第 10 章直流电源

第10章直流电源 电源变压器整流电路滤波电路稳压电路交流电源负载图10.1 直流电源框图

uE T D1 + D4 R1 uA - u2 ~u1 R3 A C RL UO uB + D3 D2 UREF R2 + DZ UZ _ - 图10.2 串联型线性调整式直流稳压电源 10.1串联型线性调整式直流稳压电源 • 串联型线性调整式直流稳压电源（以下简称串联型稳压电源）的基本电路如图10.2所示。稳压整流滤波

D1 D4 u2 ~u1 C D3 D2 UO _ 图10.2 串联型线性调整式直流稳压电源 uE T + R1 uA • 整流与滤波：D1~D4与C组成桥式整流（Bridge Rectifier）电容滤波电路，其作用是把来自变压器副侧的交流电压变成直流电压； - R3 A RL uB + UREF R2 + DZ UZ -

T + R1 uA - R3 A RL uB + UREF R2 + DZ UZ - UO _ 图10.2 串联型线性调整式直流稳压电源 uE D1 D4 u2 ~u1 C D3 D2 • 稳压：虚线右半部分为稳压电路，其作用是为负载提供一个稳定的直流电压。

D1 + D4 ~u1 uO uC u2 a √2U2 b RL uO C UO D3 0 ωt π 2π D2 (b)波形图 _ (a) 电路图图10.3 单相桥式整流电容滤波电路及波形 10.1.1 桥式整流电容滤波电路 • 在桥式整流电路基础上，为了减小输出电压的的脉动，在RL两端并联一个滤波电容C，这就构成了桥式整流、电容滤波电路如图10.3（a）所示。

D1 + D4 ~u1 uO uC u2 a √2U2 b RL uO C UO D3 0 ωt π 2π D2 (b)波形图 _ (a) 电路图图10.3 单相桥式整流电容滤波电路及波形 • 其输出电压波形如图10.3(b)所示。图中虚线为无电容时整流输出电压波形。

采用电容滤波的基本思想 • 电容是一个储存电荷的元件。要改变电容两端的电压，就必须改变其上的电荷，而电荷的改变速度决定于电容充放电时间常数。 • 充放电时间常数越大，电荷改变的速度就越慢，电容上的电压变化也就越慢，即交流分量就越小。

D1 + D4 uO uC u2 a √2U2 b RL uO C UO ~u1 D3 0 ωt π 2π D2 (b)波形图 _ 图10.3 单相桥式整流电容滤波电路及波形 (a) 电路图工作过程 • 由图10.3（b）可见，这个输出电压波形比没有滤波电容时的输出电压波形要平滑得多。输出电压的平均值，即直流输出电压通常为：UO=(1.1~1.4)U2

具体数值要视RLC的大小而定。当RL开路时，UO≈1.4U2。具体数值要视RLC的大小而定。当RL开路时，UO≈1.4U2。在工程上，一般在有负载的情况下选取滤波电容C，使UO为1.2U2就可以了。其中U2为u2的有效值。 D1 + D4 ~u1 uO uC u2 a √2U2 b RL uO C UO D3 0 ωt π 2π D2 (b)波形图 _ (a) 电路图图10.3 单相桥式整流电容滤波电路及波形

10.1.2 稳压电路 • 交流电压经整流滤波后，输出较平滑的直流电压。但这个直流电压是不稳定的。 • 造成直流电压不稳的原因有两个 • 交流电网电压波动 • 负载改变时，整流滤波电路内阻压降的影响。 • 在有交流稳压装置的供电系统中，整流滤波电路内阻是造成输出直流电压不稳定的主要原因。为使输出电压稳定就必须采取稳压措施。

T 取样电路 + + R1 uA - R3 A UI RL UO uB + UREF R2 + DZ UZ - - - 10.4 串联型晶体管直流稳压电路 1.电路结构 • 串联型晶体管直流稳压电路是目前常用的一种稳压电路，其原理图如图10.4所示。比较放大器整流滤波电路的输出

T + + R1 uA - R3 A UI RL UO uB + UREF R2 + DZ UZ - - - 10.4 串联型晶体管直流稳压电路各部分功能及作用 • UI来自整流滤波电路的输出，图10.4中T称作调整管（Regulating Device)，其作用是通过电路自动调整T集电极——发射极之间的电压UCE，使输出电压UO稳定。

R1和R2为取样电路，其作用是把输出电压的变化量通过R1和R2分压取出，然后送入比较放大器A的反向输入端，R3和稳压管DZ构成基准电压使放大器的同相端电位固定。R1和R2为取样电路，其作用是把输出电压的变化量通过R1和R2分压取出，然后送入比较放大器A的反向输入端，R3和稳压管DZ构成基准电压使放大器的同相端电位固定。 T + + R1 uA - R3 A UI RL UO uB + UREF R2 + DZ UZ - - - 10.4 串联型晶体管直流稳压电路

T + + R1 uA - R3 A UI RL UO uB + UREF R2 + DZ UZ - - - 10.4 串联型晶体管直流稳压电路 • A为比较放大器，其作用是把取样电路取出的信号进行放大，以控制调整管IB的变化，进而调整UCE的值。

调整元件 + + 取样回路比较放大 UI UO 基准电压 _ _ 图10.5串联型稳压电源方框图采用多级放大器提高稳定性 • 串联型晶体管直流稳压电路根据对稳定程度不同要求而有简有繁，例如可采用多级放大器来提高稳压性能，但基本环节是相同的，其框图如图10.5所示。

2.稳压过程 • 稳压电路的稳压过程实质就是负反馈的自动调节过程。稳压过程如下： • 如果外部因素(电网电压波动；负载变化)使UO有减小的趋势，则稳压电路内部的调节过程就使UO有增加的趋势。由于这两种趋势恰好相反，于是使UO基本维持不变。 • 同理，若外部因素使UO有增加的趋势，也会通过稳压电路内部的自动调节，使UO基本保持不变。

T + + R1 uA - R3 A UI RL UO uB + UREF R2 + DZ UZ - - - 10.1.3 输出电压的大小与调节方法 • 忽略放大器输入端电流。

T + + R1 uA - RL R3 A UI RW uB + UREF U0 R2 + DZ - UZ - - 10.6 输出电压可调的串联型稳压电路 • 改变电位计滑动端的位置就可以方便地调节输出电压的大小。图10.6所示电路的输出电压调节范围是：

10.2 线性集成稳压器 • 将串联型线性调整式直流稳压电路及其保护电路等制作在一块芯片上就构成了线性集成稳压器。 • 按外部引脚的数量，线性集成稳压器可以分为多端集成稳压器和三端集成稳压器两类。 • 目前使用的多为三端式集成稳压器。

10.2.1 三端集成稳压器外型、符号及主要参数 • 三端式集成稳压器因只有输入端、输出端及公共端三个引出端，故称之为三端集成稳压器。 • 目前常用约有最大输出电流IOM=100mA的W78L××(W79L××)系列，IOM=500mA的W78M××(W79M××)系列和IOM=1.5A的W78××(W79××)系列。 • 型号中，78表示输出为正电压，79表示输出为负电压；型号中最后两位数表示输出电压值。例如W7806表示输出电压为+6V。W78××系列外形及电路符号如图10.7所示。

输入端 输出端 W78×× 3 1 2 公共端 (b) 电路符号 3 2 1 (a) 外型图图10.7 三端集成稳压器

集成稳压器主要参数有： • ⒈输出电压UO：表示集成稳压器可能输出稳定电压的范围。 • ⒉最小电压差(UI-UO)min：为维持稳压所需要的UI与UO之差的最小值。 • ⒊容许输入电压的最大值UIM。 • ⒋容许最大输出电流值IOM。 • ⒌容许最大功耗PCM。 ⒍电压调整率SJ：

表示输入电压变化1V时，UO的相对变化率。 • ⒎输出电阻RO。

3 1 W78×× + + RL 2 C2 UO C1 UI 1μF _ 0.33μF _ 图10.8 固定输出电压的稳压电路 10.2.2三端集成稳压器的典型用法 • 图10.8所示电路是固定输出电压的稳压电路，其输出电压UO即为三端式稳压器标称值。

3 1 W78×× + + RL 2 C2 UO C1 UI 1μF _ 0.33μF _ 图10.8 固定输出电压的稳压电路 • 图中电容C1可以进一步减小输入电压的纹波，并能清除自激振荡。 • 电容C2可以消除输出高频噪声。

如何选择稳压器 • 1.在选择三端稳压器时，应根据所设计的输出电流选择稳压器系列。 • 例如，输出电流小于100mA时可选用W78L××系列； • 输出电流小于500mA时可选用W78M××系列； • 输出电流小于1.5A时可选用W78××系列。 • 2.根据输出电压要求选择合适型号的三端稳压器。例如:稳压电源设计要求为+12V，1.2A，可选用W7812三端稳压器。

3 1 W78×× + + RL 2 C2 UO C1 UI 1μF _ 0.33μF _ 图10.8 固定输出电压的稳压电路 • 3.当所设计的稳压电路输出电压为负值时，可选用负压输出的集成稳压器(例如W79××系列)，接线方式与图10.8相同。

4.当同时需要正、负电压输出时，可同时选择W78××和W79××两个稳压器按图10.9接线即可。4.当同时需要正、负电压输出时，可同时选择W78××和W79××两个稳压器按图10.9接线即可。 3 1 W78M18 UO(+18V) 2 C1 C2 C0 ~220V 44V ~ C1 C2 2 UO(-18V) W79M18 1 3 图10.9 具有正负两路输出稳压电路

3 1 W78×× + + + U’O R1 2 _ UO UI + I1 UZ _ _ 图10.10 提高输出电压的方法 10.2.3 三端集成稳压器的扩展用法 • 提高输出电压的电路，如图10.10所示。 • ⒈提高输出电压的方法 • 输出电压为： UO=U’O+UZ

输出电压可调的稳压电路，如图10.11所示。运放输入电压就是UO与稳压器标称电压U'O之差。输出电压可调的稳压电路，如图10.11所示。运放输入电压就是UO与稳压器标称电压U'O之差。 W78×× + + + + R1 U’O U’O C _ _ + UI RL UO R2 _ R3 _ _ 图10.11 输出电压可调的稳压电路 ⒉输出电压可调的稳压电路该稳压电路的电压调节范围为

输出电流扩展电路，如图10.12所示。 IE IC T ID II ID IL R2 1 W78×× 3 + + D 2 UO RL C2 C1 _ _ 图10.12 扩大输出电流的稳压电路 ⒊输出电流扩展电路 R1 UI

IE IC T ID II ID IL R2 1 W78×× 3 + + D 2 UO RL C2 C1 _ _ 图10.12 扩大输出电流的稳压电路 • 在三极管发射结压降与二极管正向压降相等的情况下，有IER1=IOR2，所以

在忽略三极管基极电流和流出云端稳压器公共端电流情况下，可得稳压电源输出电流为： • 由式可知：IL>ID。只要适当选择R1，R2的值就可获得所需要的负载电流。

10.3开关型稳压电路 1. 开关型稳压电路的特点 ①效率高。开关型稳压电路中的调整管工作在开关状态，通过改变调整管导通时间实现稳压。由于调整管主要工作在截止和饱和两种状态，管耗很小，开关型稳压电路效率较高，可达80～90%。 ②体积小重量轻。大多数开关型稳压电路不使用50Hz工频变压器，而且开关频率在几十～几百千赫，使滤波电感和电容的容量减小；因调整管的功耗小，散热器也随之减小。 10.3.1开关型稳压电路的特点和类型

1、开关型稳压电路的特点 ③对输入直流电压要求不高。由于开关型稳压电路的输出电压与调整管高通与截止时间的比例有关，而输入直流电压的幅度变化对其影响很小。 ④调整管的控制电路复杂。为了使调整管工作在开关状态，需要增加复杂的控制电路。 ⑤输出电压中纹波和噪声较大。因调整管工作在开关状态，将产生尖峰干扰和谐波信号，虽然经过整流滤波，输出电压中的纹波和噪声仍比线性稳压电路大。 10.3.1开关型稳压电路的特点和类型

10.3.1开关型稳压电路的特点和类型 2、开关型稳压电路的分类开关型稳压电路种类很多，可以按不同方式来分类。按调整管与负载连接方式可分为串联型和并联型。在串联开关型稳压电路中，调整管与负载串联，输出电压总是小于输入电压，故称为降压型稳压电路。在并联开关型稳压电路中，调整管与负载并联，具有升压功能，故称为升压型稳压电路。按稳压的控制方式可分为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulated，PWM)、脉冲频率调制型(Pulse Frequency Modulated, PFM)和混合调制，其中脉冲宽度调制PWM用得较多。按调整管是否参与振荡可分为自激式和他激式。按所用开关管的种类分双极性三极管、MOS场效应管和晶闸管等。

1. 串联开关型稳压电路： 串联开关型稳压电路，调整管与负载是串联的，因此输出电压小于输入电压，也称为降压式变换器(Step-Down Regulator)，或者Buck变换器(Buck Regulator)。在图10-13中，VT为调整管(也称开关管)，VD为续流二极管，L、C构成滤波器。当uB为高电平时，调整管VT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增大，L和C储能，续流二极管VD反偏截止。当uB为低电平时，调整管VT由导通变为截止，电感电流iL不能突变，iL经RL和续流二极管VD衰减而释放能量，此时C也向RL放电，因此RL两端仍能获得连续的输出电压。 10.3.2开关型稳压电路的工作原理

调整管VT驱动电压uB一般为PWM(Pulse Width Modulation, 脉宽调制)信号，周期为T，频率为f=1/T，导通时间为ton，截止时间为toff，则周期T=ton+toff，占空比q= ton/T。通常PWM信号频率f在20kHz以上，频率越高，所用的储能元件L、C的值越小，稳压电源的尺寸和重量将会减小，成本降低；但是频率增加将使开关管在单位时间内转换次数增加。 1. 串联开关型稳压电路： 10.3.2开关型稳压电路的工作原理由此可见，如果UI值不变，通过调节占空比q即可调节输出电压U0。

1. 串联开关型稳压电路： 10.3.2开关型稳压电路的工作原理若保持控制信号的脉宽不变，只改变信号的周期T，同样也能使输出电压U0发生变化，这就是脉冲频率调制型(PFM)开关稳压电路；若同时改变导通时间ton和周期T，称为混合调制型开关稳压电路。图10-13 串联开关型稳压电源原理框图

10.3.2开关型稳压电路的工作原理 2. 并联开关型稳压电路：并联开关型稳压电路，调整管与负载是并联的，因此输出电压大于输入电压，也称为升压式变换器(Step-Up Regulator)，或者Boost变换器(Boost Regulator)。在图10-15中，VT为调整管(也称开关管)，VD为续流二极管，L、C构成滤波器。当uB为高电平时，调整管VT饱和导通，使二极管VD反偏而截止，输入电压UI经电感L和调整管VT形成回路，通过电感L中的电流iL在电感中储能；同时电容C对负载放电，供给负载RL电流。当uB为低电平时，调整管VT截止，由于电感电流iL不能突变而产生反极性的自感电动势，使二极管VD导通，电感电流iL经续流二极管VD向电容C充电，同时给负载RL供电。因此，在输出端能获得平稳的直流输出电压。

10.3.2开关型稳压电路的工作原理 2. 并联开关型稳压电路：图10-16给出了开关管电压uB、开关管电流iVT、二极管电流iVD、电感电流iL的波形。开关管VT导通时间越长，向电感L储能越多，当开关管截止时，L向负载释放的能量越多，输出电压越大。可以证明，并联开关型稳压电路的输出电压平均值为式中，调整管VT驱动电压uB信号周期为T，导通时间为ton，截止时间为toff，则周期T=ton+toff，占空比q= ton/T。由于占空比q总是小于1，则UO总是大于UI。

10.3.2开关型稳压电路的工作原理 2. 并联开关型稳压电路：图10-15并联开关型稳压电源原理框图图10-16 Boost变换器的工作波形

10.3.3 集成开关稳压器 目前，开关稳压电源所用的集成电路分为两类，一类是将脉冲产生、脉宽调制等控制电路集成在一个芯片上，称为开关稳压控制器，一般需要外接开关功率调整管和快速恢复功率二极管，主要用于自行设计制作的电路复杂、功能齐全的大型开关稳压电路系统；例如，UC3846、UC3907等。另一类是将脉冲产生、脉宽调制、调整管等集成在一个芯片上，用户只需外接二极管、电感、电容和电阻就可以构成开关稳压电源，称为开关稳压器。开关稳压器种类很多，有串联型(降压型)开关稳压器、并联型(升压型)开关稳压器、输出电压极性倒换型等。在降压型稳压器中，常用的有LM2575(输出电流1A，工作频率52kHz)、LM2576(输出电流3A，工作频率52kHz)、LM2596(输出电流3A，工作频率150kHz)等。

10.3.3 集成开关稳压器 在升压型稳压器中，常用的有LM2577(输出电流3A，工作频率52kHz)、LT1110(输出电流1A，工作频率70kHz)、LM3478(输出电流1A，可调频率100kHz～1MHz)等。输出电压极性倒换型常用的有ICL7660(输入电压1.5V~10V，输出电压-1.5V~-10V)、MAX764(输出电压-5V)、MAX765(输出电压-12V)、MAX766(输出电压-15V)。下面介绍几种常用的开关稳压器。

10.3.3 集成开关稳压器 1. LM2576 Buck变换器及应用 LM2576系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压电路，也称Buck变换器。它内含固定频率振荡器(52kHz)和基准电压(1.23V)，并具有完善的保护电路，有电流限制、热关断电路等，如图10-17所示，LM2576只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。LM2576系列包括LM2576和LM2576HV二个系列，其中LM2576最高输入电压是40V，LM2576HV最高输入电压是60V。各系列产品均提供有3.3V、5V、12V、15V及可调(ADJ)等多个电压档次产品。

10.3.3 集成开关稳压器 1. LM2576 Buck变换器及应用 LM2576系列开关稳压集成电路的主要特性是： ①最大输出电流：3A； ②最高输入电压：LM2576为40V，LM2576HV为60V； ③输出电压：3.3V、5V、12V、15V和ADJ(可调)等可选； ④振荡频率：52kHz； ⑤转换效率：75％～88％ (不同电压输出时的效率不同)； ⑥控制方式：PWM； ⑦工作温度范围：-40C～+125C； ⑧封装形式：TO-220(图10-18)或TO-263。

10.3.3 集成开关稳压器 图10-17 LM2576内部框图和5V固定输出应用图10-18 TO-220封装的LM2576引脚图

10.3.3 集成开关稳压器 LM2576的5V固定输出应用电路如图10-17所示，其中IN5822是开关特性好的肖特基二极管。可调输出应用电路如图10-19所示，要求输入电压高于输出电压。输出电压与取样电阻之间的关系如下：图10-19 LM2576可调输出电路

10.3.3 集成开关稳压器 2. LM2577 Boost变换器及应用 LM2577系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出升压开关型集成稳压电路，也称Boost变换器。它内含固定频率振荡器(52kHz)和基准电压(1.23V)，逻辑电路、软启动、并具有完善的保护电路等，如图10-20所示。该系列产品有12V、15V及可调(ADJ)等多个电压档次产品，使用时要求输出电压高于输入电压。LM2577系列开关稳压集成电路的主要特性是： ①最大输出电流：3A；②输出电压：12V、15V和ADJ(可调)；③振荡频率：52kHz；④工作温度范围：-40C～+125C；⑤封装形式：TO-220(图10-21)、TO-263、TO-3等。

10.3.3 集成开关稳压器 图10-21 TO-220封装的LM2577引脚图图10-20 LM2577内部框图

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