模拟电子技术基础9直流稳压电源

1、10/15/2021 5:04:40 AM第9章 直流稳压电源10/15/2021 5:04:40 AM本章基本要求本章基本要求 掌握直流稳压电源的基本组成和工作原理，包括单相半波整流、滤波、串联反馈式稳压电路； 熟悉集成稳压器应用等； 了解开关式直流稳压电路及其工作原理等。 10/15/2021 5:04:40 AM9.1 概述概述 类 型 类 别 特 点交流稳压电源 自耦调整式稳压电源 机械调整式 结构简单，造价低， 输出波形失真小。 容易烧毁，电压调整速度慢。 自耦变压器式 电路简单，稳压范围宽，价格低。 稳压精度较低，工作寿命短。 大功率补偿式 抗干扰性能较好，稳压精度高、响应速度快，

2、电路简单。 输入电流失真度大，功率因数较低；输出电压可能影响输入电压的相移。 参数调整式稳压电源 结构简单，可靠性高，抗干扰能力强。 能耗较大、噪声大、造价较高。 开关型稳压电源(AC/AC) 稳压性能好，控制功能较强。 电路复杂，价格较高。 直流稳压电源 化学电源 小巧，灵活。 供电能力受限，污染环境。 线性电源 稳定性高，纹波小，可靠性高。 体积大，功耗大，转换效率低。 开关式电源 AC/DC 电源 体积小，重量轻，效率高，稳定可靠。 纹波较大。需要配以性能良好的低通滤波器。DC/DC 电源 通信电源 电台电源 模块电源 特种电源 10/15/2021 5:04:40 AM9.2 直流稳压

3、电源的基本组成及工作原理直流稳压电源的基本组成及工作原理 整流电路0t2u滤波电路0t3u稳压电路t04u9.2.1 直流稳压电源的组成直流稳压电源的组成 0tTr1utLR0oU图9-1 直流稳压电源组成框图1电源变压器Tr 2整流电路： 3滤波电路 4稳压电路 10/15/2021 5:04:40 AM9.2.2 单相整流滤波电路单相整流滤波电路 0tTr图9-2 单相半波整流电路DLRouoi(a) 半波整流电路(b) 输出电压波形1u2u9.2.2.1单相半波整流滤波电路单相半波整流滤波电路 0oo iu(b)t23ouoi假设变压器二次侧的电压为 tUtUusin2sin22m2 由

4、于二极管D具有单向导电性，只有当它的阳极电位高于阴极电位时才导通。 10/15/2021 5:04:40 AM 负载上得到的电压虽然是单方向的(极性一定)，但其大小仍然是变化的，这种电压称为单向脉动电压，通常用一个周期的平均值来表示它的大小。单相半波整流电压的平均值为 2220o45. 02)(sin221UUttdUU (9-1) 流过负载电阻LR电流的平均值为 L2Loo45. 0RURUI(9-2) 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 22mRM2UUU(9-3) 10/15/2021 5:04:40 AM9.2.2.2 单相桥式整流滤波电路单相桥式整流滤波电路 T

5、r图9-3 单相桥式整流电路图1DLRou(a)2D3D4D1u2uoi1单相桥式整流电路 单相桥式整流电路如图9-3a 所示。 1) 电路组成电路组成1DLRouoi(b)2D3D4D2uTr10/15/2021 5:04:40 AM2) 工作原理工作原理设设(a)tUusin222二极管二极管D1D4性能理想性能理想(b)uoTru1RLiD1D4+D1D3D2u2iD2ioab+10/15/2021 5:04:40 AM输入电压正半周时输入电压正半周时D1、D3导通，导通， D2、D4截截止止二极管二极管D1、D3电流电流二极管二极管D1、D3电压电压u2t022Ut0iD1iD3,L2

6、/2RUt0uD1uD3,22U10/15/2021 5:04:40 AM二极管二极管D2、D4电流电流二极管二极管D2、D4电压电压输入电压负半周时输入电压负半周时D1、D3截止，截止， D2、D4导导通通u2t022Ut0uD2uD4,22Ut0iD2iD4,L2/2RU10/15/2021 5:04:41 AM输入电压输入电压输出电压输出电压输出电流输出电流u2t022Uuot022UL2/2RUt0io10/15/2021 5:04:41 AM2桥式整流电路的性能指标桥式整流电路的性能指标 （1）输出电压oU一个周期内的平均值2220o9 . 022)(sin21UUttdUU(9-4

7、) 直流电流为 L2o9 . 0RUI （9-5） （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脉动系数Soom1UUS (9-6) （3）流过二极管的正向平均电流 DD2,4D1,3III21oIL245. 0RU= = (9-7) )6cos3524cos1522cos321 (222otttUu10/15/2021 5:04:41 AM（4）二极管承受的最大反向电压）二极管承受的最大反向电压RMU二极管在截止时管子承受的最大反向电压 2RM2UU (9-8) （5）输出电压纹波因数）输出电压纹波因数 oorUU2o2226o24o22oorUUUUUUUor 输出电

8、压中各次谐波电压有效值的总和输出电压中各次谐波电压有效值的总和Uo 输出电压的平均值输出电压的平均值对于全波整流电路对于全波整流电路483. 01)(2o22o2o22oorUUUUUUU10/15/2021 5:04:41 AM9.3 滤波电路滤波电路 滤波电路的作用是滤除整流电压中的纹波。常用的滤波电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。路有电容滤波、电感滤波、复式滤波及有源滤波。 9.3.1 电容滤波电路电容滤波电路 Tr1DLRouoI2D3D4D1u2u充电放电LC10/15/2021 5:04:41 AM1. 滤波原理滤波原理

9、 (1) 当当C = 0 (无滤波电容无滤波电容)时时输入电压输入电压输出电压波形输出电压波形23 4u2t022Uuo0234t22U输出电压输出电压2o9 . 0 UU 10/15/2021 5:04:41 AM(2) 当当C0、RL=时时Tr1Dou2D3D4D1u2u充电LC输出电压波形输出电压波形输入电压输入电压23 4u2t022Uuo0234t22U电容器的充电时间常数为电容器的充电时间常数为0o1Cr10/15/2021 5:04:41 AM(3) 当当C0、RL 时时Tr1DLRouoI2D3D4D2u充电放电LC输出电压输出电压输入电压输入电压23 4u2t022U0234

10、tuouC,22U电容器的充电时间常数电容器的充电时间常数0)/(oLo1CrCRruo =uc u210/15/2021 5:04:41 AM当当C充电到最高点时，充电到最高点时，C将通过将通过RL开始放电。开始放电。二极管二极管D1、D3将将截止，截止，输入电压输入电压23 4u2t022U输出电压输出电压O234tuouc,22U10/15/2021 5:04:41 AM电容器的放电时间常数电容器的放电时间常数由于由于 2较大，放电比较缓慢。较大，放电比较缓慢。CRL2输出电压输出电压23 4u2t022U0234tuouc,22U输入电压输入电压10/15/2021 5:04:41 A

11、M当当| |u2|uc时，时，C又又开始开始充充电，直到最大值。电，直到最大值。二极管二极管D2、D4导通，导通，输出电压输出电压23 4u2t022U0234tuouc,22U输入电压输入电压10/15/2021 5:04:41 AM输出电压波形输出电压波形C充电充电C放电放电D截止截止D导通导通0tou1t2t输入电压波形输入电压波形电流流通角电流流通角0tDi1t2t3toI4t电流波形电流波形10/15/2021 5:04:41 AM2. 性能参数的工程估算性能参数的工程估算 1) 电容滤波电路的外特性电容滤波电路的外特性C=0C小小C大大0.9U2uoio022Ua. 当当io一定时

12、，一定时，C越小，越小，Uo(AV)越小，纹波越大。越小，纹波越大。b.当当C一定时，一定时，io越大越大, , Uo(AV)越小。越小。)(ooifu 外特性外特性特点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。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。10/15/2021 5:04:41 AM2) 输出直流电压输出直流电压 2(AV)O)4 . 11 . 1 (UU若若LCR2)5(3T一般取一般取 2O(AV)2.1UU 3) 输出电流平均值输出电流平均值 L2L(AV)OO(AV)2 . 1RURUI10/15/2021 5:04:41 AM4) 整流二极管的

13、平均电流整流二极管的平均电流 (b) 二极管导通时，有冲击电流；二极管导通时，有冲击电流；其特点：其特点：(a) 比无滤波电容时的平均电流大；比无滤波电容时的平均电流大；二极管的平均电流二极管的平均电流放电时间常数越大，放电时间常数越大，越小，冲击电流越大。越小，冲击电流越大。(c) 冲击电流与二极管的导通角冲击电流与二极管的导通角( )有关。有关。oF)32(II (9-11) 5) 整流二极管的最高反向电压整流二极管的最高反向电压 2RM2UU10/15/2021 5:04:41 AM表9-3 几种整流电路带电容滤波时的特性 10/15/2021 5:04:41 AM9.3.2 电感滤波电

14、路电感滤波电路 忽略电感器忽略电感器L的电阻时，负载上输出的平均电压的电阻时，负载上输出的平均电压和纯电阻和纯电阻(不加电感不加电感)负载相同，即负载相同，即 oU2U= 0.9 (9-12) 10/15/2021 5:04:41 AM9.3.3 复式滤波器复式滤波器 C C2 R C2 C1 L L C1 (a)(b)(c)图9-7 复式滤波电路(a) LC型滤波器(b) 型 LC 滤波器(b) 型 RC 滤波器10/15/2021 5:04:41 AM9.4 稳压电路稳压电路 9.4.1 并联型稳压电路并联型稳压电路 oimaxomaxZoZ) 32() 35 . 1 (UUIIUU10/

15、15/2021 5:04:41 AM9.4.2 串联反馈式稳压电路串联反馈式稳压电路 9.4.2.1 稳压电源的主要指标稳压电源的主要指标 uSrS（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 00iouoTIUUS(9-14) 工程常用稳压系数稳压系数rS表示直流稳压电源的性能 00iiooro/TIUUUUS(9-15) 10/15/2021 5:04:41 AM(2) 负载调整特性 负载调整特性IS定义为输出电压的相对变化量与输出电流变化量的比。 00oooITUIIUUS(9-16) (3) 输出

16、电阻 )( 00oooiTUIUR (9-17) (4) 温度系数 00oToiIUTUSC /mVo (9-18) 10/15/2021 5:04:41 AM9.4.2.2 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的组成与工作原理 iUoULRR（a）图9-10 串联稳压电路基本原理图 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9-10a所示。 iUoULRcer（b）Bu调整管调整管10/15/2021 5:04:41 AM如图9-11所示是串联反馈式稳压电路的组成框图。 图9-11 串联型稳压电路的组成框图+-AiUoULRTREFUFU1R

17、2RRZDBuCEu调整环节调整环节取样环节取样环节比较放大环节比较放大环节基准环节基准环节1电路组成电路组成 10/15/2021 5:04:41 AM2稳压原理稳压原理 iUCEu L)(R或或 FU OU Bu OUiU图9-11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。 ou212oFUFRRRUU10/15/2021 5:04:41 AM3输出电压输出电压uuuREFo1FAAUU在深度负反馈条件下 11uuFA

18、REF21uREFo)1 (URRFUU(9-19) 10/15/2021 5:04:41 AM4调整管参数选取原则调整管参数选取原则(1) ICMIomax(2) PCMo(max)CE(max)IU(3)CEO(BR)UCE(max)U10/15/2021 5:04:41 AM5限流保护电路限流保护电路正常正常工作区工作区0UOIOIOmax电路外特性电路外特性保护电路保护电路R+-UoRL+T1IB1T2IC2URUBIo比较放大环节比较放大环节I+Ui10/15/2021 5:04:41 AM(2) 当当Io增大增大, , T2导通。导通。IB1减小，限制了减小，限制了Io的增大。的增

19、大。(1) 当当Io较小时，较小时，URUBE2 , , T2截止，电路正常工作。截止，电路正常工作。限流保护电路限流保护电路工作原理工作原理10/15/2021 5:04:41 AM9.5 集成稳压器集成稳压器2. 2. 主要特点主要特点1. 1. 电路主要组成部分电路主要组成部分(1) (1) 串联反馈型线性稳压电路；串联反馈型线性稳压电路；(2) (2) 高精度基准电压源；高精度基准电压源；(3) (3) 过流、过热保护等电路。过流、过热保护等电路。(2) (2) 外接元件少；外接元件少； (1) (1) 工作可靠；工作可靠；(3) (3) 使用方便。使用方便。9.5.1 三端固定式集成

20、稳压器三端固定式集成稳压器 10/15/2021 5:04:41 AMTO-200 塑料封装图9-12 LM7800/LM7900引脚功能及封装图TO-3 金属封装LM7800INGNDOUTLM7800INGNDOUTLM7900 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，78 L00和是0.1 A，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。 外形图外

21、形图3. 3. 外形及特点外形及特点10/15/2021 5:04:41 AM4. 4. 分类分类按输出电压是否可调按输出电压是否可调固定式三端稳压器固定式三端稳压器可调式三端稳压器可调式三端稳压器1 输入端输入端3 输出端输出端2 公共端公共端78系列系列1 公共端公共端3 输出端输出端2 输入端输入端79系列系列10/15/2021 5:04:41 AM图913 LM7800系列集成稳压器内部电路iUoUBUFU启动启动电路电路基准基准电源电源调整调整环节环节比较比较放大放大过热过热保护保护限流限流保护保护减流减流保护保护采样采样环节环节5. 5. 7878内内部部电电路路10/15/20

22、21 5:04:41 AM6.三端集成稳压器的应用LM78052UoU1C2C3C4C图9-14 三端集成稳压电路的典型应用123LM79052UoU1C2C3C4C123INOUTGNDINOUTGNDDF 33 . 0F 1 . 0F 001F 202C2防止自激振荡防止自激振荡C3减小高频干扰减小高频干扰C1 、C4减小输出纹波减小输出纹波和低频干扰和低频干扰10/15/2021 5:04:41 AM扩大输出电流扩大输出电流UI+UOC1LM78+132C2R1TOI OICI式中式中1RBOIII 1BER1RUI OBII b bOCOIII 图中图中A6 . 01R IA4 . 0

23、B IA4C IA5O I若若b b =10， R1=0.5 , |UBE|=0.3V, 。则。则A1OI10/15/2021 5:04:42 AM9.5.2 三端可调式集成稳压器三端可调式集成稳压器 LM3172UoU1C2C3C4C图9-15 三端集成可调稳压电路的典型应用1231RwRINOUTADJ 402)1 (1wREFoRRUU(9-20) 其中 UREF=1.25V 10/15/2021 5:04:42 AMLM3172UoU1C2C3C4C图9-16 可调稳压器扩展电流的方法之一1231RwRINOUTADJ 4024RF 01k 51T2T3R2R 01F 01F 0.1F

24、 1D1I1BI1CI3DD5BS8550 .21 51*10/15/2021 5:04:42 AM9.5.3 基准电压源基准电压源 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2.5V36V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 阴极阳极参考121233V 42IUV 425 . 2oU1R2

25、R1T2TwRTL431TL431图9-17 基准集成电路TL431及其应用电路1I2I10k(a)(b) 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。 10/15/2021 5:04:42 AM9.6 开关式稳压电源开关式稳压电源 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

26、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。 10/15/2021 5:04:42 AM线性稳压电路的主要特点线性稳压电路的主要特点(1) 电压稳定度高；电压稳定度高；(2) 纹波电压小；纹波电压小；(3) 响应速度快；响应速度快；(4) 电路简单；电路简单；(5) 调整管的功耗大；调整管的功耗大；(6) 功率变换效率低。功率变换效率低。10/15/2021 5:04:42 AM9.6.1 开关式稳压电源的特点及分类开关式稳压电源的特点及分类 9.6.1.1 开关式稳压电源的特点开

27、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8095。 (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。 10/15/2021 5:04:42 AM9.6.1.2 开关式稳压电源的分类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(Pulse Width Modulation , PWM)、脉冲调频式(Pulse

28、Frequency Modulation , PFM)和混合调制式(PWM与PFM)三种。 10/15/2021 5:04:42 AM9.6.2 开关式稳压电源的基本工作原理开关式稳压电源的基本工作原理 9.6.2.1 降压型开关稳压电路的基本原理降压型开关稳压电路的基本原理 Uo+TuLUIIo+C1+T+iLC2 +iCuEDRLeonToffT开关管开关管续流二极管续流二极管控制脉冲控制脉冲储能电感储能电感滤波电容滤波电容10/15/2021 5:04:42 AMiUTDL2CLRoU 开关管T导通时的的等效电路LiTonuiUTD2CLRoUL开关管T截止时的的等效电路LiToffu控

29、制脉冲的特点：控制脉冲的特点： 来自反馈控制电路来自反馈控制电路,周期周期T恒定。恒定。Ui为为高电平高电平(Ton期间期间)时，时，T T饱和导通，饱和导通，IEUu D截止，截止，C C2 2充电、充电、L L储能；储能；Ui为为低电平低电平(Toff期间期间)时，时，T截止，截止， D导通，导通，C2、L放能。放能。10/15/2021 5:04:42 AM直流平均电压 ionioqUTTUU (9- 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。 (9-22) TTTTTqonoffonon 10/15/2021 5:04:42 AM工作波形 toffttt图图9-23 图图9-22中中uE(uD)、