模拟电子技术第6章.ppt

第7章直流稳压电源 直流电源是电子设备不可缺少的重要组成部分 它为电路中的电子器件建立正常工作的条件 并提供信号正常放大 转换所需要的能量 其性能的优劣直接影响电子系统的性能指标 在电子设备中 直流电源一般有两种 一种是化学电源 俗称电池 它在使用过程中将事先存储在内部的化学能转化为电能 另一中是物理电源 它在使用过程中是将来自电网的交流电转化为稳定的直流电 通常称为直流稳压电源 本章主要介绍直流稳压电源的组成 各部分的结构和工作原理 主要性能指标的估算 并简要介绍开关式稳压电源的基本原理 图7 1直流稳压电源的基本组成 直流稳压电源实质上是一种电能转换设备 将来自电网等的交流电转化为稳定的直流电 它一般是由变压器 整流电路 滤波电路 稳压及过载保护电路等部分组成 如图7 1所示 7 1概述 7 1 1稳压电源的组成 各部分作用如下 1 电源变压器将输入的交流电压u1变换成适合电子电路需要的电压u2 在一般电子电路中 通常采用降压变压器 2 整流电路将电源变压器输出的交流电压u2变换成单向脉动直流电压u3 3 滤波电路实质是低通滤波电路 常采用较大容量的电容或电感 滤除整流电路输出的脉动电压u3中的交流成分 输出比较平滑的直流电压u4 u4中仍存在少量的交流成分 且不够稳定 4 稳压及过载保护电路稳压电路的作用是克服由于电网电压波动 负载和温度变化所引起输出电压的变化 以维持输出电压稳定 稳压电路输出稳定直流电压Uo 给负载提供能量 过载保护电路能够在欠压 过载或输出端短路等现象发生时 电源停止工作 以防止烧坏电子设备甚至整个电源 1 特性指标特性指标是指表明稳压电源工作特征的参数 例如允许的输入 输出电压及电流 输出电压的可调范围等 2 质量指标质量指标是指衡量稳压电源稳定性能的参数 例如稳压系数 输出电阻 纹波电压及温度系数等 稳压系数 指通过负载的电流和环境温度保持不变时 稳压电路输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比 即 的大小反映了Uo受电网电压波动的影响 数值越小 输出电压的稳定性越好 7 1 7 1 2稳压电源的主要技术指标 温度系数ST 指在Ui和Io都不变的情况下 环境温度T变化所引起的输出电压的变化 即 ST的大小反映了环境温度T的变化对输出电压稳定性能的影响 Uo为漂移电压 ST越小 漂移越小 该稳压电路受温度影响越小 另外 还有其它一些质量指标 如负载调整率 噪声电压等 mV 7 3 纹波电压S 指稳压电路输出电压中含有的交流成分 通常用有效值或峰值表示 S值越小越好 否则影响电路的正常工作 输出电阻Ro 指当输入电压和环境温度不变时 输出电压的变化量与输出电流变化量之比 即 Ro的大小反映了负载的变化对输出电压稳定性能的影响 Ro数值越小 电源带负载能力越强 对其它电路影响越小 7 2 7 2整流电路 整流电路是将交流变换成直流的电路 其基本工作原理是利用二极管的单向导电性把大小和方向都变化的正弦交流电变化为脉动的直流电 单相整流电路分为单相半波整流电路 单相桥式整流电路 单相全波整流电路等 在分析整流电路时 为简化分析过程 突出重点 一般均假定负载为纯电阻性 整流二极管为理想二极管 即正偏导通 电阻为零 反偏截止 电流为零 电阻为无穷大 变压器无损耗等 7 2 1单相半波整流电路 图7 2单相半波整流电路 1 电路及工作原理 如图7 2 a Tr为电源变压器 VD为整流二极管 RL为负载电阻 电路主要利用VD的单向导电性来完成整流任务 各量的参考方向如图1 23 a 所示 设 当u2正半周时 A端电位高于B端电位 VD正偏导通 电流通过二极管流向负载 RL上得到上正下负的电压uo u2 此时uD 0 当u2负半周时 A端电位低于B端电位 VD反向偏置而截止 通过RL的电流为零 uo 0 此时uD u2 输出电压 电流及二极管端电压波形如图7 2 b 所示 负载上输出电压uo为单向半波脉动电压 2 主要参数计算 在研究整流电路时 主要考察整流电路输出电压的平均值 即负载上的直流电压 Uo和输出电流的平均值 即负载上的直流电流 Io两项指标 1 输出电压平均值为 2 输出电流平均值为 7 4 7 5 最大反向电压为 单相半波整流电路简单 使用元件少 不足之处是只有半周输出 整流效率低 输出电压脉动大 所以单相半波整流仅用在小电流且对电源要求不高的场合 例如 电褥子的半功率档就是在电路中串联了一只二极管 3 整流元件 二极管 参数选取 其平均电流为 7 2 2单相桥式整流电路 1 电路及工作原理 1 电路 如图7 3所示 四只整流二极管VD1 VD4接成电桥形式 故称为桥式整流电路 将二极管视为理想二极管 设 当u2正半周时 A点电位高于B点 VD1 VD3导通 VD2 VD4截止 电流 A VD1 RL VD3 B 输出uo u2 当u2负半周时 B点电位高于A点 VD2 VD4导通 VD1 VD3截止 电流 B VD2 RL VD4 A 输出uo u2 0 在u2的整个周期内 负载RL上都有电流流过 而且方向始终不变 输出电压uo为单向全波脉动电压 各电压 电流波形如图7 3 b 所示 2 工作原理 输出直流电压 输出直流电流 电流 最大反向电压 桥式整流电路输出直流电压高 脉动电压小 效率高 但所用二极管较多 在电子设备中常用整流桥堆 桥式整流电路获得广泛应用 2 主要参数 7 6 7 7 3 二极管参数 7 8 AC 几种常见的硅整流桥外形 7 2 3单相全波整流电路 如图7 4所示 同样设 当u2正半周时 VD1导通 VD2截止 电流由A点流出 经VD1 RL流入B点 如图7 4中实线箭头所示 输出uo u2 当u2处在负半周时 VD2导通 VD1截止 电流由C点流出 经VD2 RL流入B点 如图7 4中虚线箭头所示 输出uo u2 二极管最大反向电压 在使用单相全波整流电路时 变压器次级输出的双路电压很难做得完全对称 此外还存在二极管承受的反向电压较高等缺点 Uo 0 9U2 输出电压平均值 输出电流平均值 二极管电流平均值 7 3滤波电路 由于整流电路输出的直流电压中都含有较大的脉动成分 一般不能直接将其应用于电子电路中 而是再经过滤波电路滤除其纹波 滤波是利用电容或电感的能量存储作用来实现的 常用的滤波电路如图7 5所示 滤波电路 电容滤波 电感滤波 复式滤波 LC RC 滤波 型滤波 7 3 1电容滤波电路 b 波形图 a 电路 图7 6单相桥式整流电容滤波电路及波形 电容滤波是最常用也是最简单的滤波形式 如图7 6 a 所示为单相桥式整流电容滤波电路 负载RL未接入时的情况 设电容C两端的初始电压为零 正半周时 u2通过VD1 VD3向C充电 负半周时 u2经VD2 VD4向C充电 充电常数很小 C很快被充到u2的最大值 极性上正下负 由于无放电回路 故输出电压uo uc 保持最大值电压不变 如图7 6 b 纵坐标左边部分所示 接入负载RL的情况 设u2开始上升 即正半周开始 时接入负载RL 由于C在负载未接入前充了电 故刚接入负载时u2uc时 VD1 VD3导通 u2经VD1 VD3一方面向负载RL供电 另一方面向C充电 充电常数由于受二极管导通电阻 变压器次级绕组直流电阻影响而很小 uc如7 3 2 b 中的bc段 u2过正峰点后 开始下降 一旦u2 uc时 二极管会再次截止 C经RL放电 uc如7 6 b 中的cd段 当u2的负半周幅度大于uc时 VD2 VD4导通 u2再次对C充电 uc如7 6 b 中的de段 当u2 uc时 VD2 VD4截止 C上电荷对RL放电 如图7 6 b 中的ef段 当u2的第二个正半周幅度大于uc时 VD1 VD3再次导通 重复上述过程 输出电压估算公式 Uo 1 2U2 电容选取C原则 特点 电容滤波电路简单 纹波较小 但输出特性较差 故适应于负载电压较高 负载变动不大的场合 容量 耐压 7 3 2倍压整流电路 如图7 7为二倍压整流电路 设 利用二极管的单向导电性和滤波电容的储能作用 由多个二极管和电容组成的电路可以获得几倍于变压器次级电压的输出电压 这种电路称为倍压整流电路 当u2正半周时 VD1导通 VD2截止 u2向C1充电 C1上电压极性为左负右正 峰值电压可达 当u2负半周时 C1上电压和变压器次级电压同极性串联相加 使VD1截止 VD2导通 向C2充电 C2上电压极性上负下正 峰值电压可达 当电容的放电常数远大于u2的周期时 C2上输出电压Uo 实现了二倍压整流 根据相同原理 可实现所需倍数的输出电压 均用于高电压 小电流的直流电源中 如高压除尘装置 多倍压整流电路 u2的第一个正半周 u2 C1 D1构成回路 C1充电到 u2的第一个负半周 u2 C2 D2 C1构成回路 C2充电到 u2的第二个正半周 u2 C1 C3 D3 C2构成回路 C1补充电荷 C3充电到 u2的第二个负半周 u2 C2 C4 D4 C3 C1构成回路 C2补充电荷 C4充电到 把负载接在相应电容组的两端 即可获得所需的多倍压直流输出 电感滤波电路如图7 8所示 电感L具有通直流 阻交流的作用 从整流电路输出的电压中 其直流分量由于电感近似短路而全部加到负载RL两端 即Uo 0 9U2 交流分量由于电感L的感抗远大于负载电阻而大部分降在电感L上 负载RL上只有很小的交流电压 达到了滤除交流分量的目的 一般电感滤波电路用于低电压 大电流的场合 7 3 3其它形式滤波电路 1 电感滤波电路 2 复试滤波电路 为了进一步减小输出电压中的纹波 可采用复式滤波电路 如图7 5 c 为LC滤波电路 图 d 为 型LC滤波电路 由于电容C1 C2对交流电的容抗很小 而电感L对交流电的阻抗很大 因此 负载RL上的纹波电压很小 若负载电流较小时 也可用电阻代替电感组成 型RC滤波电路 由于电阻要消耗功率 所以 此时电源的损耗功率较大 电源效率降低 交流电经变压 整流和滤波之后 可以输出比较平滑的直流电压 只要电网电压和负载都固定 输出电压也就固定 但当电网电压或负载变化时 输出电压必然会跟着改变 为了消除以上影响 可在滤波输出和负载之间增加一部分电路 以克服负载变化 电源电压不稳及温度变化所引起输出电压的变化 使电源输出的电流 电压更加稳定 这部分电路称为稳压电路 最简单的稳压电路是第1章介绍的硅稳压管稳压电路 但其输出电压和电流的大小受稳压管参数的限制 实际电路中取得广泛应用是串联型稳压电路 7 4线性稳压电路 图7 9 a 为基本原理 在输入电压和负载之间串联一个可调电阻R 其稳压原理为 当外界因素导致输出电压变化时 改变R的阻值 使变化的电压全部降在R上 达到使输出电压稳定的目的 图7 9 b 中 用三极管代替可调电阻R 通过控制三极管的工作状态 改变集 射极间的等效电阻RCE UCE IC 实现稳压 由于电压调整元件与负载串联 所以称为串联型稳压电路 图7 9 c 为串联型稳压电路的最简单形式 7 4 1串联型稳压电路 1 串联稳压电路的基本原理 电阻R和稳压二极管DZ构成稳压管稳压电路作为调整管T的分压式偏置电路 使T的基极电压基本稳定在稳压管的稳定电压UZ上 正常工作时 调整管T工作在放大状态 其稳压原理如下 假设输入电压或负载电阻突然增大 导致输出电压增加 其稳压过程如下 同理 当输入电压或负载电阻突然减小时 经上述稳压过程 仍然使输出电压基本保持不变 UI 或RL UO UBE IB IC UCE UO 事实上 图7 9 c 所示的电路是采用分压式偏置的射极输出器电路的静态直流电路 一方面 由于采用稳压管稳压电路作偏置 使基极电压得以稳定 另一方面 由于采用射极输出形式 负载会引入很强的电压负反馈 使电路的输出电阻很小 带负载能力很强 基本可看作理想电压源 由此可见 串联型稳压电路源自基本放大电路 这一点 与第3章3 5节的电流源电路是一样的 带放大环节的串联稳压电路是较为通用的一种稳压电路 如图7 10所示 a 为原理电路 b 为其组成框图 它由采样电路 基准电路 比较放大器和调整电路组成 这种电路的实质就是利用负反馈电路 来自动实现稳压的 2 带放大环节的稳压电路 1 电路组成 1 采样电路 基准电压电路和比较放大电路在图7 10中 R1 RP R2组成采样电路 同时它们又是T1的分压式偏置电路 T1为比较放大管 R3 DZ组成基准电压电路 R3对DZ起限流作用 同时由于DZ具有稳压作用 使T1的发射极电位基本不变 R1 RP R2 T1 R3和DZ共同组成比较放大电路 其作用是 将采样电压与基准电压进行比较放大 产生直流电位差信号 加到调整管T2的基极 去控制T2的导通程度 即改变UCE2 2 调整电路在图7 10中 T2为调整管 R4为偏置电阻 也是T1的集电极负载电阻 T2与输出负载串联后 接在稳压电路的输入电压UI两端 故称为串联式稳压电路 且有UO UI UCE2 利用输出电压的变化量来控制T2的基极电流变化 由于T2工作在放大区 即线性状态 该类型电源为线性稳压电源 从而也就控制T2的集电极电流变化 若T2集电极电流变化增大 则内阻减小 UCE2随之减小 反之亦然 从而使Uo保持不变 2 各部分的作用 稳压电路的稳压作用主要体现在两个方面 一是当电网电压突然变化时 输出电压基本保持不变 二是当负载变化时输出电压基本保持不变 3 稳压过程 1 电网电压波动时的稳压过程 2 负载变化时的稳压过程 串联稳压电路就是利用输出电压的变化来控制调整管UCE变化 来自动实现稳压的 若已知稳压管的稳定电压为UZ 可知输出电压为 由式 7 9 可知 改变RP中心抽头的位置可以在一定范围内调节输出电压的大小 使电路的使用范围加大 7 9 注意 只要RP中心抽头的位置调定 输出电压就是稳定的 不要将稳压与输出电压可调混为一谈 4 输出电压的调节范围 集成稳压器有多端可调集成稳压器 三端固定式稳压器 三端可调稳压器等类型 其中三端稳压器因使用方便而被广泛应用于电子仪器 电子设备中 1 三端固定输出集成稳压器三端固定输出集成稳压器分正电压型和负电压型两个系列 1 正电压型正电压型三端稳压器的型号为CW78XX 其型号后两为位数字表示输出电压值 如图7 11为其外型及管脚功能 如图7 12是其典型应用电路 C1为滤波电容 C2起在输入线较长时抵消其电感效应 以防产生自激振荡的作用 C3是为了消除电路的高频噪声 改善负载瞬态响应 7 4 2集成稳压器 负电压型三端稳压器的型号为CW79XX 其型号后两为数字表示输出电压值 例如CW7912表示输出电压是 12V 如图7 13为其外型及管脚功能 如图7 14是其典型应用电路 2 负电压型 图7 15正 负电压同时输出的稳压电路 注意 这两组稳压器具有同一个公共接地端 但78系列的接地端与散热器相连 而79系列的输入端与散热器相连 在该电路设计中 特别需要注意这两块稳压器若采用同一块散热器进行散热时 一定要注意电路的绝缘问题 否则要引起短路故障 烧坏集成稳压器 3 具有正 负电压输出的稳压电路 三端可调输出集成稳压器保留了三端固定输出集成稳压器结构简单 使用方便的优点 又克服了其电压不可调整的缺点 输出电压在较大的范围内可调 并且电压稳定度也比前者大为提高 可达0 02 其输出电压亦分正 负输出电压两种 正电压系列型号为LM 17 代表1 2或3 输出电压调节范围为1 25 37V 负电压系列型号为LM 37 三端可调输出集成稳压器的外形及管脚功能见图7 16 2 三端可调输出集成稳压器 图7 17给出由LM317稳压器构成的可调集成稳压电源 其中R1 R2组成取样电阻 C2用以滤除R2上的纹波 鉴于UI或UO短路时 C2会通过LM317内部放电而损坏芯片 需加设VD6来保护 为C2提供泄放回路 C4采用1 F的钽电容 能防止输出端产生自激振荡 若C4改用电解电容 则C4取22 F VD5起保护作用 当UI发生短路故障时 VD5导通 保护LM317集成块 LM317输出电流可达1 5A 使用时应注意安装散热器 确保长时间能够稳定工作 线性稳压电源由于调整管工作在放大区 管耗大 效率低 只有35 60 调整管需装体积很大的散热器 且这种电源承受过载和短路的能力差 常适应于几十瓦以下的小功率电源 随着电子技术的发展 开关稳压电源获得迅速的发展 实践证明 它比串联型稳压电源具有更多的优越性 效率 体积 重量等指标均优于线性稳压电源 但由于调整元件的控制电路比较复杂 输出纹波电压较高 瞬态响应不如线性稳压电源 所以其应用也受到一定的限制 但随着微电子 电子技术的发展 这些不利因素也正在被逐步克服 7 5开关式稳压电路 7 5 1概述 图7 18开关稳压电源的组成框图 开关稳压电源采用功率半导体器件作为开关元件 通过周期性通断 控制开关元件的占空比来调整输出电压的 其组成框图如图7 18所示 其中DC DC变换器是开关电源的核心器件 完成功率转换 此外还有启动电路 噪声滤波器 过流或过压保护电路等组成部分 R1 R2组成取样电路 检测出输出电压Uo的变化 与基准电压UREF进行比较 误差放大 脉宽调制 PWM 电路 再进一步通过驱动器控制功率开关器件的通断时间占空比 Ton T 从而调整输出电压的大小 Uo UI 1 开关稳压电源的基本构成 1 开关稳压电源的特点1 效率高 功耗小开关稳压电源的调整管工作在开关状态 功耗很小 效率高 电源效率可达到80 90 左右 2 体积小 重量轻开关稳压电源省去笨重的工频变压器 采用电网输入的交流电压直接整流 体积大大减小 重量约为线性电源的1 5 3 稳压范围宽开关稳压电源的输出电压是由占空比调节 它受输入电压的影响较小 在输入交流电压130 260V变化时 输出电压的变化在2 以下 4 安全可靠在开关稳压电源中 设有自动保护电路 当稳压电路或负载出现短路时 能自动切换电源 保护功能灵敏可靠 5 滤波电容容量小开关稳压电源的开关调整管工作在开关状态 其开关频率很高 滤波电容的容量可大大减小 6 干扰较大开关稳压电源的调整管工作在开关状态 其交变电压和电流会通过开关调整管 整流管 高频变压器等 产生尖峰干扰和调波干扰 1 按所用的开关器件分类 功率晶体管 可控硅 功率MOSFET管 IGBT InsulatedGateBipolarTransistor即绝缘栅双极晶体管 等 2 按储能元件和开关功率管的关系 串联和并联两种形式 3 按开关器件的激励方式分类 自激式和它激式4 按稳压控制形式分类 脉冲宽度调制方式 PulseWidthModulation 缩写为PWM 脉冲频率调制方式 PulseFrequencyModulation 缩写为PFM 5 按输出直流电压大小分类 升压式和降压式两种 6 按开关管的连接方式分类 单端式 推挽式 半桥式和全桥式四种 7 按隔离和耦合方式分类 隔离式和非隔离式 其中隔离式有变压器耦合及光电耦合等形式 3 开关稳压电源的种类 开关控制信号送入T基极 在T饱和导通时 VD截止 电流经L存储磁能 给电容充电并向负载供电 如图中红实线所示 在T截止时 由于电感L中的电流不能突变 感生电压使VD导通 L将所储磁能以电流的形式释放 给电容充并向负载供电 如图中红虚线所示 当电感中感应电压低于电容C2上电压时 二极管截止 之后 电容通过负载放电维持输出 如图中蓝实线所示 当L中电流增长或减少变化时 电容储存过剩的电荷或补充负载中缺少的电荷 从而减少输出电压Uo的纹波 7 5 2串联开关电源 1 基本原理 串联开关电源换能电路如图7 19所示 T为开关管 扼流圈L为储能电感 VD为续流二极管 电容C2起平滑滤波作用 1 结构 2 原理 串联开关电源应用举例L4970A是SGS Thomson公司推出的第二代单片开关式稳压器 内含开关功率管 属于低压直流电源变换器 适于低压 5 1 40V 大中功率 400W以下 大电流 1 5 10A 也可通过外电路进行扩流 开关电源 T饱和导通时 UI给电感L储能 同时L中产生的自感电动势使VD截止 T截止时 L的自感作用使自感电动势极性立即改变 VD导通 L通过VD释放能量向电容C2充电 并同时向负载供电 当T再次饱和导通时 L储能 VD反向截止 电容C2释放能量向负载供电 这样负载上获得连续的能量 即T导通期间 L储能 由储能电容C2向负载供电 T截止期间 L释放能量对C2充电 同时向负载供电 L C2同时具备滤波作用 使输出波形更加平滑 7 5 3并联开关电源 1 基本构成 并联开关电源换能电路如图7 21 a 所示 从图中可看出储能电感与负载及输入电压是并联的 1 构成 2 原理 在实际应用中 为了防止交流电源与电子设备整机地板带电 则在储能电感L上加次级绕组形成一个变压器 来实现电气隔离 如图7 21 b 所示 在许多电子设备开关电源中获得广泛应用 2 并联开关电源应用举例 交流220V电压经过3A 600V的桥堆整流和R1限流电阻 C1电容滤波 得到大约 300V的直流电压 刚启动开关电源时 300V直流电压经过R2降压后加至UC3842的 脚UI电源端 利用C2的充电过程 使UI逐渐升至 16V以上 也就实现了软启动过程 一旦开关功率管转入正常工作状态 自馈线圈N2上所建立的高频电压经过VD1 C2整流滤波后 为芯片提供工作电压 300V的直流电压被高频开关变压器Tr斩波和降压 变成频率为几十kHz的矩形波电压 再经过高频整流 滤波 输出所需的直流电压 即具体斩波过程要受控于集成电路UC3842 脚输出的开关脉冲信号 控制功率MOSFET IRFPG407 的导通与截止 来完成斩波 产生频率高 幅度大的开关脉冲 经过开关变压器Tr的降压耦合 VD4 C10 高频整流滤波得到 5V的直流电压 1 工作原理分析 UC3842属于电流控制型脉宽调制器 一方面把自馈线圈的输出电压UI反馈给误差放大器 在内部与基准电压进行比较之后 得到误差电压经衰减为Ur 另一方面初级线圈中的电流在取样电阻R10上建立的电压 直接加到过流检测比较器的同相输入端 与Ur作比较 进而控制输出脉冲的占空比 去控制开关管的导通时间 Ton 和关断时间 Toff 以决定开关变压器的通 断状态 达到输出电压稳定的目的 同时使流过开关功率管的最大峰值电流IPM始终受误差电压Ur的控制 在UC3842内部 基准电压源产生 5 0V的电压 一是供振荡器使用 二是衰减成 2 5V 作为基准信号 接至误差放大器 三是向内部的其它电路提供工作电源 5 0V的基准电压经过定时电阻R6给定时电容C6充电 然后C6再经过芯片内部电路进行放电 UC3842 脚得到锯齿波电压 其振荡频率的公式为 UC3842的最高工作频率为500kHz 但一般不要超过250kHz 以免造成工作不稳定 对于开关功率管采用MOSFET时 fosc可取20kHz 250kHz 对于开关功率管采用双极型功率管时 fosc不得超过40kHz 7 13 UC3842具有限流保护作用 将IPM限制在1 18A 其中R10为过流检测电阻 当过流时 只要R10上的压降达到1V 就会使集成电路内部过流检测比较器翻转 输出变成高电平 将PWM锁存器置零 使脉冲调制器处于关闭状态 从而实现过流保护 R9和C7用来构成阻容滤波器 UC3842输入欠压锁定电路的开启电压为16V 关断电压为10V 仅当UI 16V时 它才能启动 此时工作电流约为1mA 自馈电后变成15mA 当输入关断时 开关功率管自行关断 R1用来限制C1的充电峰值电流 C3 C5为消噪电容 R7是MOSFET功率管的栅极限流电