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电子设备所需的直流电源 一般都是采用由交流电网供电 经 整流 滤波 稳压 后获得 所谓 整流 指把大小 方向都变化的交流电变成单向脉动的直流电 能完成整流任务的设备称为整流器 所谓 滤波 指滤除脉动直流电中的交流成分 使得输出波形平滑 能完成滤波任务的设备称为滤波器 所谓 稳压 指输入电压波动或负载变化引起输出电压变化时 能自动调整使输出电压维持在原值 本章将着重介绍单相桥式整流电路 电容滤波电路 串联型稳压电路 开关型稳压电路的原理和应用 第9章直流稳压电源 9 1 1整流电路1 电路组成单相桥式整流电路如图9 1 a 所示 图9 1 b 是其简化电路 a 电路原理图 b 电路简化图图9 1单相桥式整流电路 9 1整流和滤波电路 2 工作原理当u2 t 为正半周时 V1 V3正偏而导通 V2 V4反偏而截止 电流经V1 RL V3形成回路 RL上输出电压波形与u2 t 的正半周波形相同 电流iL从b流向c 当u2 t 为负半周时 V1 V3截止 V2 V4导通 电流经V2 RL V4形成回路 RL上输出电压波形是u2 t 的负半周波形倒相 电流iL仍从b流向c 所以无论u2 t 为正半周还是负半周 流过RL的电流方向是一致的 单相桥式整流的输出波形如图9 2所示 图9 2单相桥式整流电路输出波形 3 参数估算sin tdt因此 二极管最大整流应电流满足IF IL 最高反向工作电压应满足URM U2 例9 1 如图9 1所示的单相桥式整流电路 若要求在负载上得到24 直流电压 100mA的直流电流 求整流变压器次级电压U2 并选出整流二极管 解 IF IL 50mAURM U2 37 5V根据上述数据 查表可选出最大整流电流为100mA 最高反向工作电压为50V的整流二极管2CZ52B 1 工作原理首先电源对电容充电 当充到最大值时电容放电 由于充电时间常数比放电时间常数小很多 所以充电快 放电慢 在下一个周期电源电压高于电容电压时再次对电容充电 以后循环重复 波形如图9 4 b 所示 2 参数估算UL 1 2U2C 3 5 UC 1 5 2 U2式中T为电网交流电压的周期 滤波电路的主要元件是电容和电感 以电容滤波电路最常用 如图9 4所示 a 原理图 b 波形图图9 4电容滤波电路 9 1 2滤波电路 例9 2 已知单相桥式整流电容滤波电路如图9 4 a 所示 要求UL 12V IL 100mA 电网工作频率为50Hz 试计算整流变压器次数电压有效值U2 并计算RL和C的值 解 VC 3 5 3 5 24 3 41 5 FUC 1 5 2 U2 15 20V 故 整流变压器次数电压有效值为10V 负载RL为1 2k 滤波电容器的参数为47 F 25V 2 电容滤波的特点 1 滤波后的输出电压中直流分量提高了 交流分量降低了 2 电容滤波适用于负载电流较小的场合 3 存在浪涌电流 可在整流二极管两端并接一只0 01 F的电容器来防止浪涌电流烧坏整流二极管 4 RLC值的改变可以影响输出直流电压的大小 RL开路时 输出UL约为1 4U2 C开路时 输出UL约为0 9U2 若C的容量减小 则输出UL小于1 2U2 9 2 1并联型稳压电路并联型稳压电路如图9 6所示 图9 6并联型直流稳压电路 9 2稳压电路 其稳压过程分述如下 当交流电网波动而RL未变动时 若电网电压上升 则Ui UL IZ I UR UL 当电网未波动而负载RL变动时 若RL减小 则IL I UR UL IZ I UR UL 选择稳压管时 一般可按以下公式估算UZ ULIZmax 1 5 3 ILmaxUi 2 3 UZ 例9 3 设电网波动引起整流滤波电路的输出电压变化 10 RL 1k 要求UL 10V 试确定图9 6中稳压电路元件的参数 解 1 根据UZ UL 10V得IL 10mA ILmax由式IZmax 1 5 3 ILmax 可查手册选择2CW17稳压管 其参数为 UZ 9 10 5 V IZ 5mA PZ 250mW IZmax 23mA rz 25 2 取Ui 25V Ui变化 10 时可算得Uimax 27 5VUimin 22 5V 3 求出限流电阻Rmin 0 76k Rmax 0 83k 所以R的取值范围为0 76k R 0 83k 其功率为 0 41W故可选择标称值为820 0 5W的电阻器并联型稳压电路结构简单 但受稳压管最大电流限制 又不能任意调节输出电压 所以只适用于输出电压不需调节 负载电流小 要求不甚高的场合 1 电路组成串联型稳压电路如图9 7所示 电路由四部分组成 图9 7串联型稳压电路 9 2 2串联型稳压电路 1 采样单元采样单元有R1 R2 和RP组成 与负载RL并联 通过它可以反映输出电压Uo的变化 2 基准单元基准单元由限流电阻R3与稳压管V3组成 3 放大单元放大单元由三极管V2组成 4 调整单元调整单元由三极管V1组成 它是串联型稳压电路的核心元件 V1必须选择大功率三极管 2 工作原理串联型稳压电路的自动稳压过程按电网波动和负载电阻变动两种情况分述如下 Ui Uo Uf UBE2 IB2 IC2 UCE2 UBE1 IB1 UCE1 Uo RL Uo Uf UBE2 IB2 IC2 UCE2 UBE1 IB1 UCE1 Uo 当Ui 或RL 时的调整过程与上述相反 由上分析可知 这是一个负反馈系统 正因为电路内有深度电压串联负反馈 所以才能使输出电压稳定 串联型稳压电路的输出电压Uo 由采样单元的分压比和基准电压的乘积决定 因此调节电位器RP的滑动端子 可调节输出电压Uo的大小 Uo的调节范围为Uomax Uomin 例9 4 在图9 7中 设稳压管工作电压UZ 6V 采样单元中R1 R2 RP 试估算输出电压的调节范围 解 由式 9 14 可估算出Uomax 3 6 18VUomin 9V故 该串联型稳压电路的输出电压可在9V 18V之间调节 串联型稳压电路中的放大单元也可由集成运放组成 如图9 8所示 图中用复合管代替了V1 以便扩大输出电流 基准电压UZ和采样反馈电压Uf分别接于集成运放的同相和反相输入端 其稳压过程为 Uo Uf UZ Uf UB2 UB1 Uo 图9 8采用集成运放和复合调整管的串联型稳压 目前 集成稳压器已达百余种 并且成为模拟集成电路的一个重要分支 它具有输出电流大 输出电压高 体积小 安装调试方便 可靠性高等优点 在电子电路中应用十分广泛 集成稳压器有三端及多端两种外部结构形式 输出电压有可调和固定两种形式 固定式输出电压为标准值 使用时不能再调节 可调式可通过外接元件 在较大范围内调节输出电压 此外 还有输出正电压和输出负电压的集成稳压器 稳压电源以小功率三端集成稳压器应用最为普遍 常用的型号有W78 系列 W79 系列 W317系列 W337系列 9 2 3三端集成稳压器 1 固定输出的三端集成稳压器固定输出的三端集成稳压器的三端指输入端 输出端及公共端三个引出端 其外形及符号如图9 9所示 固定输出的三端集成稳压器W78 系列和W79 系列各有七个品种 输出电压分别为 5V 6V 9V 12V 15V 18V 24V 最大输出电流可达1 5A 公共端的静态电流为8mA 型号后两位数字为输出电压值 在根据稳定电压值选择稳压器的型号时 要求经整流滤波后的电压要高于三端集成稳压器的输出电压2 3V 输出负电压时要低2 3V 但不宜过大 a 外形 b 符号图9 9固定输出三端集成稳压器的外形及符号 1 基本应用电路固定输出的三端集成稳压器的基本应用电路如图9 10所示 图中 C1用以抑制过电压 抵消因输入线过长产生的电感效应并消除自激振荡 C2用以改善负载的瞬态响应 即瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动 C1 C2一般选涤纶电容 容量为0 1 F至几个 F 安装时 两电容应直接与三端集成稳压器的引脚根部相连 图9 10固定输出三端集成稳压器基本应用电路 2 扩展输出电压的应用电路如果需要高于三端集成稳压器的输出电压 可采用如图9 11所示的升压电路 图9 11提高输出电压电路 图中三端集成稳压器工作在悬浮状态 稳压电路的输出电压为Uo UXX IQR2若R1 R2阻值较小 则可忽略IQR2 于是Uo UXX图9 11所示电路的缺点是 当稳压电路输入电压Ui变化时 IQ也发生变化 这将影响稳压电路的稳压精度 特别是R2较大时这种影响更明显 图9 12所示电路是用W78XX和 A741组成的输出电压可调的稳压电路 图中集成运放作为电压跟随器使用 它的电源借助于三端集成稳压器的输入直流电压 图9 12输出电压可调电路 由图9 12可知当电位器滑动端在最上端时 可得最大输出电压Uomax 当电位器滑动端在最下端时 可得最小输出电压Uomin 故输出电压调节范围为 Uo 例9 5 在图9 12中 若选用三端集成稳压器W7815 已知RP 500 欲使输出电压调节范围为20 45V 求R1和R2的电阻值 解 由上式可得45 20 解得R1 400 R2 300 3 扩展输出电流的应用电路扩展输出电流的应用电路如图9 13所示 图9 13扩大输出电流电路 4 恒流源应用电路恒流源应用电路如图9 14所示 图9 14恒流源应用电路 2 可调输出的三端集成稳压器可调输出的三端集成稳压器W317 正输出 W337 负输出 是近几年较新的产品 其最大输入 输出电压差极限为40V 输出电压1 2 35V 或 1 2V 35V 连续可调 输出电流0 5 1 5A 最小负载电流为5mA 输出端与调整端之间基准电压为1 25V 调整端静态电流为50 A 其外形及符号如图9 15所示 图9 15可调输出三端集成稳压器 1 基本应用电路图9 16所示是W317可调输出三端集成稳压器基本应用电路 图9 16W317基本应用线路 图中V1是为了防止输入短路 C1放电而损坏三端集成稳压器内部调整管发射结而接入 如果输入不会短路 输出电压低于7V时 V1可不接 V2是为了防止输出短路时 C2放电损坏三端集成稳压器中放大管发射结而接入 如果RP上电压低于7V或C2容量小于1 F时 V2也可省略不接 W317是依靠外接电阻给定输出电压的 要求RP的接地点应与负载电流返回点的接地点相同 同时 R1 RP应选择同种材料做的电阻 精度尽量高一些 输出端电容C2应采用钽电容或采用33 F的电解电容 图9 17所示是W337可调负电压输出三端集成稳压器应用电路 a 基本应用电路 b 加保护二极管的应用电路图9 17W337的应用电路 2 显示器慢启动应用电路图9 18所示电路是用W317组成的显示器慢启动应用电路 图9 18显示器慢启动应用电路 3 电子控制应用电路图9 19所示是用W317组成的为TTL门电路供电的应用电路 图中输出电压的 有 无 可由A点输入脉冲的高 低电平来控制 图9 19电子控制应用电路 开关型稳压电路种类繁多 按开关信号产生的方式划分有自激式和他激式稳压电路 按开关电路与负载的连接方式划分有串联型和并联型 串联型开关稳压电路中开关调整管与负载串联连接 输出端通过调整管及整流二极管与电网相连 电网隔离性差 且只有一路电压输出 并联型开关稳压电路中输出端与电网间由开关变压器进行电气上的隔离 安全性好 通过开关变压器的次级可以做到多路电压输出 但电路复杂 对开关调整管要求高 按控制方式划分有脉宽调制 PWM 和脉频调制 PFM 由于开关稳压电路输出功率一般较大 尽管开关调整管相对功耗较小 但绝对功耗仍较大 因此实用中 必须加装散热片 9 3开关稳压电路 1 脉宽调制式串联型开关稳压电路脉宽调制式串联型开关稳压电路的基本电路如图9 20所示 图9 20脉宽调制式串联型开关稳压电路 9 3 1开关稳压电路的工作原理 1 工作过程由电压比较器的特点可知 当uo1 uT时 u u uo2为高电平 反之 uo2为低电平 当uo2为高电平时 V1饱和导通 输入电压Ui经滤波电感L加在滤波电容C和负载RL两端 在此期间 iL增长 L和C储存能量 V2因反偏而截止 当uo2为低电平时 V1由饱和导通转换为截止 由于电感电流iL不能突变 iL经RL和续流二极管衰减而释放能量 此时滤波电容C也向RL放电 因而RL两端仍能获得连续的输出电压 当开关调整管在uo2的作用下又进入饱和导通 L C再一次充电 以后V1又截止 L C又放电 如此循环不已 2 稳压原理当输入的交流电源电压波动或负载电流发生改变时 都将引起输出电压Uo的改变 由于负反馈作用 电路能自动调整而使Uo基本上维持稳定不变 稳压过程如下 若Uo UF UF UR uo1为负值 uo2输出高电平变窄 to Uo 从而使输出电压基本不变 反之 若Uo UF UR UF uo1为正值 uo2输出高电平变宽 to Uo 同样使输出电压基本不变 2 脉宽调制式并联型开关稳压电路脉宽调制式并联型开关稳压电路的基本电路如图9 21所示 图9 21脉宽调制式并联型开关稳压电路 1 采用集成控制器的开关稳压电路图9 22所示是采用CW3524集成控制器组成的脉宽调制式串联型开关稳压电源实用电路 该稳压电源输出电压Uo 5V 输出电流Io 1A 图9 22用CW3524的开关稳压电源 9 3 2开关电源电路分析 1 电路结构 CW3524集成控制器CW3524芯片共有16只引脚 各引脚功能如图9 23所示 其中P15 P8分别接输入电压Ui的正 负端 P12 P11和P14 P13为驱动开关调整管基极的开关信号的两个输出端 即脉宽调制式电压比较器输出信号uo2 两个输出端可单独使用 亦可并联使用 连接时一端接开关调整管基极 另一端接P8脚 即地 P1 P2分别为比较放大器A1的反相和同相输入端 P16为基准电压源输出端 P6 P7分别为三角波振荡器外接振荡元件RT和CT的联结端 P9为防止自激的相位校正元件R4和C4的联接端 1 工作过程在触发脉冲作用下 V1处于开关状态 当V1基极电压为正时饱和导通 Ui对L1进行充电 充电电流为I1 此时L1储存能量 当V1基极为负时 V1截止 储存在变压器初级线圈中的能量通过次级线圈L2及二极管V2向电容C充电 产生输出直流电压 2 稳压原理当输入的交流电源电压波动或负载电流发生变化 引起输出电压Uo变化时 通过取样比较电路组成的控制电路去改变开关调整管的导通与截止时间 使输出电压得以稳定 开关管导通时间to增大时 输出电压升高 反之 导通时间to减小时 输出电压就降低 当由于某种原因使输出电压升高时 通过取样比较电路使V1提前截止 引起to Uo 使输出电压保持稳定 图9 23CW3524引脚图 外电路开关调整管V1 V2均为PNP型硅功率管 V1选3CD15 V2选3CG14 V3为续流二极管 L和C组成 型滤波电路 L 0 9mH C 470 F R1和R2组成采样分压器电路 R3和R4是基准电压源的分压电路 R5为限流电阻 R6为过载保护取样电阻 RT一般在1 8k 100k 之间选取 CT一般在0 1 F 1000 F之间选取 控制器的最高频率为300kHz 工作时一般取在100kHz以下 2 工作原理及稳压过程CW3524内部的基准电压源UR 5V 由P16脚引出 通过R3和R4 都是5k 分压 以UR 2 5V加在比较放大器的反相输入端 P1脚 输出电压Uo通过R1和R2 都是5k 分压 以Uo 2 5V加在比较放大器的同相输入端 P2脚 此时 比较放大器因u u 其输出uo1 0 调整管在集成控制器作用下 开关稳压电路输入电压Ui 28V时 输出电压为稳定值5V 当输出电压因输入电压 电网波动引起 或负载变化引起变动时 若Uo uo1为正 uo2高电平脉宽变宽 P12输出高电平脉宽变宽 开关调整管 PNP 导通时间变短 to Uo Uo维持不变 此电路中开关调整管采用的是PNP型管 因此比较放大器的反相输入端和同相输入端的输入信号与图9 20虚框中所示的应该对调 另外 uo2高电平脉宽变宽时 PNP型管导通时间反而变短 分析时应予以注意 2 开关电源电路分析图9 24所示为某显示器开关电源 图9 24由TDA4605组成的开关电源 1 TDA4605TDA4605芯片共有8只引脚 各引脚功能如下 P1脚是取样电压反馈输入端 通过对输出电压取样 控制开关管导通时间 使输出电压保持稳定 实现自动稳压 P2脚是定时端 外接RC积分电路 当对电容C充电使其电压达到3V时 则内部电路翻转 电容C通过内部闭合的等效开关很快放电至1V 并在1V上维持一定时间 对电容C何时再启动充电由P8脚决定 当P8脚上的信号极性由正向负跳变时 P2脚内部电路翻转 等效开关断开 开始对电容C充电 P3脚是过小输入保护端 一般连接到整流滤波输出端 当P3脚电压下降到1V以下时 保护电路动作 P5脚无驱动信号输出 开关管截止 若P3脚电压超过1 7V P2脚产生一额外电流对外接的电容C充电 P3脚电压越高 P2脚输出的电流也越大 这样使电容C充电至3V的时间缩短 相应的开关管导通时间也缩短 起到稳定输出电压的作用 使因输入电压变化而引起输出电压变化的趋势得到抑制 P4脚为地端 P5脚为开关管驱动脉冲输出端 在P2脚电容C充电期间 输出驱动脉冲 使开关管导通 这种驱动适合于场效应管 P6脚是电源端 它内部设有监视电路 只有P6脚电压达到12V时 该集成电路才启动工作 启动后 P6脚需6 9V以上的电压维持工作 当电压降至6 9V以下时 集成电路停止工作 P7脚是软启动端 外接启动电容 在内部3V基准电压对电容充电期间 控制开关管的导通时间 2 电路分析 起振过程P6脚得到直流电压 P2脚内部开关断开 输入直流电压通过R810给C811充电 P5脚输出驱动脉冲 开关调整管导通 脉冲变压器储能 当C811上电压充到3V时 TDA4605内部电路翻转 P5脚停止输出驱动脉冲 同时P2脚内部的等效开关接通 C811快速放电 并最终箝位在1V左右 因开关管截止 脉冲变压器初级绕组在开关管导通期间储存的能量由次级各绕组经整流二极管释放 通过相应的电感和电容滤波得到各组稳定的直流电压输出 当次级能量释放至一定时 不足以使各整流二极管导通 次级绕组中电流突然截止 这样在各绕组上产生一个极性反转的电动势 由此在T802的反馈绕组2端产生由正到负的跳变 该跳变经R812 R806加至TDA4605的P8脚 使内部电路又触发 P2脚内部的等效开关断开 又开始对C811充电 P5脚再次输出驱动脉冲 开关管导通 以后周而复始 稳压过程当无输出电压取样反馈环节时 P2脚上的电容C811由1V充电至3V时 内部电路才翻转 致使P5脚无输出 开关管截止 当P1脚有反馈电压时 假设输出电压升高 则由T802反馈绕组1 2上的感应电压经R812 R803 C8