电路与模拟电子技术第9章 直流稳压电源.ppt

电子设备所需的直流电源，一般都是采用由交流电网供电，经“整流”、“滤波”、“稳压”后获得。所谓“整流”指把大小、方向都变化的交流电变成单向脉动的直流电，能完成整流任务的设备称为整流器。所谓“滤波”指滤除脉动直流电中的交流成分，使得输出波形平滑，能完成滤波任务的设备称为滤波器。所谓“稳压”指输入电压波动或负载变化引起输出电压变化时，能自动调整使输出电压维持在原值。本章将着重介绍单相桥式整流电路、电容滤波电路、串联型稳压电路、开关型稳压电路的原理和应用。第第9章章直流稳压电源直流稳压电源9.1.1整流电路整流电路1.电路组成单相桥式整流电路如图9.1（a）所示，图9.1（b）是其简化电路。（a）电路原理图（b）电路简化图图9.1单相桥式整流电路9.1整流和滤波电路整流和滤波电路2工作原理当u2(t)为正半周时，V1、V3正偏而导通，V2、V4反偏而截止。电流经V1RLV3形成回路，RL上输出电压波形与u2(t)的正半周波形相同，电流iL从b流向c。当u2(t)为负半周时，V1、V3截止，V2、V4导通，电流经V2RLV4形成回路，RL上输出电压波形是u2(t)的负半周波形倒相，电流iL仍从b流向c。所以无论u2(t)为正半周还是负半周，流过RL的电流方向是一致的。单相桥式整流的输出波形如图9.2所示。图9.2单相桥式整流电路输出波形 3参数估算sintdt因此，二极管最大整流应电流满足IFIL；最高反向工作电压应满足URMU2。例9.1如图9.1所示的单相桥式整流电路，若要求在负载上得到24直流电压，100mA的直流电流，求整流变压器次级电压U2，并选出整流二极管。解：IF=IL=50mAURM=U2=37.5V根据上述数据，查表可选出最大整流电流为100mA，最高反向工作电压为50V的整流二极管2CZ52B。1.工作原理首先电源对电容充电，当充到最大值时电容放电。由于充电时间常数比放电时间常数小很多，所以充电快，放电慢。在下一个周期电源电压高于电容电压时再次对电容充电，以后循环重复，波形如图9.4（b）所示。2.参数估算 UL1.2U2C(35)UC(1.52)U2式中T为电网交流电压的周期。滤波电路的主要元件是电容和电感，以电容滤波电路最常用，如图9.4所示。（a）原理图（b）波形图图9.4电容滤波电路9.1.2滤波电路滤波电路例9.2 已知单相桥式整流电容滤波电路如图9.4（a）所示。要求UL=12V，IL=100mA，电网工作频率为50Hz。试计算整流变压器次数电压有效值U2，并计算RL和C的值。解：VC(35)=(35)=(24.341.5)F UC(1.52)U2=1520V故：整流变压器次数电压有效值为10V，负载RL为1.2k，滤波电容器的参数为47F/25V。2.电容滤波的特点(1)滤波后的输出电压中直流分量提高了，交流分量降低了。(2)电容滤波适用于负载电流较小的场合。(3)存在浪涌电流。可在整流二极管两端并接一只0.01F的电容器来防止浪涌电流烧坏整流二极管。(4)RLC值的改变可以影响输出直流电压的大小。RL开路时，输出UL约为1.4U2；C开路时，输出UL约为0.9U2；若C的容量减小，则输出UL小于1.2U2。9.2.1并联型稳压电路并联型稳压电路并联型稳压电路如图9.6所示。图9.6并联型直流稳压电路9.2稳压电路稳压电路其稳压过程分述如下：当交流电网波动而RL未变动时，若电网电压上升，则UiULIZIURUL当电网未波动而负载RL变动时，若RL减小，则 ILIURULIZIURUL选择稳压管时，一般可按以下公式估算UZ=ULIZmax=(1.53)ILmaxUi=(23)UZ例9.3设电网波动引起整流滤波电路的输出电压变化10%，RL=1k，要求UL=10V，试确定图9.6中稳压电路元件的参数。解：(1)根据UZ=UL=10V得IL=10mA=ILmax由式IZmax=(1.53)ILmax，可查手册选择2CW17稳压管，其参数为：UZ=(910.5)V，IZ=5mA，PZ=250mW，IZmax=23mA，rz=25。(2)取Ui=25V，Ui变化10%时可算得Uimax=27.5VUimin=22.5V（3）求出限流电阻Rmin=0.76k Rmax=0.83k所以R的取值范围为0.76kR0.83k，其功率为：=0.41W故可选择标称值为820/0.5W的电阻器并联型稳压电路结构简单，但受稳压管最大电流限制，又不能任意调节输出电压，所以只适用于输出电压不需调节，负载电流小，要求不甚高的场合。1.电路组成串联型稳压电路如图9.7所示。电路由四部分组成。图9.7串联型稳压电路9.2.2串联型稳压电路串联型稳压电路(1)采样单元采样单元有R1、R2、和RP组成，与负载RL并联，通过它可以反映输出电压Uo的变化。(2)基准单元基准单元由限流电阻R3与稳压管V3组成。（3）放大单元放大单元由三极管V2组成。（4）调整单元调整单元由三极管V1组成，它是串联型稳压电路的核心元件。V1必须选择大功率三极管。2.工作原理串联型稳压电路的自动稳压过程按电网波动和负载电阻变动两种情况分述如下：UiUoUfUBE2IB2IC2UCE2UBE1IB1UCE1Uo RLUoUfUBE2IB2IC2UCE2UBE1IB1UCE1Uo当Ui或RL时的调整过程与上述相反。由上分析可知，这是一个负反馈系统。正因为电路内有深度电压串联负反馈，所以才能使输出电压稳定。串联型稳压电路的输出电压Uo，由采样单元的分压比和基准电压的乘积决定。因此调节电位器RP的滑动端子，可调节输出电压Uo的大小。Uo的调节范围为Uomax=Uomin=例9.4在图9.7中，设稳压管工作电压UZ=6V，采样单元中R1=R2=RP，试估算输出电压的调节范围。解：由式（9.14）可估算出Uomax=36=18VUomin=9V故：该串联型稳压电路的输出电压可在9V18V之间调节。串联型稳压电路中的放大单元也可由集成运放组成，如图9.8所示。图中用复合管代替了V1，以便扩大输出电流；基准电压UZ和采样反馈电压Uf分别接于集成运放的同相和反相输入端。其稳压过程为：UoUf(UZUf)UB2UB1Uo图9.8采用集成运放和复合调整管的串联型稳压目前，集成稳压器已达百余种，并且成为模拟集成电路的一个重要分支。它具有输出电流大，输出电压高，体积小，安装调试方便，可靠性高等优点，在电子电路中应用十分广泛。集成稳压器有三端及多端两种外部结构形式。输出电压有可调和固定两种形式：固定式输出电压为标准值，使用时不能再调节；可调式可通过外接元件，在较大范围内调节输出电压。此外，还有输出正电压和输出负电压的集成稳压器。稳压电源以小功率三端集成稳压器应用最为普遍。常用的型号有W78系列、W79系列、W317系列、W337系列。9.2.3三端集成稳压器三端集成稳压器1.固定输出的三端集成稳压器固定输出的三端集成稳压器的三端指输入端、输出端及公共端三个引出端，其外形及符号如图9.9所示。固定输出的三端集成稳压器W78系列和W79系列各有七个品种，输出电压分别为5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V；最大输出电流可达1.5A；公共端的静态电流为8mA。型号后两位数字为输出电压值。在根据稳定电压值选择稳压器的型号时，要求经整流滤波后的电压要高于三端集成稳压器的输出电压23V（输出负电压时要低23V），但不宜过大。(a)外形（b）符号图9.9固定输出三端集成稳压器的外形及符号(1)基本应用电路固定输出的三端集成稳压器的基本应用电路如图9.10所示。图中：C1用以抑制过电压，抵消因输入线过长产生的电感效应并消除自激振荡；C2用以改善负载的瞬态响应，即瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动。C1，C2一般选涤纶电容，容量为0.1F至几个F。安装时，两电容应直接与三端集成稳压器的引脚根部相连。图9.10固定输出三端集成稳压器基本应用电路(2)扩展输出电压的应用电路如果需要高于三端集成稳压器的输出电压，可采用如图9.11所示的升压电路。图9.11提高输出电压电路图中三端集成稳压器工作在悬浮状态，稳压电路的输出电压为 Uo=UXX+IQR2若R1、R2阻值较小，则可忽略IQR2，于是 UoUXX图9.11所示电路的缺点是：当稳压电路输入电压Ui变化时，IQ也发生变化，这将影响稳压电路的稳压精度，特别是R2较大时这种影响更明显。图9.12所示电路是用W78XX和A741组成的输出电压可调的稳压电路。图中集成运放作为电压跟随器使用，它的电源借助于三端集成稳压器的输入直流电压。图9.12输出电压可调电路由图9.12可知当电位器滑动端在最上端时，可得最大输出电压Uomax=当电位器滑动端在最下端时，可得最小输出电压Uomin=故输出电压调节范围为 Uo例9.5在图9.12中，若选用三端集成稳压器W7815，已知RP=500，欲使输出电压调节范围为2045V，求R1和R2的电阻值。解：由上式可得45=20=解得R1=400R2=300(3)扩展输出电流的应用电路扩展输出电流的应用电路如图9.13所示。图9.13扩大输出电流电路(4)恒流源应用电路恒流源应用电路如图9.14所示。图9.14恒流源应用电路2.可调输出的三端集成稳压器可调输出的三端集成稳压器W317（正输出）、W337（负输出）是近几年较新的产品，其最大输入、输出电压差极限为40V，输出电压1.235V（或1.2V35V）连续可调，输出电流0.51.5A，最小负载电流为5mA，输出端与调整端之间基准电压为1.25V，调整端静态电流为50A。其外形及符号如图9.15所示。图9.15可调输出三端集成稳压器(1)基本应用电路图9.16所示是W317可调输出三端集成稳压器基本应用电路。图9.16W317基本应用线路图中V1是为了防止输入短路，C1放电而损坏三端集成稳压器内部调整管发射结而接入。如果输入不会短路、输出电压低于7V时，V1可不接。V2是为了防止输出短路时，C2放电损坏三端集成稳压器中放大管发射结而接入。如果RP上电压低于7V或C2容量小于1F时，V2也可省略不接。W317是依靠外接电阻给定输出电压的，要求RP的接地点应与负载电流返回点的接地点相同。同时，R1、RP应选择同种材料做的电阻，精度尽量高一些。输出端电容C2应采用钽电容或采用33F的电解电容。图9.17所示是W337可调负电压输出三端集成稳压器应用电路。（a）基本应用电路（b）加保护二极管的应用电路图9.17W337的应用电路(2)显示器慢启动应用电路图9.18所示电路是用W317组成的显示器慢启动应用电路。图9.18显示器慢启动应用电路(3)电子控制应用电路图9.19所示是用W317组成的为TTL门电路供电的应用电路。图中输出电压的“有”、“无”，可由A点输入脉冲的高、低电平来控制。图9.19电子控制应用电路开关型稳压电路种类繁多，按开关信号产生的方式划分有自激式和他激式稳压电路。按开关电路与负载的连接方式划分有串联型和并联型。串联型开关稳压电路中开关调整管与负载串联连接，输出端通过调整管及整流二极管与电网相连，电网隔离性差，且只有一路电压输出。并联型开关稳压电路中输出端与电网间由开关变压器进行电气上的隔离，安全性好，通过开关变压器的次级可以做到多路电压输出，但电路复杂，对开关调整管要求高；按控制方式划分有脉宽调制（PWM）和脉频调制（PFM）。由于开关稳压电路输出功率一般较大，尽管开关调整管相对功耗较小，但绝对功耗仍较大，因此实用中，必须加装散热片。9.3开关稳压电路开关稳压电路1.脉宽调制式串联型开关稳压电路脉宽调制式串联型开关稳压电路的基本电路如图9.20所示。图9.20脉宽调制式串联型开关稳压电路9.3.1开关稳压电路的工作原理开关稳压电路的工作原理(1)工作过程由电压比较器的特点可知，当uo1uT时，u+u，uo2为高电平，反之，uo2为低电平。当uo2为高电平时，V1饱和导通，输入电压Ui经滤波电感L加在滤波电容C和负载RL两端，在此期间，iL增长，L和C储存能量，V2因反偏而截止。当uo2为低电平时，V1由饱和导通转换为截止，由于电感电流iL不能突变，iL经RL和续流二极管衰减而释放能量，此时滤波电容C也向RL放电，因而RL两端仍能获得连续的输出电压。当开关调整管在uo2的作用下又进入饱和导通，L、C再一次充电，以后V1又截止，L、C又放电，如此循环不已。(2)稳压原理当输入的交流电源电压波动或负载电流发生改变时，都将引起输出电压Uo的改变，由于负反馈作用，电路能自动调整而使Uo基本上维持稳定不变。稳压过程如下：若UoUF(UFUR)uo1为负值uo2输出高电平变窄（to）Uo从而使输出电压基本不变。反之，若UoUF(URUF)uo1为正值uo2输出高电平变宽（to）Uo同样使输出电压基本不变。2.脉宽调制式并联型开关稳压电路脉宽调制式并联型开关稳压电路的基本电路如图9.21所示。图9.21脉宽调制式并联型开关稳压电路1.采用集成控制器的开关稳压电路图9.22所示是采用CW3524集成控制器组成的脉宽调制式串联型开关稳压电源实用电路，该稳压电源输出电压Uo=5V，输出电流Io=1A。图9.22用CW3524的开关稳压电源9.3.2开关电源电路分析开关电源电路分析(1)电路结构CW3524集成控制器CW3524芯片共有16只引脚，各引脚功能如图9.23所示，其中P15、P8分别接输入电压Ui的正、负端；P12、P11和P14、P13为驱动开关调整管基极的开关信号的两个输出端（即脉宽调制式电压比较器输出信号uo2），两个输出端可单独使用，亦可并联使用，连接时一端接开关调整管基极，另一端接P8脚（即地）；P1、P2分别为比较放大器A1的反相和同相输入端；P16为基准电压源输出端；P6、P7分别为三角波振荡器外接振荡元件RT和CT的联结端，P9为防止自激的相位校正元件R4和C4的联接端。(1)工作过程在触发脉冲作用下，V1处于开关状态，当V1基极电压为正时饱和导通，Ui对L1进行充电，充电电流为I1，此时L1储存能量；当V1基极为负时，V1截止，储存在变压器初级线圈中的能量通过次级线圈L2及二极管V2向电容C充电，产生输出直流电压。(2)稳压原理当输入的交流电源电压波动或负载电流发生变化，引起输出电压Uo变化时，通过取样比较电路组成的控制电路去改变开关调整管的导通与截止时间，使输出电压得以稳定。开关管导通时间to增大时，输出电压升高；反之，导通时间to减小时，输出电压就降低。当由于某种原因使输出电压升高时，通过取样比较电路使V1提前截止，引起toUo，使输出电压保持稳定。图9.23CW3524引脚图外电路开关调整管V1、V2均为PNP型硅功率管，V1选3CD15，V2选3CG14；V3为续流二极管；L和C组成型滤波电路，L=0.9mH,C=470F；R1和R2组成采样分压器电路；R3和R4是基准电压源的分压电路；R5为限流电阻，R6为过载保护取样电阻。RT一般在1.8k100k之间选取，CT一般在0.1F1000F之间选取。控制器的最高频率为300kHz，工作时一般取在100kHz以下。(2)工作原理及稳压过程CW3524内部的基准电压源UR=5V，由P16脚引出，通过R3和R4（都是5k）分压，以UR=2.5V加在比较放大器的反相输入端（P1脚）；输出电压Uo通过R1和R2（都是5k）分压，以Uo=2.5V加在比较放大器的同相输入端（P2脚），此时，比较放大器因u+=u，其输出uo1=0。调整管在集成控制器作用下，开关稳压电路输入电压Ui=28V时，输出电压为稳定值5V。当输出电压因输入电压（电网波动引起）或负载变化引起变动时，若Uouo1为正，uo2高电平脉宽变宽（P12输出高电平脉宽变宽）开关调整管（PNP）导通时间变短（to）Uo，Uo维持不变。此电路中开关调整管采用的是PNP型管，因此比较放大器的反相输入端和同相输入端的输入信号与图9.20虚框中所示的应该对调；另外，uo2高电平脉宽变宽时，PNP型管导通时间反而变短，分析时应予以注意。2.开关电源电路分析图9.24所示为某显示器开关电源。图9.24由TDA4605组成的开关电源(1)TDA4605TDA4605芯片共有8只引脚，各引脚功能如下。P1脚是取样电压反馈输入端，通过对输出电压取样，控制开关管导通时间，使输出电压保持稳定，实现自动稳压。P2脚是定时端，外接RC积分电路，当对电容C充电使其电压达到3V时，则内部电路翻转，电容C通过内部闭合的等效开关很快放电至1V，并在1V上维持一定时间。对电容C何时再启动充电由P8脚决定，当P8脚上的信号极性由正向负跳变时，P2脚内部电路翻转，等效开关断开，开始对电容C充电。P3脚是过小输入保护端，一般连接到整流滤波输出端。当P3脚电压下降到1V以下时，保护电路动作，P5脚无驱动信号输出，开关管截止；若P3脚电压超过1.7V，P2脚产生一额外电流对外接的电容C充电，P3脚电压越高，P2脚输出的电流也越大，这样使电容C充电至3V的时间缩短，相应的开关管导通时间也缩短，起到稳定输出电压的作用，使因输入电压变化而引起输出电压变化的趋势得到抑制。P4脚为地端。P5脚为开关管驱动脉冲输出端，在P2脚电容C充电期间，输出驱动脉冲，使开关管导通。这种驱动适合于场效应管。P6脚是电源端，它内部设有监视电路，只有P6脚电压达到12V时，该集成电路才启动工作。启动后，P6脚需6.9V以上的电压维持工作，当电压降至6.9V以下时，集成电路停止工作。P7脚是软启动端，外接启动电容，在内部3V基准电压对电容充电期间，控制开关管的导通时间。(2)电路分析起振过程P6脚得到直流电压，P2脚内部开关断开，输入直流电压通过R810给C811充电。P5脚输出驱动脉冲，开关调整管导通，脉冲变压器储能。当C811上电压充到3V时，TDA4605内部电路翻转，P5脚停止输出驱动脉冲，同时P2脚内部的等效开关接通，C811快速放电，并最终箝位在1V左右。因开关管截止，脉冲变压器初级绕组在开关管导通期间储存的能量由次级各绕组经整流二极管释放，通过相应的电感和电容滤波得到各组稳定的直流电压输出。当次级能量释放至一定时，不足以使各整流二极管导通，次级绕组中电流突然截止，这样在各绕组上产生一个极性反转的电动势，由此在T802的反馈绕组2端产生由正到负的跳变，该跳变经R812、R806加至TDA4605的P8脚，使内部电路又触发，P2脚内部的等效开关断开，又开始对C811充电，P5脚再次输出驱动脉冲，开关管导通，以后周而复始。稳压过程当无输出电压取样反馈环节时，P2脚上的电容C811由1V充电至3V时，内部电路才翻转，致使P5脚无输出，开关管截止。当P1脚有反馈电压时，假设输出电压升高，则由T802反馈绕组12上的感应电压经R812、R803、C810整流滤波后的直流电压也升高，P1脚电压升高，这样经过内部比较电路的作用，使电容C811上还没有充到3V时，电路就发生翻转，P5脚无输出，开关管截止。由此可见，电容充电时间缩短了，开关管的导通时间也相应缩短了，输出电压下降，实现了输出电压的稳定。另外，P3脚对因输入电压变化而引起的输出电压波动也能起到稳定作用，输入电压是经R811、R809分压加至P3脚的，当输入电压上升，使P3脚电压超过1.7V时，P2脚内部产生一附加的电流对C811充电，使C811提前达到3V，相应的开关管导通时间缩短，起到稳压作用。电流保护开关管导通期间，由于初级绕组的激磁作用，绕组中电流是线性上升的，开关管导通时间越长，则电流能达到的峰值越大。开关管导通的时间同P2脚电容C811的充电时间相对应，而这个时间最长是C811充电至3V的时间。因此，开关管导通时间受到了限制，也就是电流受到了限制，从而实现了过流保护。欠压保护正常工作时，TDA4605的电源由R813、V802、C807对反馈绕组12上的脉冲电压整流滤波得到。由于此时正温度系数热敏电阻TH803的阻值很大，启动支路R804、TH803停止对TDA4605供电。当输入电压下降，或负载短路使输出电压下降时，由反馈绕组12上的脉冲电压整流滤波得到的直流电压也降低，由P6脚的功能可知，当这一电压降至6.9V以下时，电路停止工作，实现欠压保护。由此可见，欠压保护是由P6脚完成的。1.直流稳压电源应包含整流、滤波和稳压三个部分。整流元件为二极管，滤波元件有电容和电感，滤波电容应与负载并联，滤波电感应与负载串联。滤波后的直流电压仍受到电网波动及负载变化的影响，为此要采取稳压措施。2.稳压电路主要有线性稳压电路和开关型稳压电路两种。小功率电源多用线性调整型稳压电路，其中三端集成稳压器由于使用方便，应用越来越广泛。大功率电源多采用开关型稳压电路，一般采用脉宽调制实现稳压。开关型稳压电路又分串联型和并联型，由于并联型开关稳压电路易实现多组电压输出和电源与负载间电气隔离，因而应用较广泛。本章小结本章小结