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1、第10章 直流稳压电源 直流稳压电源作为直流能量的提供者，在各种电子设备中，有着极其重要的地位，它的性能良好与否直接影响整个电子产品的精度、稳定性和可靠性。随着电子技术的日益发展的电源技术也得到了很大的发展，它从过去一个不太复杂的电子线路变为今天具有较强功能的模块。实现电源稳定的方式，由传统的线性稳压发展到今天的开关式稳压，电源技术正从过去附属于其它电子设备状态，逐渐演变为一个电子学科的独立的分支。,10.1 直流稳压电源的基本组成 直流稳压电源由电源变压器、整流器、滤波器、稳压器等部分组成，其组成框图如图所示。,1、电源变压器: 将电网提供的交流电(220V/380V)变换为符合整流电路需要
2、的电压。同时还可以起到直流电源与电网的隔离作用。 2、整流电路： 作用是利用单向导电性能的整流元件,将正、负交替的正弦交流电压整流成为单向的脉动电压，这种单向脉动电压包含着很大的脉动成分(含有许多谐波分量)，所以还不符合一般电子设备的供电要求。,3、滤波电路： 由CL等储能元件组成，它的作用是尽可能地将单向脉动电压中脉冲成分滤掉(用来滤除单向脉动电压中的谐波分量)从而得到比较平滑的直流电压。 4、稳压电路： 尽管经过整流滤波后电压接近于直流电压，但是其电压值的稳定性很差，它受温度、负载、电网电压波动等因素的影响很大，因此，还必须有稳压电路，以维持输出直流电压的基本稳定。,10.3 滤波电路（f
3、ilter circuit） 尽管全波整流的纹波系数较之半波整流有很大改善，但还不能直接给负载供电，需采用滤波电路进一步减小纹波。滤波通常是利用电容或电感的能量存储作用来实现的。滤波电路种类很多，下面介绍几种常用的滤波电路。 10.2.1电容滤波电路（capacitance filter） 电容滤波电路如图所示，由于市电交流电频率较低（50HZ），图中电容C一般取值较大，约1000F以上。,图 电容滤波电路,设U2=U2msint=U2sint，由于是全波整流，因此不管是在正半周期还是在负半周期，电源电压U2一方面向RL供电，另一方面对电容C进行充电，由于充电时间常数很小（二极管导通电阻和变压
4、器内阻很小），所以，很快充满电荷，使电容两端电压UC基本接近U2m，而电容上的电压是不会突变的。现假设某一时刻U2的正半周期由零开始上升，因为此时电容上电压UC基本接近U2m，因此U2UC，D1、D2、D3、D4管均截止，电容C通过RL放电，由于放电时常数d=RLC很大（RL较大时），因此放电速度很慢，UC下降很少。,与此同时，U2仍按U2sint的规律上升，一旦当U2UC 时，D1、D3导通，U2D3CD1对C充电。然后，U2又按U2sint的规律下降，当U2UC 时，二极管均截止，故C又经RL放电。不难理解，在U2的负半周期也会出现与上述基本相同的结果。这样在U2的不断作用下，电容上的电压
5、不断进行充放电，周而复始，从而得到一近似于锯齿波的电压UL=UC，使负载电压的纹波大为减小。,由以上分析可知，电容滤波电路有如下特点： a）RLC越大，电容放电速度越慢，负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。 为了得到平滑的负载电压，一般取 RLC(35) 式中，T为交流电源电压的周期。 b）RL越小输出电压越小。 若C值一定，当RL，即空载时有 UL0= U21.4 U2 当C=0，即无电容时有UL00.9 U2 UL0(1.11.2)U2 总之，电容滤波适用于负载电压较高、负载变化不大的场合,2.电感滤波（inductance filter）1、组成 电感滤波电路如图所示，由于市电交
6、流电频率较低（50HZ），图中电感L一般取值较大，约几H以上。,图 电感滤波电路,：,电感滤波电路是利用电感的储能来减小输出电压纹波的。当电感中电流增大时，自电感电动势的方向与原理电流方向相反，自感电动势阻碍了电位的增加同时也将能量储存起来，使电流的变化减小；反之当电感中电流减少时，自感电动势的作用阻碍电流的减少，同时释放能量，使电流变化减小，因此，电流的变化小，电压的纹波得到抑制。,关于电感滤波电路的几点结论： a）L越大、RL越小，输出电压纹波越小。 b）忽略电感内阻，UL0=0.9U2（理论值）。 c）电感滤波适用于低电压、大电流的场合。 d）工频电感体积大，重量重，价格高，损耗大，电磁
7、辐射强，因此一般少用。 此外，为了进一步减小负载电压中的纹波，电感后面可再接一电容而构成倒L型滤波电路或采用型滤波电路，分别如图所示。,10.3 串联型直流稳压电路） 10.3.1 电路组成与工作原理 稳压管稳压电路尽管线路简单，使用方便，但在使用时存在两方面的问题： 一是电网电压和负载电流变化较大时，电路将失去稳压作用，适应范围小； 二是稳压值只能由稳压管的型号决定，不能连续可调，稳压精度不高，输出电流也不大，很难满足对电压精度要求高的负载的需要。为解决这一问题，往往采用串联反馈式稳压电路。,如图是串联反馈式稳压电路的一般结构图，图中UI是整流滤波电路的输出电压，T为调整管，A为比较放大电路
8、，UREF为基准电压，它由稳压管DZ与限流电阻R串联所构成的简单稳压电路获得，R1与R2组成反馈网络，是用来反映输出电压变化的取样环节。这种稳压电路的主回路是起调整作用的三极管T与负载串联，故称为串联式稳压电路。,值得注意的是，调整管T的调整作用是依靠UF和UREF之间的偏差来实现的，必须有偏差才能调整。如果UO绝对不变，调整管的UCE也绝对不变，那么电路也就不能起调整作用。所以UO不可能达到绝对稳定，只能是基本稳定。因此，图所示的系统是一个闭环有差调整系统。 由以上分析可知，当反馈越深时，调整作用越强，输出电压UO也越稳定，电路的稳压系数Sr和输出电阻Ro也越小。 应当指出的是，基准电压UR
9、EF是稳压电路的一个重要组成部分，它直接影响稳压电路的性能。为此要求基准电压输出电阻小，温度稳定性好，噪声低。,10.4 集成稳压器 目前，电子设备中常使用输出电压固定的集成稳压器。由于它只有输入、输出和公共引出端，故称之为三端式稳压器（简称三端稳压器）。三端式稳压器电路如图所示。,图 三端式稳压器电路,图 三端式稳压器电路,1输出电压固定的三端集成稳压器 现以具有正电压输出的78L系列为例介绍三端式稳压器的工作原理。78系列输出电压为正电压，输出电流可达1A，如78L系列和78M系列的输出电流分别为0.1A和0.5A。它们的输出电压分别为5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V等7档
10、，和78系列对应的有79系列，它输出为负电压，如79M12表示输出电压为12V和输出电流为0.5A。,图典型78直流稳压电源原理图,如图所示为以78系列为核心组成的典型直流稳压电路，正常工作时，稳压器的输入、输出电压差为23V。电路中接如电容C2、C3用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入高频干扰，C4是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。D5是保护二极管，当输入端短路时，给输出电容器C3一个放电通路，防止C3两端电压作用于调整管的be结，造成调整管be结击穿而损坏。,2输出电压可调的三端式集成稳压器 前述的78和79系列为输出电压固定的三端稳压器。但有
11、些场合要求扩大输出电压的调节范围，故使用它很不方便。现介绍一种很少元件就能工作的三端可调式集成稳压器，它的三个接线分别称为输入端UI、输出端UO和调整端adj。,图可调式三端稳压器电路,图 可调式三端集成稳压器结构图,LM317的UREF=1.2V，Iadj=50A，由于调整管电流IadjI1，故可以忽略，上式可简化为,LM337稳压器是与LM317对应的负压三端可调集成稳压器，它的工作原理和电路结构与LM317相似。,10.5 开关式直流稳压电路 10.5.1 开关式直流稳压电源的特点 前述的串联反馈式稳压电路由于调整管工作在线性放大区，因此在负载电流较大时，调整管的集电极损耗（PC=UCE
12、IO）相当大，电源效率（=P0/PI=UOIO/UIIO）较低，一般为40%60%，有时还要配备庞大的散热装置。为了克服上述缺点，可采用串联开关式稳压电路，电路中的串联调整管工作开关状态，即调整管主要工作在饱和导通和截止导通状态。由于管子饱和导通时管压降UCES和截止时管子的电流ICEO都很小，管耗主要发生在状态转换过程中，电源效率可提高到80%90%，所以其体积小、重量轻，且适应交流电网电压波动的性能好，适应范围可达150V280V。,它的主要缺点是输出电压中所含纹波较大，对电子设备的干扰较大，而且电路比较复杂，对元器件要求较高。目前正寻求克服这些缺点的方法。但由于优点突出，已成为宇航、计算
13、机、通信和功率较大电子设备中电源的主流，应用日趋广泛。 10.5.2 开关式直流稳压电源组成和工作原理,开关型稳压电路原理框图如图所示。它和串联反馈式稳压电路相比，电路增了LC滤波电路及产生固定频率的三角波电压（uT）发生器和比较器C组成的控制电路。,图 串联开关式稳压电路原理图,工作原理：电路中，UI是整流滤波电路的输出电压，uB是比较器的输出电压。该电路利用uB控制调整管T，将uI变成断续的矩形波电压uE（uD）。当uAuT时，uB为高电平，T饱和导通，输入电压uI经T加到二极管D的两端，电压uE等于UI（忽略管T和饱和压降），此时二极管D承受反向电压而截止，负载中有电流iD流过，电感L储
14、存能量，同时向电容器C充电。输出电压uO略有增加。当uAuT时，uB为低电平，T由导通变为截止，滤波电感产生自感电势（极性如图所示），使二极管D导通，于是电感中储存的能量通过D向负载RL继续有电流通过，因而常称D为续流二极管。此时电压uE等于UD（二极管正向压降）。由此可见，虽然调整管处于开关工作状态，但由于二极管D的续流作用和L、C的滤波作用，输出电压是比较平稳的。图画出了电流iL、电压uT、uA、uB、uE(uD)和uO的波形。,图中ton是调整管T的导通时间，toff是调整管T的截止时间，T=ton+toff是开关转换周期。显然，在忽略滤波电感L的直流压降的情况下，输出电压的平均值为,式
15、中q=ton/T称为脉冲波形的占空比。由式可见，对于一定的UI值，通过调节占空比即可调节输出电压UO。故称脉宽调制（PWM）式开关稳压电源。 在闭环情况下，电路能自动地调整输出电压。设在某一正常工作状态时，输出电压为某一预定值Uset，反馈电压UF=FuUset=UREF，比较放大器输出电压uA为零，比较器C输出脉冲电压uB的占空比q=50%，uT、uB、uE的波形如图（a）所示。,同理，UI下降时，UO也下降，UFUREF，uA为正值，UB的占空比q50%，输出电压UO上升到预定值。总之，当UI或负载RL变化使UO变化时，可自动调整脉冲波形的占空比使输出电压维持恒定。 为了提高开关稳压电源的
16、效率，开关调整管应选取饱和压降UCES及穿透电流ICEO均小的功率三极管，而且为减小管耗，通常要求开关转换时间ts0.01T，开关调整管一般选用fT10fk（fk=1/T，称为开关频率）的高频功率三极管；续流二极管D的选择也要考虑导通、截止和转换三部分的损耗，所以选用正向压降小，反向电流小及存储时间短的开关二极管，一般选用肖特基二极管。输出端的滤波电容使用高频电解电容。,开关稳压电源的控制电路一般用“电压-脉冲宽度调制器（简称脉宽调制器）”。目前产品种类很多，典型产品有CW3420/CW3520、CW296和X63等。 开关频率fk的选择对开关稳压器的性能影响也很大。fk越高，需要使用的L、C值越小。这样，系统的尺寸和重量将会减小，成本将随之降低。另一方面，开关频率的增加将使开关调整管单位时间转
