模拟电子技术 课件 第8章 直流电源

敬业创新勤奋求实模拟电子技术第8章直流电源8.1直流电源的组成、主要性能指标及分类8.2电源设计常用软件介绍8.3直流电源各组成部分的工作原理

及元器件选择8.4手机充电器简介

8.1直流电源的组成、主要性能指标及分类降压电路：变压器将220V市电降为有效值低的交流电整流电路：利用二极管的单向导电性将交流电变为脉动

直流电滤波电路：利用电容和电感的充电放电，滤除整流后脉动

直流电中的交流成分，使之变成平滑的直流电。稳压电路：当输入电压、负载和温度变化时，维持输出电

压的稳定。1.特性指标（1）允许的输入电压及其变化范围（2）输出电压及其调节范围（3）额定输出电流（正常工作时的最大输出电流）（4）过电流、过电压和过热保护值8.1直流电源的组成、主要性能指标及分类（2）电压调整率（3）电流调整率（4）输出电阻（5）温度系数（6）纹波电压（7）纹波抑制比PSRR

8.1直流电源的组成、主要性能指标及分类2.质量指标（1）稳压系数功能效果：开关电源、UPS电源（不间断电源）、线性电源、

逆变器、变频器等功率变换：电源可以分为AC/DC（交流转直流）、AC/AC

（交流转交流）、DC/AC（直流转交流）和DC/DC

（直流转直流）四大类。8.1直流电源的组成、主要性能指标及分类应用领域：计算机电源、通信电源、载车电源、航空电源、卫星

电源等。

功

能：稳压电源和开关电源，其中稳压电源又可分为线性稳压电

源和脉冲稳压电源。

输出电压：低压电源和高压电源。

特殊类型：安防电源、医疗电源、军用电源、航空航天电源、激

光电源等。8.2电源设计常用软件介绍Simplis：高性能电源仿真软件，广泛应用于各类电源设计。

操作简单，容易上手，且仿真波形与实际非常接近，非

常适合用来学习开关电源的仿真软件。SPICE：模拟电路仿真软件，主要用于大规模集成电路的计算机

辅助设计，也是电源电路设计中的一个重要工具。WEBENCH：在线电源设计工具，由德州仪器（TI）官方提供。

它支持DC-DC和AC-DC方案的设计，该工具以TI的集成

电路为模型，用户可以直接在线上进行电源设计，非常

便捷，但关键芯片必须用TI公司的。以WEBENCH电源设计为例，注册步骤参考网页/article/373250.html例：现要求设计一款由220V，50Hz电网供电的直流电源，要求输出电压为15V，输出电流为0.3A。1.登陆网址：/power-designer/，选择AC/DCPowerDesigns，点击下面STARTDESIGN。8.2电源设计常用软件介绍

8.2电源设计常用的软件介绍2.Input（Supplytypeis选择AC，VinRMSMin220V，VinRMSMax230V主要是考虑电网电压的波动。Frequencyis50Hz），Output（Vout15V，IoutMax0.3A），DesignParameters（MaxAmbientTemp，即最大环境温度选择40°C），点击VIEWDESIGNS，出来了103种可选方案。

8.2电源设计常用的软件介绍3.点击选中的方案，原理图、物料清单和相关图表就会自动呈现出来，可以下载相关文档。8.3直流电源各组成部分的工作原理及元器件选择电源设计，主要技术指标：（1）输入交流电压220V，频率50Hz，允许电压上下波动10%；（2）输出直流电压1.5~15V连续可调；（3）输出电流IOm=0.5A，纹波电压∆UOP-P≤5mV；（4）稳压系数Sr=3×10-3

；（5）电路具有过流、过压和过热保护功能。8.3直流电源各组成部分的工作原理及元器件选择（1）变压器T将（220V，50Hz）的交流电变成（18V，50Hz）

的交流电（2）VD1~VD4构成桥式整流电路，将交流电变成脉动直流电；（3）C1为滤波电容，C2的作用是滤除高频谐波；（4）VD5、LM317、VD6、C3、R1、Rp、C4

构成输出电压可调稳压电路，C3

是减小纹波电压的滤波电容，C4

的作用是防止输出端呈容性负载时可能会出现的自激现象，VD5和VD6是保护二极管。8.3.1降压电路1.

变压器T（Transformer）查阅LM317资料，输出端2引脚电压比输入端3引脚电压高3V~40V，这里选高6V，即U3=21V，变压器二次绕组的电压U2≈U3/1.2=21V/1.2=17.5V，U2取18V。8.3.1降压电路变压器二次绕组的电流有效值I2≈（1.5~2）IO，取1.8倍，则

I2=1.8IOm=1.8×0.5A=0.9A变压器的容量

P=U2I2=18V×0.9A=16.2V·A。考虑效率，16.2V·A/0.7≈23.14V·A，变压器容量可选25V·A。8.3.1阻容降压电路2.阻容降压电路必须注意：电容C的耐压值一般要大于400V，必须是无极性电容，不能使用电解电容。阻容降压电路：利用电容和电阻组成的电路进行降压，体积小、成本低，但稳定性较差，一般用于小电流、非隔离、抗干扰性较差的场合。

多用于小型电子设备，如LED灯、电视遥控器、电子玩具、电蚊拍、冰箱温控器、电饭煲等。R1为限流电阻，R是泄放电阻，它的作用是当断电后释放电容C的电荷，保证断电后的安全。输出电流一般小于100mA。8.3.1阻容降压电路

根据表8.3.2和表8.3.3，可得到泄放电阻R的值，参考文献【阻容降压电路原理与详细设计步骤，阻容降压电源的节能灯】/video/BV1Kt4y1n7bP/?share_source=copy_web&vd_source=a3efb7ae609ec5e63697ebfd6e313569

很显然，本例的直流电源，由于输出电流是0.5A，远大于100mA，不适合采用阻容方式降压。8.3.2桥式整流电路整流二极管的反向峰值电压最大整流电流考虑电网电压10%的波动，则为安全可靠工作，需留有2倍的裕量，取

63.2V整流二极管的最大整流电流可选择IN4002（

，

）每个二极管半个周期导通，流经二极管的平均电流是输出电流的一半8.3.2二倍压整流电路正半周，VD1导通，VD2截止，C1充电，UC1=U2负半周，VD2导通，VD1截止，C2充电，UC2=2U28.3.2多倍压整流电路（1）u2正半周，VD1导通，其他二极管截止，C1充电，UC1=U2（2）u2负半周，VD2导通，其他二极管截止，C2充电，UC2=2U2（3）u2正半周，VD3导通，其他二极管截止，C3充电，UC3=2U2（4）u2负半周，VD4导通，其他二极管截止，C4充电，UC4=2U2依次类推：UC5=UC6=2U2

U21=2U2，U75=3U2，U31=4U2，U85=5U2，U41=6U2，C3充电C4充电8.3.3滤波电路一、电容滤波电路

一般均采用大容值电解电容，需注意电解电容的正负极。利用电容的充放电，使输出电压趋于平滑。电容滤波只适用于负载电流比较小或负载电流基本不变的场合。8.3.3电容滤波电路电容C1充电，电容C1放电u2正半周期

u2负半周期

电容C1再次充电放电8.3.3电容滤波电路输出电压平均值UO(av)与C1和RL有关RL对滤波效果影响也非常大，为了获得良好的滤波效果，一般要求：f为信号经过整流后的频率，f=100Hz工程上一般要求：考虑稳压系数：8.3.3滤波电路二、其他形式的滤波电路8.3.4稳压电路

交流电网、环境温度、负载对输出直流电压有影响，整流滤波电路后面须接稳压电路。(b)典型应用电路8.3.4稳压电路C2：减小输入线阻抗的影响C3：减小纹波电压C4：防止输出端呈容性负载时可能会出现的自激振荡。VD1和VD2：防止电容在输入输出端发生短路时通过芯片放电而

损坏器件。8.3.4稳压电路（2）

三端固定输出集成稳压器正电源：CW7800或LM7800系列负电源：CW7900或LM7900系列输出电压由最后两个数字代表，有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等。额定输出电流以78或79后面所加的字母表示，L表示0.1A，M表示0.5A，无字母表示1.5A。CW78M15：输出电压15V，额定输出电流为0.5A。注意7800系列和7900系列的接地端和输入端不同。8.3.4稳压电路①

基本应用电路Cin：抵消输入端较长接线的电感效应，防止自激振荡CO：消除高频噪声VD：防止输入端短路时CO通过稳压器放电而损坏器件7800系列要求UI大于输出电压UO（2.5~3）V8.3.4稳压电路②

提高输出电压8.3.4稳压电路③

增大输出电流(忽略IQ)8.3.4稳压电路④电流源电路8.3.4稳压电路⑤

输出正、负电压的电路

AMS1117系列主要应有于输出电压小于等于5V的场景，输出电压有1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.3V、5V。这类低电压稳压器在智能穿戴设备、微处理器、电池管理系统中应用较多，其应用电路可以参考数据手册。8.3.4稳压电路

线性稳压电路：稳定性好、纹波小、结构简单，性能可靠，但芯片内部调整管工作在线性区，管压降比较大，管耗大，效率低，需要散热装置。

开关型稳压电路：调整管工作在饱和和截止状态，通过脉宽控制电路调节调整管的导通时间实现稳压。效率可达70%~95%，功耗小、重量轻、体积小，但纹波较大，对电子设备的干扰大，电路设计复杂，对元器件要求高。适用于大功率且负载固定、输出电压调节范围不大的场合。在很多领域得到了广泛应用。2.开关稳压电路8.3.4串联型开关稳压电路（1）

串联型开关稳压电路（BUCK电路）

也称降压斩波电路、降压型变换器或BUCK电路，开关管与负载RL串联，输出电压UO小于输入电压UI。VT为调整管，L、C构成滤波电路，VD是续流二极管PWM电路：R1、R2取样电路；A为电压比较器；C为误差放大器；它们与基准电压源和三角波发生器组成开关调整管的控制电路PWM（PulseWidthModulation）8.3.4串联型开关稳压电路工作原理：C将uF与uREF差模放大，输出电压uA送入比较器A的同相输入端。三角波uT送入比较器A的反相输入端。当uA>uT输出高电平，uA<uT输出低电平，uB控制调整管VT的导通与截止。当uB为高电平，VT饱和导通，uE≈UI，VD反偏截止，L储能，C充电，uE通过L向RL提供电流。当uB为低电平，VT截止，uE≈0，L释放能量，使VD导通，C放电，RL电流方向不变。8.3.4串联型开关稳压电路

调整管VT工作在开关状态，由于续流二极管VD的续流作用和L、C的充放电，仍然可以获得平稳的直流电压输出。

输出电压的平均值调节占空比q可调节输出电压。8.3.4串联型开关稳压电路LM2576（最高输入电压40V）、LM2576HV（最高输入电压60V）二个系列。各系列产品均提供有3.3V（-3.3V）、5V（-5V）、12V（-12V）、15V（-15V）及可调（ADJ）等5个电压档次产品。固定输出可调输出8.3.4并联型开关稳压电路（2）并联型开关稳压电路（BOOST电路）工作原理：称升压斩波电路、升压型变换器或BOOST型电路。开关管与负载RL并联，输出电压UO>UI调整管VT截止调整管VT饱和导通8.3.4并联型开关稳压电路当