《模拟电子技术与应用》-第7章

７．１直流稳压电源的组成框图通常直流稳压电源的组成框图如图7.1.1

所示，表示把交流市电变换为直流电的过程。电源变压器：将电网交流电压（２２０Ｖ或３８０Ｖ）变换为符合整流电路所需要的交流电压，并满足功率输出指标。整流电路：利用整流元件将交流电压变换为单向脉动的直流电压。下一页返回７．１直流稳压电源的组成框图滤波电路：利用电容、电感等储能元件来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分，使之成为比较平滑的直流电压。稳压电路：当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。上一页返回７．２单相整流滤波电路7.2.1单相整流电路小功率整流电路利用二极管的单向导电性将交流电变为直流电。因为功率比较小，通常采用单相交流供电。对于大功率整流电路，利用三相整流电路来实现。本节只讨论单相半波整流电路和单相桥式整流电路。１．单相半波整流电路单相半波整流电路如图7.2.1（ａ）所示，图中Ｔｒ为电源变压器，用来将市电２２０Ｖ交流电压变换为整流电路所要求的交流低电压，同时保证直流电源与市电电源有良好的隔离。下一页返回７．２单相整流滤波电路

设变压器二次电压为D为整流二极管，假设它为理想二极管。ＲＬ为要求直流供电的负载等效电阻。当ｕ２为正半周（０≤ωｔ≤π）时，二极管Ｄ因正偏而导通，流过二极管的电流ｉＤ同时流过负载电阻ＲＬ，即ｉｏ＝ｉＤ，负载电阻上的电压ｕｏ≈ｕ２。当ｕ２为负半周（π≤ωｔ≤２π）时，二极管因反偏而截止，ｉｏ＝０，因此，输出电压ｕｏ＝０，此时，ｕ２全部加在二极管两端，即二极管承受反向电压ｕＤ＝ｕ２。上一页下一页返回７．２单相整流滤波电路

波形如图7.2.1（ｂ）所示，输出电压ｕｏ为单方向的脉动电压。由于该电路在ｕ２的正半周有输出，所以称为半波整流电路。半波整流电路输出电压的平均值Ｕｏ（ＡＶ）为：上一页下一页返回７．２单相整流滤波电路

二极管承受的反向峰值电压ＵＲＭ为：半波整流电路结构简单、使用元件少，但整流效率低、输出电压脉动大，因此它只适用于要求不高的场合。２．单相桥式整流电路为了克服半波整流的缺点，常采用桥式整流电路，如图7.2.2（ａ）所示，Ｄ１～Ｄ４４个整流二极管接成电桥形式，故称为桥式整流其简化电路如图7.2.2（ｂ）所示。上一页下一页返回７．２单相整流滤波电路

7.2.2滤波电路由单相半波整流电路演变到桥式整流电路，虽然输出电压的脉动系数减少了，但是脉动电压中仍有较大的交流成分（称为纹波电压），因而不能保证电子设备的正常工作。于是，常采用电感、电容等储能元件进行滤波，减少输出电压的脉动系数，使其更加平滑。本节重点分析电容滤波电路。１．电容滤波电路图7.2.5（ａ）是在桥式整流电路输出端与负载电阻ＲＬ并联一个较大的电容Ｃ，成为电容滤波电路。上一页下一页返回７．２单相整流滤波电路

２．其他形式的滤波电路１）电感滤波电路在大电流负载情况下，由于负载电阻ＲＬ很小，若采用电容滤波电路，则电容的容量势必很大，且整流二极管的冲击电流也非常大。这时可采用电感滤波电路，如图7.2.7（ａ）所示。当二极管导通，通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势将阻止电流的增加；当二极管截止，通过电感线圈的电流减小时，自感电动势将阻止电流减小。因此，电感滤波电路的输出电流及电压波形变得平滑，纹波减小，同时还使整流二极管的导通角增大。上一页下一页返回７．２单相整流滤波电路

从整流电路输出的电压中，直流分量由于电感线圈近似于短路而全部加到负载ＲＬ两端，所以，电感滤波电路输出电压的平均值Ｕｏ（ＡＶ）＝０．９Ｕ２。交流分量由于Ｌ的感抗远大于负载电阻ＲＬ而大部分降在电感线圈上，负载ＲＬ上只有很小的交流分量。可见，ＲＬ越小，输出的交流电压也就越小。电感线圈后面还可再接上一个电容，可进一步减少交流电压。一般电感滤波适用于低电压、大电流的场合。上一页下一页返回７．２单相整流滤波电路

２）π形滤波电路为了进一步减小负载电压中的纹波，可采用图7.2.8（ａ）所示的π形ＬＣ滤波电路。由于电容Ｃ１、Ｃ２对交流的容抗很小，而电感Ｌ对交流的阻抗很大，因此负载ＲＬ上的纹波电压很小。若负载电流较小，也可用电阻代替电感组成π形ＲＣ滤波电路，如图7.2.8（ｂ）所示。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。上一页返回７．３线性集成稳压器7.3.1串联型稳压电路的工作原理串联型稳压电路的组成框图如图7.3.1（ａ）所示，它由调整管、取样电路、基准电压源和比较放大电路等部分组成。由于调整管与负载串联，故称为串联型稳压电路。图7.3.1（ｂ）所示为串联型稳压电路的原理电路图，图中，Ｖ为调整管，它工作在线性放大区，故电路又称为线性稳压电路。Ｒ３和稳压管Ｄ组成基准电压源，为集成运放Ａ的同相输入端提供基准电压。Ｒ１、Ｒ２和ＲＰ组成取样电路，它将稳压电路的输出电压分压后送到集成运放Ａ的反相输入端。下一页返回７．３线性集成稳压器

集成运放Ａ称为比较放大电路，用来对取样电压与基准电压的差值进行放大。当输入电压ＵＩ增大（或负载电流ＩＯ减小）引起输出电压ＵＯ增加时，取样电压ＵＦ随之增大，ＵＺ与ＵＦ的差值减小，经Ａ放大后使调整管的基极电源ＵＢ１减小，集电极电流ＩＣ１减小，管压降ＵＣＥ增大，输出电压ＵＯ减小，从而使得稳压电路的输出电压上升趋势得到抑制，稳定了输出电压。同理，当输入电压ＵＩ减小或负载电流ＩＯ增大引起ＵＯ减小时，电路将产生与上述相反的稳压过程，亦可维持输出电压基本不变。上一页下一页返回７．３线性集成稳压器

由图7.3.1（ｂ）可得：上一页下一页返回７．３线性集成稳压器

7.3.2三端固定输出集成稳压器１．型号与内部电路的组成三端固定输出集成稳压器通用产品有ＣＷ７８００系列（正电源）和ＣＷ７９００系列（负电源）。输出电压由具体型号中的后两个数字代表，有５Ｖ、６Ｖ、９Ｖ、１２Ｖ、１５Ｖ、１８Ｖ、２４Ｖ等挡次。其额定输出电流以７８或（７９）后面所加字母来区分。Ｌ表示０．１Ａ，Ｍ表示０．５Ａ，无字母表示１．５Ａ。例如，ＣＷ７８Ｍ１２表示输出电压为＋１２Ｖ，额定输出电流为０．５Ａ。上一页下一页返回７．３线性集成稳压器

图7.3.2所示为ＣＷ７８００和ＣＷ７９００系列塑料封装和金属封装三端集成稳压器的外形及引脚排列。图7.3.3所示为ＣＷ７８００系列集成稳压器的内部组成框图。可见除增加了一级启动电路外，其余部分与上面所述串联稳压电路基本一样，其基准电压源的稳定性更高，保护电路更完善。启动电路是集成稳压器中的一个特殊环节，它的作用是在ＵＩ输入后，帮助稳压器快速建立输出电压ＵＯ。调整电路由复合管构成。取样电路由内部电阻分压器构成，分压比是固定的，所以输出电压是固定的。上一页下一页返回７．３线性集成稳压器

ＣＷ７８００系列稳压器中设有比较完善的过流、过压和过热保护功能。当输出过流或短路时，过流保护电路启动以限制调整管电流的增加；当输入、输出压差较大时，即调整管Ｃ、Ｅ之间的压降超过一定值后，过压保护电路启动，自动降低调整管的电流，以限制调整管的功耗，使之处于安全工作区内；当芯片温度上升到最大允许值时，过热保护电路将迫使输出电流减小，芯片功耗随之减少，从而可避免稳压器过热而损坏。上一页下一页返回７．３线性集成稳压器

尽管三端稳压器内部有较完善的保护电路，但任何保护电路都不是万无一失的。为了使稳压电路安全可靠地工作，实际使用中应注意稳压器的３个端子不能接错，特别是输入端和输出端不能接反，否则器件就会损坏；不能使器件功耗超过规定值（塑料封装管加散热器最大功耗为１０Ｗ，金属壳封装管加散热器最大功耗为２０Ｗ）；当稳压器输出端接有大容量负载电容时，应在稳压器输入端与端出端之间加接保护二极管，如图7.3.4

所示。上一页下一页返回７．３线性集成稳压器

7.3.3三端可调输出集成稳压器三端可调输出集成稳压器是在三端固定输出集成稳压器的基础上发展起来的，集成片的输入电流几乎全部流到输出端，流到公共端的电流非常小，因此可以用少量的外部元件方便地组成精密可调的稳压电路，应用更为广泛和灵活。典型产品ＣＷ１１７／ＣＷ２１７／ＣＷ３１７系列为正电压输出，负电源系列有ＣＷ１３７／ＣＷ２３７／（ａ）ＣＷ１１７系列；（ｂ）ＣＷ１３７系列ＣＷ３３７等。上一页下一页返回７．３线性集成稳压器

同一系列内部电路和工作原理基本相同，只是工作温度不同，具体查阅器件手册。ＣＷ１１７及ＣＷ１３７系列塑料直插式封装引脚排列如图7.3.7

所示。ＣＷ１１７系列的内部组成框图如图7.3.8

所示。基准路有专门引出端子ＡＤＪ，称为电压调整端。因所有偏置电路的静态工作点电流都流到稳压器的输出端，没有单独引出接地端。当输入电压在２～４０Ｖ变化时，电路均能正常工作，输出端与调整端之间的电压等于基准电压１．２５Ｖ。上一页下一页返回７．３线性集成稳压器

基准电源的工作电流ＩＲＥＦ很小，约为５０μＡ，由一恒流源提供，所以它的大小不受供电电压的影响，非常稳定。可以看出，如果将电压调整端直接接地，在电路正常工作时，输出电压就等于基准电压１．２５Ｖ。图7.3.9为三端可调输出集成稳压器的基本应用电路，Ｄ１用于防止输入短路时，Ｃ４上存储的电荷产生很大的电流，反向流入稳压器使之损坏。而Ｄ２用于防止输出端短路时，Ｃ２通过调整端放电而损坏稳压器。Ｒ１、ＲＰ构成取样电路，调节ＲＰ可改变取样比，即可调节输出电压ＵＯ的大小。该电路的输出电压ＵＯ为：上一页下一页返回７．３线性集成稳压器

考虑到器件内部电路绝大部分的静态工作电流ＩＱ由输出端流出，为保证负载开路时电路工作正常，所以必须正确选择电阻Ｒ１，一般取标称值１２０Ω。上一页返回７．４开关稳压电源7.４.１概述１．开关稳压电源的优缺点线性集成稳压器中由于调整管必须工作在线性放大区，管压降比较大，同时要通过全部的负载电流，所以管耗大、电源效率低，一般不超过５０％。特别在输入电压升高、负载电流很大时，管耗会更大，不但电源效率很低，同时使调整管的工作可靠性降低，有时还需加装散热装置。下一页返回７．４开关稳压电源开关稳压电源的调整管工作在开关状态，依靠调节调整管的导通时间来实现稳压。由于调整管主要工作在截止和饱和两种状态，管耗很小，故使稳压电源的效率明显提高，可达８０％～９０％，而且这一效率几乎不受输入电压大小的影响，即开关稳压电源有很宽的稳压范围。由于效率高，故电源体积小、重量轻。开关电源技术发展非常迅速，使用也越来越广泛。开关稳压电源的主要缺点是输出电压中含有较大的纹波。上一页下一页返回７．４开关稳压电源２．开关稳压电路的分类按调整管与负载连接方式，可分为串联型和并联型；按稳压的控制方式，可分为脉冲宽度调制型（ＰＷＭ）、脉冲频率调制型（ＰＦＭ）和混合调制，即脉宽－频率调制型；按调整管是否参与振荡，可分为自激式和他激式；按使用开关管的类型，可分为双极型三极管、ＶＭＯＳ管和晶闸管等。本节主要介绍采用双极型三极管的串联型开关稳压电路和并联型开关稳压电路的组成和工作原理。其他电路设计请参阅相关开关电源类资料。上一页下一页返回７．４开关稳压电源7.4.2开关稳压电源的基本工作原理１．串联型开关稳压电路图7.4.1所示为开关稳压电路的基本组成框图。图中，Ｖ为开关调整管，它与负载端串联；Ｄ为续流二极管，Ｌ、Ｃ构成滤波电路；Ｒ１和Ｒ２组成取样电路，Ａ为误差放大器，Ｂ为电压比较器，它们与基准电压、三角波发生器组成开关调整管的控制电路。误差放大器Ａ用以对来自输出端的取样电压ｕＦ与基准电压ＵＲＥＦ的差值进行放大，其输出电压连接到电压比较器Ｂ的同相输入端。上一页下一页返回７．４开关稳压电源三角波发生器产生一频率固定的三角波电压ｕＴ，它决定了电源的开关频率。ｕＴ连接到电压比较器Ｂ的反相输入端，当ｕＡ＞ｕＴ时，电压比较器Ｂ的输出电压ｕＢ为低电平。ｕＢ控制开关调整管Ｖ的导通和截止。其波形如图7.4.2（ａ）、（ｂ）所示。电压比较器Ｂ输出电压ｕＢ为高电平时，开关调整管Ｖ饱和导通，若忽略饱和压降，则ｕＥ＝ＵＩ，二极管Ｄ承受反向电压而截止，ｕＥ通过电感Ｌ向ＲＬ提供负载电流。电感中的电流ｉＬ随时间线性增长，Ｌ同时存储能量，当ｉＬ＞ＩＯ后继续上升，电容Ｃ即开始被充电，ｕＯ增大。上一页下一页返回７．４开关稳压电源电压比较器Ｂ输出电压ｕＢ为低电平时，开关调整管截止，ｕＥ＝０。因电感Ｌ产生相反的自感电动势，使二极管Ｄ导通，于是，电感中储存的能量通过Ｄ向负载释放，使负载ＲＬ中继续有电流通过，所以将Ｄ称为续流二极管。这时ｉＬ随时间线性下降，当ｉＬ＜ＩＯ后，Ｃ开始放电，ｕＯ略有下降。上一页下一页返回７．４开关稳压电源开关调整管的导通时间为ｔｏｎ，截止时间为ｔｏｆｆ，开关的转换周期为Ｔ，Ｔ＝ｔｏｎ＋ｔｏｆｆ，它决定于三角波电压ｕＴ的频率。忽略滤波电路电感的直流压降、开关调整管的饱和压降及二极管的导通压降，输出电压的平均值为：上一页下一页返回７．４开关稳压电源式中，Ｄ＝ｔｏｎ／Ｔ称为脉冲波形的占空比。由式（7.4.1）可见，调节Ｄ就可以改变输出电压平均值Ｕｏ（ＡＶ）的大小。图7.4.1所示电路也称为脉宽调制型开关稳压电路。２．并联型开关稳压电路并联型开关稳压电路，Ｖ为开关调整管，它与负载端并联，Ｄ为续流二极管，