电工学(第七版)-秦曾煌-课件-18.直流稳压电源

直流稳压电源电工学（第七版）·秦曾煌·第18章完整课件Contents本章内容结构从电源组成到整流、滤波、稳压，系统梳理直流稳压电源的核心电路模块与工作原理。01直流稳压电源组成概述电源系统的基本构成与各环节功能定位02整流电路交流到直流的转换原理与典型拓扑03滤波电路脉动直流的平滑处理与滤波器设计04稳压电路输出电压的稳定控制与调节机制Chapter01直流稳压电源组成概述从交流电网到稳定直流输出的四级变换体系CircuitArchitecture直流稳压电源的组成直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分级联组成，实现从交流市电到稳定直流输出的完整变换链，每一级承担特定的信号处理任务。电源变压器将电网220V/50Hz交流电压变换为所需的较低交流电压值，通过调整原副边匝数比实现；同时提供电气隔离功能，保障后续电路与高压电网的安全分离。Stage01整流电路利用二极管的单向导电特性，将交变电压转换为单向脉动直流电压；常见拓扑包括半波整流、全波整流和桥式整流三种基本形式。Stage02Filter+Regulator滤波与稳压滤波电路利用电容、电感等储能元件平滑脉动直流中的纹波分量，使输出电压趋于平稳；稳压电路在输入电压波动或负载变化时自动调节，维持输出电压恒定不变。Stage03–04DCPowerSupply·Waveform各级电压波形变换过程直流稳压电源的四级变换本质是对电压波形的逐步整形：从正弦交流到单向脉动，再到平滑直流，最终到恒定直流，每一级都在前一级的基础上进一步改善波形质量。01变压器输出标准正弦交流波形，幅值由匝数比决定，频率保持50Hz不变u₂50Hz正弦02整流输出单向脉动波形，仅保留正弦波正半周或全波整流绝对值，脉动频率翻倍u₃100Hz脉动03滤波输出带有残余纹波的近似直流，纹波大小取决于滤波元件参数与负载电流u₄残余纹波04稳压输出恒定直流输出，纹波系数可降至0.1%以下，满足精密电子设备供电要求Uo≤0.1%纹波CHAPTER02整流电路利用二极管单向导电性实现交流到直流的基本变换RectifierTopology单相半波整流电路单相半波整流是最简单的整流拓扑，仅用一个二极管实现交流到脉动直流的转换，但输出电压脉动大、变压器利用率低，实际工程中已很少采用，主要用于教学原理讲解。01工作原理正半周二极管导通，负载获得与输入同相的电压；负半周二极管截止，负载电压为零。02输出电压平均值Uo(AV)=√2/π×U₂≈0.45U₂，其中U₂为变压器副边电压有效值。0.45U₂03输出电流平均值Io(AV)=0.45U₂/RL，二极管承受最大反向电压UDRM=√2U₂。√2U₂04主要缺点脉动系数约1.57，二次侧含直流分量致铁芯饱和，变压器利用率仅约40.6%。40.6%RECTIFIERCIRCUIT单相全波整流电路全波整流利用中心抽头变压器和两个二极管，将正弦波的正负半周均转换为同向脉动直流，输出电压平均值较半波整流翻倍，脉动系数显著降低，但变压器结构复杂度增加。01变压器副边带中心抽头，两组等值电压分别驱动D₁和D₂，两个二极管交替导通中心抽头02输出电压平均值Uo(AV)=2√2/π×U₂≈0.9U₂，脉动频率为100Hz，两倍于电源频率0.9U₂03每个二极管承受最大反向电压UDRM=2√2U₂，是半波整流的两倍，对耐压要求更高2√2U₂04脉动系数S≈0.67，远优于半波整流的1.57，但仍需后续滤波电路进一步平滑S≈0.67RECTIFIERTOPOLOGY单相桥式整流电路桥式整流以四个二极管组成电桥，无需中心抽头变压器即可实现全波整流，兼顾了高输出电压和低二极管反向电压，是实际工程中应用最广泛的整流拓扑。01全波整流原理：正半周D₁、D₃导通形成通路，负半周D₂、D₄导通形成通路，负载电流方向始终一致，实现全波整流全波整流02输出特性：输出电压平均值Uo(AV)=0.9U₂，脉动频率100Hz，脉动系数S≈0.67，与全波整流相同Uo=0.9U₂03反向电压优势：二极管最大反向电压UDRM=√2U₂，仅为全波整流的一半，降低了器件选型难度和成本UDRM=√2U₂04工程应用：无需中心抽头变压器，变压器利用率高，体积小、成本低，广泛用于各类电源适配器中电源适配器桥式整流堆实物·四引脚封装ParameterComparison三种整流电路参数对比三种整流电路在输出电压、脉动特性和器件应力方面存在显著差异。桥式整流综合性能最优，是全波整流的工程化改进方案，而半波整流因效率低仅具教学意义。单相整流电路主要参数对比参数半波整流全波整流桥式整流Uo(AV)/U₂0.450.90.9脉动系数S1.570.670.67UDRM/U₂√2≈1.4142√2≈2.828√2≈1.414二极管数量124脉动频率50Hz100Hz100Hz变压器要求普通中心抽头普通桥式整流在输出电压与器件耐压之间取得最佳平衡，工程应用最广泛POWERELECTRONICS三相整流电路三相整流电路利用三相电源120°相位差的天然优势，多个二极管依次轮流导通，输出脉动频率远高于单相整流，特别适合大功率工业应用场景。三相半波整流三个二极管各接一相电源，每管轮流导通120°，结构简单但输出脉动相对较大。1.17U₂·150Hz三相桥式整流六个二极管组成全桥结构，每管导通60°，输出电压更高且脉动更小。2.34U₂·300Hz低脉动特性脉动系数远低于单相整流，无需大容量滤波电容即可获得较平滑的直流输出。平滑直流工业级应用广泛用于电镀、电解、直流电机驱动等大功率工业场合，满足高能量转换需求。数十~数百kWELECTRONICS·EXAMPLE桥式整流电路计算例题通过典型例题系统演示桥式整流电路各参数的计算方法，掌握从已知条件出发推导输出电压、电流及二极管选型参数的完整计算流程。01已知条件L桥式整流电路，变压器副边电压有效值U₂=20V，负载电阻RL=100Ω。副边电压20V负载电阻100Ω02输出电压与电流LUo(AV)=0.9×U₂=0.9×20=18V；Io(AV)=Uo/RL=18/100=180mA。输出电压18V输出电流180mA03二极管平均电流每对二极管轮流导通半周，平均电流为负载电流的一半：ID(AV)=Io(AV)/2=180/2=90mA。平均电流90mA导通方式半周04二极管反向电压最大反向电压UDRM=√2×U₂=1.414×20≈28.3V，选型时应留1.5–2倍安全裕量。最大反向电压28.3V选型裕量1.5–2×Chapter03滤波电路利用储能元件消除脉动直流中的纹波分量FILTERCIRCUIT电容滤波电路LLC≥(3-5)T/2时可获得良好的滤波效果。电容滤波利用电容的充放电特性平滑整流输出脉动，是最经济实用的滤波方式。滤波效果取决于时间常数RLC与脉动周期的比值，满足RLC≥(3-5)T/2时可获得良好的滤波效果。电解电容实物·圆柱形封装01工作原理整流电压峰值时电容充电至峰值，电压下降时电容向负载放电，减缓电压跌落速度02设计条件RLC≥(3-5)T/2，其中T为电源周期（0.02s），保证放电过程缓慢、纹波足够小03输出电压满足滤波条件时，Uo(AV)≈1.2U₂（桥式整流），较无滤波时的0.9U₂提升约33%04适用场景负载电流较小且变化不大的场合；大电流负载下电容体积过大，需改用其他滤波方式FILTERCIRCUIT电感滤波与复式滤波电路电感滤波利用电感对交流分量的高阻抗特性抑制纹波，适合大电流负载场景；复式滤波将电容与电感或电阻组合，实现更优的滤波性能，是高质量电源的常用方案。01电感滤波电感串联在整流输出与负载之间，利用XL=2πfL对脉动分量产生高阻抗，直流分量无损耗通过XL外特性优于电容滤波：输出电压随负载电流变化小，适合大电流、低电压的供电需求HIGHCURRENT缺点：电感体积大、重量重、成本高，且存在电磁干扰问题，一般不用于小功率电子设备EMI02复式滤波LC滤波：电感串联+电容并联，综合电感外特性优势与电容储能平滑优势，滤波效果显著优于单一元件LCLC-π型滤波：电容-电感-电容三级结构，纹波衰减更大，用于对纹波要求严格的精密仪器电源LC-πRC-π型滤波：用电阻替代电感降低成本和体积，适合小电流场合，但电阻上有直流压降损耗RC-πFilterCircuits各类滤波电路特性对比不同滤波电路在滤波效果、外特性、成本和体积方面各有优劣，工程选型需在纹波要求、负载特性和经济性之间权衡，电容滤波因简单高效成为最普遍的选择。常见滤波电路特性对比滤波类型输出电压主要特点适用场景电容滤波≈1.2U₂结构简单，空载电压高，外特性差小电流、负载变化小的场合电感滤波≈0.9U₂外特性好，体积大、成本高大电流、低电压负载LC滤波≈0.9U₂滤波效果好，体积和成本较大大电流且纹波要求高的场合RC-π型滤波略低于1.2U₂滤波效果好，电阻有直流压降小电流、纹波要求高的场合电容滤波应用最广，LC滤波效果最优，需根据负载电流和纹波要求综合选型CircuitDesign电容滤波电路设计例题通过工程设计例题演示电容滤波电路的完整设计流程，包括变压器副边电压计算、滤波电容容量选择和耐压等级确定三个关键步骤。01设计要求50Hz桥式整流电容滤波电路，输出电压Uo=24V，负载电流Io=100mA，电源频率50Hz。需确定变压器副边电压U₂和滤波电容C的规格参数。02计算U₂U₂=20V由Uo(AV)≈1.2U₂得U₂=24/1.2=20V；负载电阻RL=Uo/Io=24/0.1=240Ω03计算电容220μF由RLC≥5T/2得C≥5×0.01/(2×240)=104μF，取标称值220μF电解电容04电容耐压≥50VUC≥1.5Uo=36V，选用耐压50V的电解电容，留足安全裕量CHAPTER04稳压电路在输入波动与负载变化中维持恒定直流输出ANALOGCIRCUITFUNDAMENTALS稳压管稳压电路稳压管利用反向击穿区的恒压特性实现稳压，电路结构极其简单，但受限于稳压管功耗，仅适用于小电流、低精度场合，是理解稳压原理的入门电路。01电路结构：稳压管Dz反向并联在负载两端，限流电阻R串联在输入和负载之间，Uo≈UZ（稳压管击穿电压）Uo≈UZ02稳压原理：Ui↑→IZ↑→IR(=IZ+Io)↑→UR↑→Uo不变；Io↑→IZ↓→IR基本不变→UR不变→Uo不变恒压03限流电阻R的选取：需同时满足稳压管最小稳定电流IZmin和最大允许电流IZmax的约束条件IZmin~IZmax04局限性：输出电压固定（等于UZ）、输出电流小（通常<50mA）、效率低、稳压精度受温度影响大<50mA稳压二极管（齐纳二极管）实物·利用反向击穿特性实现恒压输出电路原理串联型稳压电路工作原理串联型稳压电路通过负反馈闭环控制调整管的管压降来维持输出电压恒定，由基准电压、采样电路、比较放大器和调整管四个核心环节组成。基准电压由稳压管Dz提供稳定的参考电压UREF，是整个稳压系统的精度基准。UREF采样电路电阻分压网络R₁、R₂取出输出电压的一部分UF=R₂/(R₁+R₂)×Uo，送入比较放大器。R₁·R₂比较放大差分放大器或运放将UF与UREF的差值放大，驱动调整管基极，形成深度负反馈。负反馈调整管功率三极管T串联在输入与输出之间，通过改变UCE补偿变化，Uo=UREF×(R₁+R₂)/R₂。UCE补偿OUTPUTVOLTAGEANALYSIS串联型稳压电路的输出电压计算串联型稳压电路的输出电压由基准电压和采样电阻分压比精确决定，通过调节分压电阻可实现输出电压的连续可调，但线性调整方式决定了效率上限受限于输入输出电压差。输出电压公式Uo=UREF×(R₁+R₂)/R₂，其中UREF为基准电压，R₁和R₂为采样分压电阻UREF输出电压调节将R₁或R₂改为可调电阻（电位器），即可在一定范围内连续调节Uo电位器调整管功耗PT=(Ui-Uo)×Io，效率η≈Uo/Ui，输入输出电压差越大效率越低η≈Uo/Ui设计要点Ui至少比Uo高2-3V以保证调整管工作在线性区，但压差过大会导致效率过低和散热困难2-3VINTEGRATEDCIRCUIT三端集成稳压器三端集成稳压器将完整的串联型稳压电路集成在单个芯片中，仅保留输入、输出和公共端三个引脚，内置过流、过热保护，是现代电子设计中最常用的稳压器件。7805三端稳压器·TO-220封装实物0178XX系列正电压输出，如7805（+5V）、7812（+12V）、7815（+15V），最大输出电流1.5A（标准封装）+5V0279XX系列负电压输出，如7905（-5V）、7912（-12V），与78XX配合可组成正负对称双电源供电-5V03使用要点输入端接0.33μF电容抑制高频自激，输出端接0.1μF电容改善瞬态响应，Ui需比Uo高2-3V2-3V04内置保护功能过流保护（限流）、过热保护（热关断）、安全工作区保护，大大提高了电路可靠性3×ANALOGIC·VOLTAGEREGULATOR可调三端集成稳压器LM317LM317是可输出正电压的可调三端稳压器，通过两个外接电阻设定输出电压，调节范围宽（1.25V-37V），是实验室电源和可调供电方案的核心器件。REF三端引脚：输入端（Input）、输出端（Output）和调整端（Adjust），内部基准电压UREF=1.25Vadjadj输出电压公式：Uo=1.25×(1+R₂/R₁)+Iadj×R₂，其中Iadj≈50μA通常可忽略电阻配置：R₁推荐取值240Ω（保证最小负载电流≥5mA），R₂用可调电阻实现1.25V至37V连续可调性能特点：最大输出电流1.5A，输入输出电压差需≥3V，内置过流、过热保护，纹波抑制比达80dBCIRCUITDESIGN集成稳压器典型应用电路集成稳压器通过简单的外围电路即可实现固定正/负电压输出和可调电压输出，正确配置去耦电容和散热措施是保证电路稳定可靠工作的关键。固定电压输出78XX系列典型接法：输入端接0.33μF去耦电容，输出端接0.1μF电容，公共端接地正负双电源：7815和7915配合使用，分别输出+15V和-15V，共地连接，为运放提供对称供电+15V/-15V可调电压输出LM317可调电路：R₁=240Ω接在输出和调整端之间，R₂用电位器接在调整端和地之间输出电压公式：Uo=1.25×(1+R₂/R₁)，当R₂=4.7kΩ时Uo≈25.8V，实现1.25-25V连续可调1.25–25V散热设计加装散热片条件：当(Ui-Uo)×Io>1W时应加装散热片，TO-220封装不加散热片时最大功耗约2W温升与降额：散热片面积与温升成反比，环境温度高时需降额使用，保证芯片结温不超过150°CTj≤150°CSWITCHINGREGULATOR开关型稳压电路简介开关型稳压电路以高频开关方式控制能量传递，调整管工作在饱和或截止状态，效率可达85%-95%，远高于线性稳压器，已成为现代电源系统的主流技术方案。工作原理开关管以数十至数百kHz频率交替导通和截止，通过控制占空比D调节输出电压，Uo=D×Ui（Buck拓扑）Uo=D×Ui核心优势效率高达85%-95%，发热小、体积小（高频变压器和滤波元件可小型化），支持升压/降压/升降压多种拓扑85–95%主要缺点输出纹波较大，高频开关产生电磁干扰（EMI），电路复杂度和设计难度高于线性稳压器EMI典型应用手机快充充电器、笔记本电脑电源适配器、服务器电源、LED驱动电源、新能源车载充电机5+场景PowerSupplyDesign线性稳压与开关稳压对比线性稳压和开关稳压代表了两种截然不同的稳压策略，在效率、纹波、复杂度和应用场景上形成互补关系，工程实践中常将两者组合使用以兼顾效率和精度。核心特性对比特性线性稳压开关稳压调整管工作状态线性放大区开关状态（饱和/截止）效率40%-60%85%-95%输出纹波极低（mV级）较大（数十mV）电磁干扰(EMI)几乎无较大，需EMI滤波电路复杂度简单（3端器件）复杂（需电感/变压器）适用功率范围<10W数W至数kW典型应用精密仪器、音频、传感器充电器、PC电源、工业电源线性稳压适合低噪声小功率场景，开关稳压适合高效率大功率场景TECHNICALSPECIFICATIONS直流稳压电源的技术指标直流稳压电源的性能由稳压系数、输出电阻、纹波电压和温度系数四大核心指标衡量，它们分别反映电源对输入电压波动、负载变化、交流纹波和温度漂移的抑制能力。稳压系数Sr输入电压变化1%时输出电压变化的百分比，Sr越小稳压性能越好，优质电源Sr<0.01%<0.01%输出电阻RoΔUo/ΔIo，反映负载变化对输出电压的影响，理想值为0，实际值通常在mΩ级别mΩ级纹波电压输出直流中残余交流分量的有效值或峰峰值，一般要求<50mV（精密电源<5mV）<50mV温度系数ST温度每变化1°C引起输出电压的相对变化量，单位ppm/°C，高精度电源要求<50ppm/°C<50ppm/°CCOMPREHENSIVEDESIGNEXAMPLE直流稳压电源综合设计例题通过完整设计案例演示从技术指标出发，依次确定变压器参数、整流器件、滤波电容和集成稳压器的系统化设计方法，培养工程实践中的器件选型与参数计算能力。设计目标输出+12V/500mA直流稳压电源，采用桥式整流+电容滤波+7812三端稳压器方案，满足低纹波、高效率的供电需求。变压器选择7812要求Ui≥14.5V，取U₂=15V，功率容量≥15×0.5×1.2=9VA，选用12VA变压器，留足20%裕量。整流二极管ID(AV)=250mA，UDRM≈21.2V，选用1N4001（额定1A/50V），裕量充足，确保长期可靠工作。滤波电容C≥1000μF/25V电解电容；7812输入端0.33μF陶瓷电容+输出端0.1μF陶瓷电容，抑制高频噪声。EngineeringApplications直流稳压电源的工程应用直流稳压电源是几乎所有电子设备的供电基础，从消费电子到工业控制、从通信系统到新能源领域，电源技术的进步直接推动着整个电子产业的发展。消费电子手机充电器采用反激式开关电源，支持5V/9V/12V/20V多档自适应快充，功率密度持续提升笔记本电脑电源适配器输出19-20V/3-5A，内置PFC功率因数校正电路，效率>90%