升压式变换器（Boost Converter），亦称升压式稳压器；降压/升压式变换器（Buck-Boost Converter，含极性反转式变换器，可统称为降压/升压式稳压器）；正激式变换器（Forward Converter）；反激式（亦称回扫式）变换器（Flyback Converter）；半桥式变换器（Half Bridge Converter）；全桥式变换器（Full Bridge Converter）；推挽式变换器（Push-pull Converter）；软开关变换器（Soft Switching Converter）；复合式稳压器，由DC/DC（或AC/DC）变换器和低压差线性稳压器（LDO）构成；可编程DC/DC变换器。二、降压式DC/DC变换器1. 降压式DC/DC变换器的基本原理降压式变换器亦称Buck变换器，是最常用的一种DC/DC变换器。降压式DC/DC变换器的基本原理如图7-3-1所示。降压式DC/DC变换器具有以下特点：（1）UI先通过开关器件S，再经过储能电感L。（2）UIULUO，因UOUI，故称之为降压式，它具有降低电压的作用。（3）输出电压与输入电压的极性相同。降压式DC/DC变换器的典型产品有LM2576、MAX639、L4960、L4970A等。其中，LM2576的外围电路最简单。2. 降压式DC/DC变换器的典型应用LM2576（固定输出）的典型应用电路如图7-3-2所示。输出电压由下式确定： UOUREF（1）1.23（1） （7-3-1）例如，将R12.0k、R26.12k代入式（7-3-1）中，得到UO5.00V。三、升压式DC/DC变换器1. 升压式DC/DC变换器的基本原理升压式DC/DC变换器简称Boost变换器。升压式DC/DC变换器的基本原理如图7-3-4所示。升压式DC/DC变换器具有以下特点：（1）UI先通过电感L，再经过开关器件S。（2）UOUIULUDUIULUI，故称之为升压式，它具有提升电压的作用，使UOUI时。UL为电感L上压降。UD为续流二极管VD的压降，通常可忽略不计。（3）输出电压与输入电压的极性相同。升压式DC/DC变换器的典型产品有LM2577、MAX770、MAX1771等。2. 升压式DC/DC变换器的典型应用MAX8627是MAXIM公司生产的一种专供镍氢（NiMH）电池、镍镉电池（Ni-Cd）或锂离子（Li-Ion）电池使用的1MHz同步升压式开关稳压器，适用于微处理器或DSP电源、智能手机、个人数字助理（PDA）、MP3播放器、便携式电子设备等领域。MAX8627的典型应用电路如图7-3-5所示。外部电感L的推荐值为14.7H。其计算公式为 L （7-3-3）式中，E为电池电压，D为占空比，D1（E/UO）100。IOM为最大输出电流，f为开关频率。举例说明，当E1.5V、UO5V时，D1（1.5/5）10070。已知IOM1A，f1MHz。一并代入式（7-3-3）中计算出L0.63H，实际取1H标称电感。四、反激式/正激式DC/DC电源变换器反激式/正激式DC/DC电源变换器是开关电源最基本的两种拓扑结构，其应用领域非常广泛。