直流稳压电源设计与制作20150518.pptx

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1、图7.1直流电源电路的组成框图第1页/共92页 2.2.直流电源演示直流电源演示 演示电路如图7.2所示,在图7.2(a)电路中,变压器的初级接220V交流电源,用示波器观察ab间的波形如图7.3(a)所示,观察10间的波形如图7.3(b)所示，合上开关S,再用示波器观察10间的波形如图7.3(c)所示,如果加上稳压部分,如图7.2(b)所 示,用 示 波 器 观 察 20间 的 波 形 如 图7.3(d)所示。通过各点波形的测量，我们看到稳压电源是将交流电逐步改变成一个平滑的直流电。那么，直流电源各部分电路是如何工作的呢？下面将分析其工作原理。第2页/共92页图7.2直流电源演示（a）简易直

2、流电源；（b）直流电源第3页/共92页图7.3各点电压波形第4页/共92页1整流及滤波电路 2 直流稳压电路 第5页/共92页一、一、整流及滤波电路整流及滤波电路 1.1 电路组成及工作原理 图7.4是单相半波整流电路，它由整流变压器T、整流二极管V及负载RL组成。单相半波整流电路及电压、电流的波形如图7.5所示,即 第6页/共92页图7.4单相半波整流电路第7页/共92页图7.5单相半波整流电路电压与 电流的波形第8页/共92页1.2 整流电路的主要技术指标 1.输出电压平均值 在图7.5所示波形电路中，负载上得到的整流电压是单方向的，但其大小是变化的，是一个单向脉动的电压，由此可求出其平均

3、电压值为(72)2.流过二极管的平均电流iV 由于流过负载的电流就等于流过二极管的电流，所以第9页/共92页 3.二极管承受的最高反向电压URM 在二极管不导通期间，承受反压的最大值就是变压器次级电压u2的最大值，即（73）（74）2.流过二极管的平均电流iV 由于流过负载的电流就等于流过二极管的电流，所以第10页/共92页 4.脉动系数S 脉动系数S是衡量整流电路输出电压平滑程度的指标。由于负载上得到的电压Uo是一个非正弦周期信号，可用付氏级数展开为脉动系数的定义为最低次谐波的峰值与输出电压 平均值之比，即（75）(76)单相半波整流电路的特点是结构简单，但输出电压的平均值低、脉动系数大。第

4、11页/共92页1.3 单相桥式整流电路 为了克服半波整流电路电源利用率低，整流电压脉动程度大的缺点，常采用全波整流电路，最常用形式是桥式整流电路。它由四个二极管接成电桥形式，如右图所示。第12页/共92页 1.电路组成及工作原理 在图7.6（a）所示电路中，当变压器次级电压u2为上正下负时，二极管V1和V3导通，V2和V4截止，电流i1的通路为aV1RLV3b，这时负载电阻RL上得到一个正弦半波电压如图7.7中（0）段所示。当变压器次级电压u2为上负下正时，二极管V1和V3反向截止，V2和V4导通，电流i2的通路为bV2RLV4a，同样，在负载电阻上得到一个正弦半波电压，如图7.7中（2）段

5、所示。第13页/共92页图7.6单相桥式整流电路组成第14页/共92页图7.6单相桥式整流电路组成第15页/共92页图7.6单相桥式整流电路组成第16页/共92页图7.6单相桥式整流电路组成第17页/共92页图7.7单相桥式整流电路电压与电流波形第18页/共92页 2.技术指标计算及分析 （1）输出电压平均值Uo。由以上分析可知，桥式整流电路的整流电压平均值Uo比半波整流时增加一倍，即（77）（2）直流电流Io。桥式整流电路通过负载电阻的直流电流也增加一倍，即（78）第19页/共92页 （3）二极管的平均电流iV。因为每两个二极管串联轮换导通半个周期，因此，每个二极管中流过的平均电流只有负载电

6、流的一半，即（79）（4）二极管承受的最高反向电压URM。由图7.6（a）可以看出，当V1和V3导通时，如果忽略二极管正向压降，此时，V2和V4的阴极接近于a点，阳极接近于b点，二极管由于承受反压而截止，其最高反压为u2的峰值，即第20页/共92页 (5)脉动系数S。全波桥式整流输出电压uo的付氏级数展开式为（710）即第21页/共92页 由以上分析可知，单相桥式整流电路，在变压器次级电压相同的情况下，输出电压平均值高、脉动系数小，管子承受的反向电压和半波整流电路一样。虽然二极管用了四只，但小功率二极管体积小，价格低廉，因此全波桥式整流电路得到了广泛的应用。第22页/共92页1.4 滤波电路

7、整流输出的电压是一个单方向脉动电压，虽然是直流，但脉动较大，在有些设备中不能适应（如电镀和蓄电池充电等设备）。为了改善电压的脉动程度，需在整流后再加入滤波电路。常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波和复式滤波等。第23页/共92页 1.电容滤波电路 图7.8所示为一单相半波整流电容滤波电路，由于电容两端电压不能突变，因而负载两端的电压也不会突变，使输出电压得以平滑，达到滤波目的。;滤波过程及波形如图7.9所示。第24页/共92页图7.8单相半波整流电容滤波电路第25页/共92页图7.9电容滤波原理及输出波形第26页/共92页 在u2的正半周时，二极管V导通，忽略二极管正向压降，则uo=u2，这个电

8、压一方面给电容充电，一方面产生负载电流Io，电容C上的电压与u2同步增长，当u2达到峰值后，开始下降，UCu2，二极管截止，如图7.9中的A点。之后，电容C以指数规律经RL放电，UC下降。当放电到B点时，u2经负半周后又开始上升，当u2UC时，电容再次被充电到峰值。UC降到C点以后，电容C再次经RL放电，通过这种周期性充放电，以达到滤波效果。第27页/共92页 由于电容的不断充放电，使得输出电压的脉动性减小，而且输出电压的平均值有所提高。输出电压平均值Uo的大小，显然与RL、C的大小有关，RL愈大，C愈大，电容放电愈慢，Uo愈高。在极限情况下，当RL=时，Uo=UC=U2，不再放电。当RL很小

9、时，C放电很快，甚至与u2同步下降，则Uo=0.9U2，RL、C对输出电压的影响如图7.9中虚线所示。可见电容滤波电路适用于负载较小的场合。当满足RLC（35）T/2时，则输出电压的平均值为（712）（711）其中T为交流电源电压的周期。第28页/共92页 利用电容滤波时应注意下列问题：(1)滤波电容容量较大，一般用电解电容，应注意电容的正极性接高电位，负极性接低电位。如果接反则容易击穿、爆裂。（2）开始时，电容C上的电压为零，通电后电源经整流二极管给C充电。通电瞬间二极管流过短路电流，称浪涌电流。一般是正常工作电流Io的（57）倍，所以选二极管参数时，正向平均电流的参数应选大一些。同时在整流

10、电路的输出端应串一个阻值约为（0.020.01）R的电阻，以保护整流二极管。第29页/共92页 2.电感滤波及复式滤波电路 （1）电感滤波电路。由于通过电感的电流不能突变，用一个大电感与负载串联,流过负载的电流也就不能突变，电流平滑，输出电压的波形也就平稳了。其实质是因为电感对交流呈现很大的阻抗，频率愈高，感抗越大，则交流成分绝大部分降到了电感上,若忽略导线电阻，电感对直流没有压降，即直流均落在负载上，达到了滤波目的。电感滤波电路如图7.10所示。在这种电路中，输出电压的交流成分是整流电路输出电压的交流成分经XL和RL分压的结果，只有LRL时，滤波效果才好。第30页/共92页图7.10带电感滤

11、波器的桥式整流电路图第31页/共92页 （2）输出电压平均值Uo。一般小于全波整流电路输出电压的平均值，如果忽略电感线圈的铜阻，则Uo0.9U2。虽然电感滤波电路对整流二极管没有电流冲击，但为了使L值大，多用铁芯电感，但体积大、笨重，且输出电压的平均值Uo较低。（3）复式滤波电路。为了进一步减小输出电压的脉动程度，可以用电容和铁芯电感组成各种形式的复式滤波电路。电感型LC滤波电路如图7.11所示。整流输出电压中的交流成分绝大部分降落在电感上，电容C又对交流接近于短路，故输出电压中交流成分很少，几乎是一个平滑第32页/共92页图7.11桥式整流电感型LC滤波电路第33页/共92页 的直流电压。由

12、于整流后先经电感L滤波，总特性与电感滤波电路相近，故称为电感型LC滤波电路，若将电容C平移到电感L之前，则为电容型LC滤波电路。第34页/共92页 （4）型滤波电路。图7.12所示为LC型滤波电路。整流输出电压先经电容C1，滤除了交流成分后，再经电感L上滤波电容C2上的交流成分极少，因此输出电路几乎是平直的直流电压。但由于铁芯电感体积大、笨重、成本高、使用不便。因此，在负载电流不太大而要求输出脉动很小的场合，可将铁芯电感换成电阻，即RC型滤波电路。电阻R对交流和直流成分均产生压降，故会使输出电压下降，但只要RL1/(C2)，电容C1滤波后的输出电压绝大多数降在电阻RL上。RL愈大，C2愈大，滤

13、波效果愈好。第35页/共92页图7.12型滤波电路（a）LC型滤波电路;（b）RC型滤波电路第36页/共92页图7.12型滤波电路（a）LC型滤波电路;（b）RC型滤波电路第37页/共92页二、二、直流稳压电路直流稳压电路 通过整流滤波电路所获得的直流电源电压是比较稳定的，当电网电压波动或负载电流变化时，输出电压会随之改变。电子设备一般都需要稳定的电源电压。如果电源电压不稳定，将会引起直流放大器的零点漂移，交流噪声增大，测量仪表的测量精度降低等。因此必须进行稳压，目前中小功率设备中广泛采用的稳压电源有并联型稳压电路、串联型稳压电路、集成稳压电路及开关型稳压电路。第38页/共92页2.1 硅稳压

14、管组成的并联型稳压电路 1.电路组成及工作原理 硅稳压管组成的并联型稳压电路如图7.13所示，经整流滤波后得到的直流电压作为稳压电路的输入电压Ui，限流电阻R和稳压管V组成稳压电路，输出电压Uo=UZ。第39页/共92页图7.13稳压管稳压的直流电源电路第40页/共92页 在这种电路中，不论是电网电压波动还是负载电阻RL的变化，稳压管稳压电路都能起到稳压作用，因为UZ基本恒定，而Uo=UZ。下面从两个方面来分析其稳压原理：（1）设RL不变，电网电压升高使Ui升高，导致Uo升高，而Uo=UZ。根据稳压管的特性，当UZ升高一点时，IZ将会显著增加，这样必然使电阻R上的压降增大，吸收了Ui的增加部分

15、，从而保持Uo不变。第41页/共92页反之亦然。第42页/共92页 （2）设电网电压不变，当负载电阻RL阻值增大时，IL减小，限流电阻R上压降UR将会减小。由于Uo=UZ=Ui-UR，所以导致Uo升高，即UZ升高，这样必然使IZ显著增加。由于流过限流电阻R的电流为IR=IZ+IL，这样可以使流过R上的电流基本不变，导致压降UR基本不变，则Uo也就保持不变。反之亦然。第43页/共92页 在实际使用中,这两个过程是同时存在的，而两种调整也同样存在。因而无论电网电压波动或负载变化，都能起到稳压作用。第44页/共92页 2.稳压电路参数确定 （1）限流电阻的计算。稳压电路要输出稳定电压，必须保证稳压管

16、正常工作。因此必须根据电网电压和负载电阻RL的变化范围,正确地选择限流电阻R的大小。从两个极限情况考虑，则有 当Ui为最小值，Io达到最大值时，即 Ui=Uimin，Io=Iomax,这时IR=(Uimin-UZ)/R。则IZ=IR-Iomax为最小值。为了让稳压管进入稳压区，此时IZ值应大于IZmin，即IZ=(Uimin-UZ)/R-IomaxIZmin,则 第45页/共92页 当Ui达 最 大 值，Io达 最 小 值 时，Ui=Uimax，Io=Iomin,这时IR=(Uimax-UZ)/R，则IZ=IR-Iomin为最大值。为了保证稳压管安全工作，此时IZ值应小于IZmax，即IZ=(

17、Uimax-UZ)/R-IominIZmax，则所以限流电阻R的取值范围为(713)在此范围内选一个电阻标准系列中的规格电阻。第46页/共92页 （2）确立稳压管参数。一般取（714）第47页/共92页2.2 串联型晶体管稳压电路 并联型稳压电路可以使输出电压稳定，但稳压值不能随意调节，而且输出电流很小，由式7.14可知，Iomax=（1/32/3）IZmax，而IZmax一 般 只 有2040mA。为了加大输出电流，使输出电压可调节，常用串联型晶体管稳压电路,如图7.14所示。第48页/共92页图7.14串联型稳压电路（a）分立元件的串联型稳压电路;（b）运算放大器的串联型稳压电路第49页/

18、共92页图7.14串联型稳压电路（a）分立元件的串联型稳压电路;（b）运算放大器的串联型稳压电路第50页/共92页图7.14串联型稳压电路（a）分立元件的串联型稳压电路;（b）运算放大器的串联型稳压电路第51页/共92页 图7.14（a）是由分立元件组成的串联型稳压电路，当电网电压波动或负载变化时，可能使输出电压Uo上升或下降。为了使输出电压Uo不变，可以利用负反馈原理使其稳定。假设因某种原因使输出电压Uo上升，其稳压过程为UoUb2Ub1（Uc2）Uo。串联型稳压电路的输出电压可由Rp进行调节。（715）式中，R=R1+Rp+R2,Rp是RP的下半部分阻值。第52页/共92页 如果将图7.1

19、4（a）中的放大元件改成集成运放，不但可以提高放大倍数，而且能提高灵敏度，这样就构成了由运算放大器组 成 的 串 联 型 稳 压 电 路，电 路 如 图7.14（b）所示。假设因某种原因使输出电压Uo下 降，其 稳 压 过 程 为UoU-Ub1Uo。串联型稳压电路包括四大部分，其组成框图如图7.15所示。第53页/共92页图7.15串联型稳压电路组成框图第54页/共92页2.3集成稳压器及应用 集成稳压器将取样、基准、比较放大、调整及保护环节集成于一个芯片，按引出端不同可分为三端固定式、三端可调式和多端可调式等。三端稳压器有输入端、输出端和公共端（接地）三个接线端点，由于它所需外接元件较少，便

20、于安装调试，工作可靠，因此在实际使用中得到广泛应用。其外形如图7.16所示。第55页/共92页图7.16三端稳压器外形图（a）三端固定式；（b）三端可调式第56页/共92页图7.16三端稳压器外形图（a）三端固定式；（b）三端可调式第57页/共92页图7.16三端稳压器外形图（a）三端固定式；（b）三端可调式第58页/共92页图7.16三端稳压器外形图（a）三端固定式；（b）三端可调式第59页/共92页 1.固定输出的三端稳压器 常用的三端固定稳压器有7800系列、7900系列，其外型如图7.16（a）所示。型号中78表示输出为正电压值，79表示输出为负电压值，00表示输出电压的稳定值。根据输

21、出电流的大小不同，又分为CW78系列，最大输出电流11.5A；CW78M00系列，最大输出电流0.5A；CW78L00系列，最大输出电流100mA左右，7800系列输出电压等级有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V，7900系列有-5V、-6V、-9V、-12V、-15V、-18V、-24V。如CW7815，表明输出+15V电压，输出电流可达1.5A，CW79M12，表明输出-12V电压，输出电流为-0.5A第60页/共92页 2.三端可调输出稳压器 前面介绍78、79系列集成稳压器，只能输出固定电压值，在实际应用中不太方便。CW117、CW217、CW317、CW337和CW33

22、7L系列为可调输出稳压器，其外型如图7.16（b）所示。在图7.16所示电路中CW317是三端可调式正电压输出稳压器，而CW337是三端可调式负电压输 出 稳 压 器。三 端 可 调 集 成 稳 压 器 输 出 电 压 为1.2537V，输出电流可达1.5A。第61页/共92页 CW317的基本应用电路如图7.17所示，它只需外接两个电阻(R1和RP)来确定输出电压。为了使电路正常工作，它的输出电流不应小于5mA，调节端的电流约为50A，输出电压的表达式为（716）（717）在上式中RP阻值很小,可忽略，由此可得图7.17所示电路中C1为预防自激振荡产生,C2用来改善输出电压波形。第62页/共

23、92页图7.17可调输出稳压电源第63页/共92页 3.三端集成稳压器的应用 1）输出固定电压应用电路 输出固定电压的应用电路如图7.18所示，其中图（a）为输出固定正电压，图（b）为输出固定负电压，图中Ci用以抵消输入端因接线较长而产生的电 感 效 应。为 防 止 自 激 振 荡，其 取 值 范 围 在0.11F之间（若接线不长时可不用），Co用以改善负载的瞬态响应，一般取1F左右，其作用是减少高频噪声。第64页/共92页图7.18固定输出的稳压电路（a）输出固定正电压;（b）输出固定负电压第65页/共92页图7.18固定输出的稳压电路（a）输出固定正电压;（b）输出固定负电压第66页/共9

24、2页 2）输出正、负电压稳压电路 当 需 要 正、负 两 组 电 源 输 出 时，可 采 用W7800系列和W7900系列各一块，按图7.19接线，即可得到正负对称的两组电源。第67页/共92页图7.19正负对称输出稳压电路第68页/共92页2.4开关型稳压电路简介 串联型稳压器中的调整管工作在放大区，由于负载电流连续通过调整管，因此管子功率损耗大，电源效率低，一般只有20%24%。若用开关型稳压电路，它可使调整管工作在开关状态，管子损耗很小，效率可提高到60%80%，甚至可高达90%以上。开关型稳压电路如图7.20所示。第69页/共92页图7.20开关型稳压电路及波形（a）开关型稳压电路;（

25、b）波形第70页/共92页 1.开关型稳压电路的工作原理 开关型稳压电路就是把串联型稳压电路的调整管，由线性工作状态改成开关工作状态，如图7.20（a）所示。方波发生器为一开关信号发生器，当它输出高电平时，V管饱合导通；当它输出低电平时，V管截止。输出电压波形如图7.20（b）所示。其中导通时间ton与开关周期Tn之比定义为占空比D，即（718）输出电压平均值为（719)第71页/共92页 式中，ton为调整管的导通时间，toff为调整管的截止时间，Tn为调整管的开关周期，D为调整管的占空比。对于一定的输入电压Ui，通过调节占空比，即可调节输出电压Uo。调节占空比的方法有两种：一种是固定开关的

26、频率来改变脉冲的宽度ton，称为脉宽调制型开关电源，用PWM表示；另一种是固定脉冲宽度而改变开关周期，称为脉冲频率调制型开关电源，用PFM表示。第72页/共92页 2.开关型稳压电路应用实例 图7.21所示为一PWM型开关电源，该电路用反馈环路来实现自动调节，在取样、比较放大环节后，再加入一个脉宽调节器PWM。它可将比较放大后的输出电压量转换成与固定频率相应脉宽的脉冲序列，而产生一个固定频率的脉冲，其脉冲宽度根据比较放大器的输出电压量而改变。第73页/共92页 脉宽调制器产生一串矩形脉冲，当脉冲是低电平时，V2截止，Ii全部流过V1而饱和导通；当脉冲是高电平时，V2饱和导通，使开关管V1截止。

27、这样开关电源向负载提供的能量是断续的。为了使负载得到连续的能量供给，开关型稳压电源还必须有一套平波装置。当V1饱和导通时，续流二极管截止，此时A点的电位近似等于输入电压，即UAUi，这时电感L储能，电容C充电，同时给负载提供能量输出。当V截止时，电感释放能量，电容放电。适当选择C和L值，可在V1关断期间保证负载电流连续。图7.22所示为开关型电源的组成框图。第74页/共92页图7.21脉宽调制型开关电源图第75页/共92页图7.22开关电源的组成框图第76页/共92页MC34063 DC/DC变换器特点及典型应用 MC34063是一单片双极型线性集成电路，专用于直流直流变换器控制部分。片内包含

28、有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关，能输出1.5A的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。MC34063的封装形式为塑料双列8引线直插式。特点：能在3.0-40V的输入电压下工作 短路电流限制 低静态dianliu输出开关电流可达1.5A（无外接三极管）输出电压可调 工作振荡频率从100Hz至100KHz 可构成升压、降压或反向电源变换器第77页/共92页内部框图第78页/共92页电路原理电路原理 振荡器通过恒流源对外接在CT管脚（3脚）上的定时电容不断的充电和放电，以产生振荡波形。充电和放电电流都是恒定的，所以振荡

29、频率仅取决于外接定时电容的容量。与门的C输入端在振荡器对外充电时为高电平，D输入端在比较器的输入电平低于阈值电平时为高电平。当C和D输入端都变成高电平时，触发器被置为高电平，输出开关管导通，反之，当振荡器在放电期间，C输入端为低电平，触发器被复位，使得输出开关管处于关闭状态。第79页/共92页 电流限制SI检测端（5脚）通过检测连接在V+和5脚之间的电阻上的压降来完成功能。当检测到电阻上的电压接近超过300mV时，电流限制电流开始工作。这时通过CT管脚（3脚）对定时电容进行快速充电，以减少充电时间和输出开关管的导通时间，结果是使得输出开关管的关闭时间延长。第80页/共92页极限参数第81页/共

30、92页典型应用电路典型应用电路升压变换器第82页/共92页典型应用电路典型应用电路降压变换器第83页/共92页典型应用电路典型应用电路升压变换器（大电流）第84页/共92页典型应用电路典型应用电路降压变换器（大电流）第85页/共92页典型应用电路典型应用电路反向变换器第86页/共92页训练任务训练任务 1 1、制作一个、制作一个+5V+5V；+12V+12V；-12V-12V输出的输出的稳压电稳压电源。源。2 2、制作一个用、制作一个用MC34063MC34063为核心的降压为核心的降压开关电源。开关电源。3 3、制作一个用、制作一个用MC34063MC34063为核心的升压为核心的升压开关电源。开关电源。4 4、制作一个用、制作一个用LM317LM317为核心的降压开为核心的降压开关电源。关电源。第87页/共92页用三端稳压块制作开关电源第88页/共92页第89页/共92页第90页/共92页任务：制作一个如下图的，输入任务：制作一个如下图的，输入5V输出输出15V的升压变换电源。的升压变换电源。并测量该电源的各负载参数。作出负载特并测量该电源的各负载参数。作出负载特性曲线图性曲线图第91页/共92页感谢您的观看！第92页/共92页