开关型稳压电路

1、9.3 9.3 开关型稳压电路开关型稳压电路9.3.1 9.3.1 开关型稳压电路的工作原理开关型稳压电路的工作原理9.3.2 9.3.2 集成开关稳压器的应用集成开关稳压器的应用 串联反馈式稳压电路由于调整管工作在线性放大区，因此在负载电流串联反馈式稳压电路由于调整管工作在线性放大区，因此在负载电流较大时，调整管的集电极损耗较大时，调整管的集电极损耗 (PC= U UCEIO)相当大，电源效率较低（相当大，电源效率较低（40%60%），有时还要配备庞大的散热装置。为了克服上述缺点，可采，有时还要配备庞大的散热装置。为了克服上述缺点，可采用用开关开关式稳压电路，式稳压电路，该该电路中的调整管工

2、作在开关状态电路中的调整管工作在开关状态（饱和导通和截止饱和导通和截止）。由。由于管子饱和导通时管压降于管子饱和导通时管压降U UCES和截止时管子的电流和截止时管子的电流ICEO都很小，管耗主要发都很小，管耗主要发生在状态转换过程中，电源效率可提高到生在状态转换过程中，电源效率可提高到80%90%。它的造价低，体积。它的造价低，体积小。其小。其主要缺点是输出电压中所含纹波较大。主要缺点是输出电压中所含纹波较大。现在开关型稳压电源被广泛现在开关型稳压电源被广泛应用于各种电子电路之中。应用于各种电子电路之中。 开关电源按开关管连接方式分为：串联型、并联型和脉冲变压器开关电源按开关管连接方式分为：

3、串联型、并联型和脉冲变压器（高频变压器）耦合型。（高频变压器）耦合型。9.3.1 开关型稳压电路的工作原理开关型稳压电路的工作原理串联开关型稳压电源原理图如图串联开关型稳压电源原理图如图9-21所示。所示。 图中图中U UI I是未经稳压的的直流输入电压，晶体管是未经稳压的的直流输入电压，晶体管VT为开关管，为开关管，u uB B为矩形为矩形波，控制开关管的工作状态；波，控制开关管的工作状态；A1 1是是误差误差放大器；放大器；A2 2是电压比较器；电感是电压比较器；电感L和和电容电容C2 2组成滤波电路，组成滤波电路，VD为续流二极管；为续流二极管；R1、R2为为取样电路取样电路；它与；它与

4、基准电基准电压电路、误差放大器、三角波发生器和电压比较器组成驱动电路压电路、误差放大器、三角波发生器和电压比较器组成驱动电路。1. 开关管和滤波电路的工作原理开关管和滤波电路的工作原理 开关开关管管VT在电路中与负载电路呈串联结构在电路中与负载电路呈串联结构，其工作状态受其基极电，其工作状态受其基极电压压u uB B的控制。的控制。 当当u uB B为高电平时，开关管为高电平时，开关管VT工作于饱和导通状态，电流经调整管工作于饱和导通状态，电流经调整管流向电感，电感流向电感，电感L开始存储能量，电容开始存储能量，电容C2 2开始充电，二极管开始充电，二极管VD截止，此截止，此时，时，uE=UI

5、-UCESUI。 当当u uB B为低电平时，开关管为低电平时，开关管VT工作于截止状态，此时虽然开关管的工作于截止状态，此时虽然开关管的射极电流为零，但是电感射极电流为零，但是电感L开始释放能量，其感生电势使开始释放能量，其感生电势使二极管二极管VD导通，导通，给电感中的电流一个通路，所以这个二极管给电感中的电流一个通路，所以这个二极管VD称为续流二极管。同时电称为续流二极管。同时电容容C2 2开始放电，维持负载上的电流不变，此时，开始放电，维持负载上的电流不变，此时，uE= - -UD D0 0 。 当电路中当电路中L和和C2 2的取值足够大，可以保证在开关管截止期间，电感的的取值足够大，

6、可以保证在开关管截止期间，电感的能量不能放尽，输出电压含有的交流分量能被电容能量不能放尽，输出电压含有的交流分量能被电容C2 2滤除，此时电路的输滤除，此时电路的输出电压出电压u uO O和负载电流和负载电流i iL L均为连续均为连续的。图的。图9-22显示了电路中各点的波形，其中显示了电路中各点的波形，其中ton是调整管导通时间，是调整管导通时间，toff是截止时间，是截止时间，T是开关转换周期。是开关转换周期。 若将若将u uE视为直流分量和交流分量之和，在忽略滤波电感视为直流分量和交流分量之和，在忽略滤波电感L的直流压的直流压降的情况下，则输出电压平均值等于降的情况下，则输出电压平均值

7、等于u uE的直流分量，即的直流分量，即IonIoffDCESIonOqVTtVTtVVVTtV)()(定义定义q =ton/T图图9-22 开关稳压电源的电压、电流波形开关稳压电源的电压、电流波形 由由Uo式可知，当电路的输入电压波动或者电路的负载发生变化而引起输式可知，当电路的输入电压波动或者电路的负载发生变化而引起输出电压的变化时，如果能在出电压的变化时，如果能在U UO增大时，减小控制电压增大时，减小控制电压u uB的占空比或在的占空比或在U UO减减小时，增大小时，增大u uB的占空比，那么输出电压就可以获得稳定。的占空比，那么输出电压就可以获得稳定。 驱动电路的工作原理驱动电路的工

8、作原理是是：取样电路通过取样电路通过R1、R2对对U UO分压得到反馈电分压得到反馈电压压U UF F，基准电压电路输出稳定的电压，基准电压电路输出稳定的电压U UREF，两个信号之差经，两个信号之差经A1放大后，作为放大后，作为由由A2组成的电压比较器的阈值电压组成的电压比较器的阈值电压U UP P，将三角波发生器的输出，将三角波发生器的输出u uS S与与U UP P比较，比较，得到开关管的控制信号得到开关管的控制信号u uB。 当当U UO升高时，反馈电压升高时，反馈电压U UF F随之增大，与基准电压随之增大，与基准电压U UREF之间的差值减小，之间的差值减小，因而误差放大器因而误差

9、放大器A1的输出电压的输出电压U UP P减小，经电压比较器使减小，经电压比较器使u uB的高电平变小，占的高电平变小，占空比空比q q变小，因此输出电压随之减小，调节的结果令变小，因此输出电压随之减小，调节的结果令U UO基本不变。其调节控基本不变。其调节控制过程简述如下：制过程简述如下：2. 驱动电路的工作原理驱动电路的工作原理UOUFUP( UP=A1(VREF-UF) )DUOqVVAVVVVFREFPPFO)(1 当当U UO减小时，与上述变化过程相反。值得注意的是，负载电阻减小时，与上述变化过程相反。值得注意的是，负载电阻变化时会影响变化时会影响LCLC2 2滤波电路的滤波效果，因

10、而开关型稳压电路不适滤波电路的滤波效果，因而开关型稳压电路不适用于负载变化较大的场合。用于负载变化较大的场合。 由以上分析可知，通过调节控制信号的占空比来改变开关管的导通由以上分析可知，通过调节控制信号的占空比来改变开关管的导通时间时间ton，从而实现稳压的目的，但是开关管的开关周期，从而实现稳压的目的，但是开关管的开关周期T保持不变保持不变。这种这种控制方式称为脉冲宽度调制控制方式称为脉冲宽度调制(PWM，Pulse Width Modulation)。由此实现。由此实现稳压目的的开关电源，称为脉宽调制型开关型电源。稳压目的的开关电源，称为脉宽调制型开关型电源。 开关型稳压电源的最低开关频率

11、开关型稳压电源的最低开关频率fT一般在一般在10100kHz之间。之间。fT越高，需越高，需要使用的要使用的L、C2 2值越小值越小，这样，系统的尺寸和重量将会减小，成本将随之这样，系统的尺寸和重量将会减小，成本将随之降低。另一方面，开关频率的增加将使开关调整管单位时间转换的次数增降低。另一方面，开关频率的增加将使开关调整管单位时间转换的次数增加，使开关调整管的管耗增加，而效率将降低。加，使开关调整管的管耗增加，而效率将降低。9.3.2 集成开关稳压器的应用集成开关稳压器的应用 图图9-23是脉宽调制型串联开关型稳压电源电路。它的开关调整管与负是脉宽调制型串联开关型稳压电源电路。它的开关调整管

12、与负载串联，输出电压总是小于输入电压载串联，输出电压总是小于输入电压，故称为降压型稳压电路。，故称为降压型稳压电路。 开关管开关管VT的工作状态受的工作状态受PWM电路输出的矩形波电路输出的矩形波u uB B的控制。的控制。 当当u uB B为高电平时，为高电平时，VT饱和导通，饱和导通，U UI I通过通过VTVT给电感给电感L充电储能，充电电充电储能，充电电流几乎线性增大，二极管流几乎线性增大，二极管VD因承受反压而截止，滤波电容因承受反压而截止，滤波电容C对负载对负载RL L放电，放电，输出电压输出电压U UO O极性上正下负。极性上正下负。 当当u uB B为低电平时，为低电平时，VT

13、截止，截止，L产生感生电动势阻止电流的变化，其方向产生感生电动势阻止电流的变化，其方向在在L上是左负右正，使二极管上是左负右正，使二极管VD导通。导通。L上的感生电动势与上的感生电动势与U UI I相加后通过二相加后通过二极管极管VD对电容对电容C充电，同时有电流流过负载，负载电流的方向不变，输出电充电，同时有电流流过负载，负载电流的方向不变，输出电压压U UO O极性仍是上正下负。极性仍是上正下负。 由此可以看出，并联开关型稳压电路通过电感的储能作用，将感生由此可以看出，并联开关型稳压电路通过电感的储能作用，将感生电动势与输入电压相叠加后作用于负载，因而可以使电动势与输入电压相叠加后作用于负载，因而可以使U UO OUUI I（L足够大足够大时），故该电路也称为升压型稳压电路。时），故该电路