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第第9章章    功率电路及系统功率电路及系统一、概述1. 功率放大电路研究的问题功率放大电路研究的问题    （（1）） 性能指标：输出功率和效率性能指标：输出功率和效率         若已知若已知Uom，，则可得则可得Pom         最大输出功率与电源损耗的平均功率之比为效率最大输出功率与电源损耗的平均功率之比为效率    （（2）） 分析方法：因大信号作用，故应采用图解法分析方法：因大信号作用，故应采用图解法    （（3）） 晶体管的选用：根据极限参数选择晶体管晶体管的选用：根据极限参数选择晶体管    在功放中，晶体管通过的最大集电极或射极电流接近在功放中，晶体管通过的最大集电极或射极电流接近最大集电极电流，承受的最大管压降接近最大集电极电流，承受的最大管压降接近c-e反向击穿电反向击穿电压，消耗的最大功率接近集电极最大耗散功率称为工压，消耗的最大功率接近集电极最大耗散功率称为工作在尽限状态作在尽限状态2. 对功率放大电路的要求（（1）甲类方式：晶体管在信号的整个周期内均处于导通状态）甲类方式：晶体管在信号的整个周期内均处于导通状态（（2）乙类方式：晶体管仅在信号的半个周期处于导通状态）乙类方式：晶体管仅在信号的半个周期处于导通状态（（3）甲乙类方式：晶体管在信号的多半个周期处于导通状态）甲乙类方式：晶体管在信号的多半个周期处于导通状态（（1）在电源电压一定的情况下，最大不失真输出电压最）在电源电压一定的情况下，最大不失真输出电压最大，即输出功率尽可能大。

大，即输出功率尽可能大2）效率尽可能高，因而电路损耗的直流功率尽可能小，）效率尽可能高，因而电路损耗的直流功率尽可能小，静态时功放管的集电极电流近似为静态时功放管的集电极电流近似为03 3、晶体管的工作方式、晶体管的工作方式9—1     功率放大器功率放大器 9—1—1功率放大器的特点及工作状态分类功率放大器的特点及工作状态分类          一、特点一、特点          (1) 给负载提供足够大的功率          (2) 大信号工作          (3) 分析方法以图解法为主          (4) 非线性失真矛盾突出           (5) 提高效率成为重要的关注点          (6) 功率器件的安全问题必须考虑             二、工作状态分类二、工作状态分类            根据直流工作点的位置不同，放大器的工作状态可分为A类(甲类)、B类(乙类)、C类(丙类)等，如图9—1所示图(a)中，工作点Q较高(ICQ大)，信号在360°内变化，管子均导通，称之为A类工作状态图(b)中，工作点Q选在截止点，管子只有半周导通，另外半周截止，称之为B类工作状态。

而图(c)中，工作点Q选在截止点下面，信号导通角小于180°，称之为C类工作状态图9—1放大器的工作状态分类(a)A类(导通角为360°);(b)B类(导通角为180°);(c)C类(导通角＜180°)图9—1放大器的工作状态分类(a)A类(导通角为360°);(b)B类(导通角为180°);(c)C类(导通角＜180°)图9—1放大器的工作状态分类(a)A类(导通角为360°);(b)B类(导通角为180°);(c)C类(导通角＜180°)             分析结果表明，A类工作时非线性失真虽小，但效率太低，且没有收到信号时，电源仍供给功率(ICQ≠0)，这些功率将转化为无用的管耗B类工作时非线性失真虽大(波形只有半周)，但效率却很高，只要我们在电路结构上加以弥补，非线性失真是可以减小的，所以，在功率放大器中大多采用B类工作C类工作主要用于高频功率放大器中，这里不予讨论    9—1—2甲类甲类(A类类)功率放大器功率放大器            一、电路一、电路            功率放大器的负载是各种各样的若负载RL很小，则负载线很陡，电流摆幅大，而电压摆幅小，所得交流功率与电压、电流振幅乘积有关，所以不可能使功率最大；反之，若RL很大，则电压摆幅大，电流摆幅小，功率也不可能大。

如图9—2(a)所示图中，变压器初级接到功率管集电极回路，次级接负载RL 若变压比为n，则初级等效交流负载R′L为             式中，n=N1/N2若RL太小，则要求R′L＞RL，     n＞1，变压器为降压变压器；反之，若RL太大，而要求R′L＜RL,n＜1,则采用升压变压器已知RL和最佳R′L，即可确定变压比n的值             图9—2中RB为偏置电阻，其值决定了Q点的ICQ及IBQ如果变压器是理想的，则直流工作点电压UCEQ=UCC，直流负载线为一垂直线，而交流负载线通过Q点，其斜率为(-1/R′L)，如图9—2(b)所示 (9—1) 图9—2甲类功放电路及交、直流负载线           (a)电路；(b)交、直流负载线图9—2甲类功放电路及交、直流负载线           (a)电路；(b)交、直流负载线二、功率与效率的计算二、功率与效率的计算1.电源供出功率电源供出功率PE       可见，PE是一个固定不变的值，与信号的有无或大小均无关              2. 负载得到的交流功率负载得到的交流功率PL             设变压器效率ηT=1,则PL=PRL=PR′L，即(9—3)         式中UC和IC分别为集电极交流电压和电流的振幅，信号越大， UC 、 IC越大，输出功率也将增大。

在最佳负载和工作点的情况下，最大交流振幅为(9—4)              3. 管子功耗管子功耗PC                         当信号为零时，PL=0，PCm=PE，电源功率全部变为管耗；而当信号增大时，部分电源直流功率转换为有用的交流功率，管耗反而下降      此时，最大输出功率PLm为(9—5) (9—6)             4. 转换能量的效率转换能量的效率η(9—7) 当信号最强，UCm=UCC,ICm=ICQ时，效率达到最高：(9—8)         可见，A类放大器无信号时，效率为零，而信号最强时最大效率也只有50%这是A类放大器的致命弱点，也是晶体管功率放大器极少采用A类放大器的原因   9—1—3  互补跟随乙类互补跟随乙类(B类类)功率放大器功率放大器             一、双电源互补跟随乙类功率放大器一、双电源互补跟随乙类功率放大器(OTL电路电路)              1.电路电路             此类功率放大器的电路如图9—3所示，其电路形式和集成运放的输出级是相同的其中二极管是为克服交越失真而设置的，ICO为前置级放大器有源集电极负载电流源。

该电路由VD1、VD2和V1、V2构成跨导线性环，是电流模电路根据第八章的分析，当负载电流ILICO时，输出管V1 、 V2均工作在B类，它们轮流导，通以给负载提供电流 图9—3  互补跟随乙类功率放大器(OTL电路)             2. 功率与效率的计算功率与效率的计算            在B类工作时，静态工作点Q接近截止点，V1、V2都是半周导通，其电流iC1(或iC2)为半波正弦画出该电路的负载线和工作点位置如图9—4所示            根据图9—4的波形，我们可以计算该电路的功率和效率图9—4互补跟随乙类功放负载线及工作点       (a)单管负载线；(b)双管负载线 图9—4互补跟随乙类功放负载线及工作点       (a)单管负载线；(b)双管负载线              1)输出交流功率PL             V1、V2为半周工作，但负载电流却是完整的正弦波令 ，           称之为电压利用系数，那么式(9---9)可改写为(9—9) (9—10)         信号越大，Uo增大，电压利用率也增大若忽略集电极饱和电压，则最大ξ=1，故最大输出功率PLm为 (9—11)             2)电源提供的功率            当信号为零时，工作点接近于截止点，ICQ=0，电源不提供功率；而随着信号的增大，iC1增大，电源提供的功率也将随之增大。

这点与A类功放有本质的差别                PE=UCC·(iC1的直流分量)+|UEE|·(iC2的直流分量)当信号最大时，Uom≈UCC，所以电源输出的最大功率为 (9—13) (9—12)               3)每管转换能量的效率η (9—14) 当信号最大，ξ=1时，效率达到最高： 可见，B类工作的效率远比A类的高 4)每个管子损耗PC        可见，每个管子的损耗PC是输出信号振幅的函数将PC对Uo求导，可得出最大管耗PCm令得出，当                    时，每管的损耗最大：             那么，我们可以得出一个重要结论，即PCm与最大输出功率的关系为 (9—18)         式(9—18)提供了选择功率管功耗的依据例如，负载要求的最大功率PLm=10W，那么只要选一个功耗PCm大于0.2PLm=2W的功率管就行了            3.选择功率管选择功率管            为保证晶体功率管的安全和输出功率的要求，电源及输出功率管参数的选择原则如下：            (1)已知PLm及RL，选UCC，则(9—19) (2)已知PLm，选择管子允许的最大功耗PCM。

管子允许的最大功耗(9—20)                (3)管子的击穿电压U(BR)CEO            当信号最大时，一管趋于饱和，而另一管趋于截止，截止管承受的最大反压为UCC+|UEE|=2UCC，所以 (4)管子允许的最大电流ICM9—21) (9—22)             二、单电源互补跟随乙类功率放大器二、单电源互补跟随乙类功率放大器            单电源互补跟随乙类功率放大器电路如图9—5所示            由图可见，静态时，a点电位                  ，那么电容C的直流电位也为UCC/2，当V1导通、V2截止时，V1给负载RL提供电流；而当V1截止、V2导通时，电容C充当V2的电源，只要C足够大，在信号变化一周内，电容电压可以保持基本恒定UCC/2             负载得到的交流电压振幅的最大值为 图9-5  单电源互补跟随乙类功放电路故，该电路负载得到的最大交流功率PLm为为保证功率放大器良好的低频响应，电容C必须满足 (9—23)    (9—24)         式中fL为放大器所要求的下限频率。

有关放大器的其它指标，请读者自行分析              三、复合管及准互补乙类功率放大器三、复合管及准互补乙类功率放大器(OCL电路电路)            在功率放大器中，输出功率大，输出电流也大如要求输出功率PLm=10W，负载电阻为10Ω，那么，功率管的电流峰值ICm=1.414A若功率管的β=30，则要求基极驱动电流IBm=41.1mA前级晶体管放大器或运算放大器，若输不出这样大的电流来驱动后级功率管，则需要引入复合管复合管又称达林顿电路复合管的总β值为 (9—25)             等效β值的增大，意味着前级供给的电流可以减少组成复合管的原则有以下几点：            (1)电流流向要一致            (2)各极电压必须保证所有管子工作在放大区，即保证e结正偏，c结反偏            (3)因为复合管的基极电流iB等于第一个管子的iB1，所以复合管的性质取决于第一个晶体管的性质若第一个管子为PNP，则复合管也为PNP,反之为NPN正确的复合管连接方式有四种，如图9—6所示 图9—6复合管的组成(a)等效为NPN管；(b)等效为PNP管；(c)等效为PNP管；(d)等效为NPN管 图9—6复合管的组成(a)等效为NPN管；(b)等效为PNP管；(c)等效为PNP管；(d)等效为NPN管 图9—6复合管的组成(a)等效为NPN管；(b)等效为PNP管；(c)等效为PNP管；(d)等效为NPN管 图9—6复合管的组成(a)等效为NPN管；(b)等效为PNP管；(c)等效为PNP管；(d)等效为NPN管               互补乙类功率放大器要求输出管V1(NPN)和V2(PNP)性能对称匹配。

所以，用复合管构成V1和V2管时，希望输出管都用NPN管，因为NPN管的性能一般比PNP管好用复合管组成的互补跟随乙类功放如图9—7所示，其中NPN管采用图9—6(a)电路，PNP管采用图9—6(c)电路这样，承受大电流的管子均用大功率NPN管，此类电路称之为准互补乙类功率放大器，简称OCL电路图中R1和R2是为了分流反向饱和电流而加的电阻，目的是提高功放的温度稳定性 图9—7 准互补乙类功率放大器电路几种电路的比较      变压器耦合乙类推挽：变压器耦合乙类推挽：变压器耦合乙类推挽：变压器耦合乙类推挽：单电源供电，笨重，效率单电源供电，笨重，效率低，低频特性差低，低频特性差OTLOTL电路：电路：电路：电路：单电源供电，低频特性差单电源供电，低频特性差OCLOCL电路：电路：电路：电路：双电源供电，效率高，低频特性好双电源供电，效率高，低频特性好BTLBTL电路：电路：电路：电路：单电源供电，低频特性好；双端输入单电源供电，低频特性好；双端输入双端输出双端输出   9—1—4集成功率放大器集成功率放大器              一、集成功率放大器一、集成功率放大器              1.SHM1150Ⅱ型双极晶体管与MOS管混合的音频集成功率放大器             集成化是功率放大器的发展必然，目前集成功率放大器大都工作在音频段。

集成功率放大器的型号很多，在此仅举例说明之             图9—8(a)给出集成音频功率放大器SHM1150Ⅱ型的内部简化电路图这是一个由双极型晶体管和VMOS组成的功率放大器，允许电源电压为±12V~±50V，电路最大输出功率可达150W，使用十分方便，其外部接线如图9—8(b)所示  图9—8SHM1150Ⅱ型BiMOS集成功率放大器               (a)内部电路；(b)外部接线图              由图9—8(a)可见，输入级为带恒流源的双极型晶体管差分放大器(V1、V2)，双端输出第二级为单端输出的差分电路(由PNP管V4、V5组成)，恒流源I2为其有源负载电流            2. 桥式功率放大器桥式功率放大器            由两个功率放大器构成的桥式功放可以增大输出功率如图9—9所示.负载(扬声器)RL跨接在A1和A2的输出端，故负载得到的交流输出功率PL为         可见，桥式功放使输出功率增大到单个功放的四倍A1和A2的同相端都加2.5V的偏压，以保证A1 、 A2正常工作 (9—26) 图9—9   桥式集成功放LM4860及其外部电路9—2 整流器和直流稳压电源整流器和直流稳压电源             流稳压电源是所有电子设备的重要组成部分，它的基本任务是将电力网交流电压变换为电子设备所需要的稳定的直流电源电压。

直流电源的一般组成如图9—10所示其中变压器是将电网电压(220V、50Hz)变换为所需的交流电压；整流是将变压器次级交流转换为单向脉动直流；滤波是将整流后的波纹滤除 图9—10  直流稳压电源的基本框图   9—2—1整流滤波电路整流滤波电路            一、整流滤波电路一、整流滤波电路            利用二极管的单向导电性能可实现整流常用的整流电路有半波整流、全波整流、桥式整流和倍压整流，如图9—11所示                    图9—11常用整流电路(a)半波整流；(b)全波整流；(c)桥式整流；(d)倍压整流                    图9—11常用整流电路(a)半波整流；(b)全波整流；(c)桥式整流；(d)倍压整流                    图9—11常用整流电路(a)半波整流；(b)全波整流；(c)桥式整流；(d)倍压整流                    图9—11常用整流电路(a)半波整流；(b)全波整流；(c)桥式整流；(d)倍压整流                             图9—12 常用滤波电路(a)电容滤波；(b)电感电容Γ型滤波；(c)电阻电容Π型滤波             二、整流滤波电路的工作原理及主要性能二、整流滤波电路的工作原理及主要性能             1. 工作原理工作原理             如图9—13所示，全波整流的变压器有中心抽头，且要求次级两绕组十分对称，整流管V1、V2接于变压器次级两端和负载之间，采用简单电容滤波。

            设滤波电容电压初始值uC(0)=0,当u″i为正半周时，V1导通，V２截止，u′i给C充电由于二极管内阻较小，充电时常数较小，uC上升快当uC上升到等于u′i(t1)时，V1、V2均截止，电容C通过负载RL放电，uo下降              图9—13全波整流电路及电压电流波形(a)电路；(b)管子流过的电流及输入输出电压波形              图9—13全波整流电路及电压电流波形(a)电路；(b)管子流过的电流及输入输出电压波形              图9—13全波整流电路及电压电流波形(c)计算机仿真波形(为看清输出波纹，故意将滤波电容值取得很小，实际上要加几百~几千μF) 2. 主要性能主要性能1)输出直流电压Uo不接滤波电容(C=0)时:         当接入滤波电容(C≠0)，且负载RL=∞时，输出电压可充电至输入电压峰值： 一般情况下(RL ≠∞,C≠0)，Uo的估算值为(9—27) (9—28) (9—29)             式中U′i为变压器次级单边交流电压有效值，U′im为交流振幅根据式(9—28)，可以由Uo算出U′i，从而算出变压比         2)滤波电容估算值         滤波电容的选择要满足下式，即此时，波纹电压峰峰值Urpp约为(9—30) (9—31)式中：T为交流电网信号周期；IL为负载电流。

            3)整流管的选择           (1)整流管最大允许电流            (2)整流管反向击穿电压UBR＞2U′im            半波整流只有一个整流管，所以IM＞IL，且波纹大，所以一般用得不多 图9—14   用“硅桥”实现正、负两路直流输出的全波整流电路   9—2—2串联反馈型线性稳压电源的工作原理串联反馈型线性稳压电源的工作原理           一、电路一、电路           常用稳压电路有串联反馈型稳压电路和开关型稳压电路首先，我们介绍最常用的串联型稳压电源            串联型稳压电源的框图如图9—15所示图中“调整环节”就是一个射极输出器取样环节是将输出电压的变化样品取来，加到一个误差比较放大器的反相输入端，与同相输入端的基准电压相比较 图9—15 串联型稳压电源框图           二、主要参数二、主要参数           1.主要指标主要指标           1)稳压系数稳压系数S           S表示输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比，即(9—32)          2)输出电阻Ro         Ro表示负载变化(IL变化)对输出电压的影响，即(9—33) 一般稳压器的Ro为mΩ数量级。

 3)温度系数STST表示温度变化对输出电压的影响，其表达式为 (9—34)              2. 调整管参数调整管参数             (1)调整管最大允许电流ICM必须大于负载最大电流ILM             (2)调整管最大允许功耗PCM必须大于调整管的实际最大功耗当输入电压最大，而输出电压最小、负载电流最大时，调整管的实际功耗是最大的            (3)调整管必须工作性放大区，其管压降一般不能小于3~4V             (4)如果单管基极电流不够，则采用复合管；若单管输出电流不能满足负载电流的需要，则可使用多管并联             (5)电路必须具有过热保护、过流保护等措施，以免调整管损坏           3.电路输出电压调节电路输出电压调节           (1)大波段调节依靠改变整流器变压器抽头           (2)波段内调节靠电位器RW，如图9—15所示对于误差比较放大器，有 (9—35) 调节R1和R2的比例，即可调节输出电压值            三、集成三端稳压器三、集成三端稳压器            集成三端稳压器是集成串联型稳压电源，用途十分广泛，而且非常方便。

集成三端稳压器有78××系列(输出正电压)和79××系列(输出负电压)，后面两位数表示输出电压值，如7812，即表示输出直流电压为+12V图中，C1可以防止由于输入引线较长而带来的电感效应而产生的自激C2用来减小由于负载电流瞬时变化而引起的高频干扰C3为容量较大的电解电容，用来进一步减小输出脉动和低频干扰图9—16三端集成稳压电源的典型接法(a)78××系列典型接法；(b)79××系列典型接法；(c)三端稳压器外形图图9—16三端集成稳压电源的典型接法(a)78××系列典型接法；(b)79××系列典型接法；(c)三端稳压器外形图             三端稳压电源的功能可以扩展图9—17给出几个功能扩展电路图9—17(a)是一个扩流电路图中V为扩流晶体管，输出总电流Io=I′o+IC            图9—17(b)电路是一个扩大输出电压的电路，该电路输出电压                            式中，IQ为稳压器静态工作电流，通常比较小；UR1是稳压器输出电压U′o所以(9—36)            图9—17(c)电路是一个输出电压可调电路只不过在三端稳压器和可调电位器之间加了隔离运放电路。

所以，输出电压表达式同式(9—36)调节RW的中心抽头位置即可调节输出电压Uo值图9—17三端稳压器功能的扩展(a)扩流电路；(b)扩压电路；(c)输出电压可调电路图9—17三端稳压器功能的扩展(a)扩流电路；(b)扩压电路；(c)输出电压可调电路图9—17三端稳压器功能的扩展(a)扩流电路；(b)扩压电路；(c)输出电压可调电路  9—2—3开关型稳压电源开关型稳压电源            串联型反馈式稳压电源用途广泛，但存在以下两个问题：            (1)调整管总工作性放大状态，管压降大，流过的电流也大(大于负载电流)，所以功耗很大，效率较低(一般为40%~60%)，且需要庞大的散热装置            (2)电源变压器的工作频率为50Hz，频率低而使得变压器体积大、重量重              开关稳压电源正是基于上述改革思路而发明的新型稳压电源目前，开关稳压电源已广泛应用于计算机、电视机及其它电子设备中            开关稳压电源的电路形式很多，我们仅以下面的例子对其工作原理加以简要说明             开关稳压电源的一般框图如图9—18所示。

 图9—18  开关稳压电源框图             电网电压不稳使输出直流电压Uo增大，经光耦合器隔离，误差放大器反相输入端电压增大，其输出减小该电压(UC+)与UC-的三角波比较结果，会使其输出电压(UG)的占空比减小，如图9—19虚线所示，从而使VMOS导通时间减小，截止时间增加经二次整流后取出方波的平均值(Uo)将随之减小这就是开关电源稳压的原理图9—20给出一个实际的开关稳压电源的电原理图图9—19   脉宽调制器的各点波形          图9—20  一个实际的开关稳压电源电路              图9—20中，VMOS源极电阻R9为过流采样电阻当过流时，UR9增大，经R10送至UC3842的3端，以实现过流保护的目的C8、VD3、R11、R12、VD2和C9构成两级吸收回路，用以吸收尖峰干扰VD1~VD3采用快恢复的二极管FR305VD4为输出整流管，采用D80-004型肖特基二极管，以满足高频、大电流整流的需要            该电路采用自馈绕组反馈，而不是像图9—18所示的从输出电压经光耦合反馈，一般用于固定负载的情况        图9—21  脉宽调制器UC3842框图9—3   功率器件功率器件  9—3—1双极型大功率晶体管双极型大功率晶体管(BJT)           在低频功率放大器和串联型稳压电源中，我们都曾提到，功率管的最大工作电流必须小于该功率管的最大允许电流ICM；最大工作反压必须小于允许的击穿电压U(BR)CEO；功率管的功耗要小于允许的最大功耗PCM。

这里有两个问题还需加以说明：一是散热与最大功耗的关系，二是有关二次击穿和安全工作区             一、散热与最大功耗一、散热与最大功耗PCM的关系的关系            我们知道，电源供给的功率，一部分转换为负载的有用功率，另一部分则消耗在功率管的集电结，变为热能而使管芯的结温上升如果晶体管管芯的温度超 过 管 芯 材 料 的 最 大 允 许 结 温 TjM(锗 管 TjM约 为75℃~100℃,硅管TjM约为150℃~200℃)，则晶体管将永久损坏我们把这个界限称为晶体管的最大允许功耗PCM             描述热传导阻力大小的物理量称为热阻RT RT的量纲为℃/W，它表示每消耗1W功率结温上升的度数为减小散热阻力，改善散热条件，通常采用加散热器的方法图9—22(a)给出一种铝型材散热器的示意图加散热器后，热传导阻力等效通路如图9—22(b)所示图中：            RTj——内热阻，表示管芯到管壳的热阻；            RTfo——管壳到空间的热交换阻力；            RTc——管壳到散热器之间的接触热阻，与管壳和散热器之间的接触状况有关；            RTf——散热器到空间的热交换阻力，与散热器的形状、材料以及面积有关。

图9—22散热器和热传导阻力等效通路(a)铝型材散热器示意图；(b)热传导阻力等效通路(热阻计算)    由图9—22可见，不加散热器时，总热阻RTo为    由于管壳散热面积很小，RTfo是很大的            加散热器后，由于(RTc+RTf)≤RTfo，所以，总热阻RT为   显然，RT<

所以，功率管的安全工作区如图9—24所示 图9—24    双极型功率管的安全工作区   9—3—2 功率功率MOS器件器件            有许多适合大功率运行的MOS器件，其中突出的代表是VMOS管和双扩散MOS管            VMOS管的结构剖面图如图9—25所示 图9—25   VMOS管的结构剖面图          与BJT管比较，VMOS具有许多优点：           (1)输入阻抗大，所需驱动电流小，功率增益高           (2)温度稳定性好，漏极电阻为正温度系数，当器件温度上升时，电流受到限制，不可能产生热击穿，也不可能产生二次击穿            (3)没有BJT管的少子存贮问题，加之极间电容小，所以开关速度快，适合高频工作(工作频率达几百kHz甚至于几MHz)在VMOS基础上加以改进，目前又出现了双扩散MOS管(简称DMOS)此类管子在承受高电压、大电流，速度快等性能方面又有不少提高   9—3—3绝缘栅绝缘栅—双极型功率管双极型功率管(IGBT)及功率模块及功率模块            一、一、IGBT的等效电路及符号的等效电路及符号             IGBT的等效电路和符号如图9—26所示。

它综合了MOS管输入阻抗大、驱动电流小和双极型管导通电阻小、高电压、大电流的优点当MOS管栅压大于开启电压后，出现漏极电流该电流就是双极型晶体管的基极电流，从而使BJT管导通，且趋向饱和(管压降很低，电位很大)当MOS管栅压减小使沟道消失时，ID=0，IB=0,管子截止              IGBT具有许多优点，但工作频率不太高，一般小于50kHz左右图9—26绝缘栅—双极型功率管(IGBT)        (a)等效电路；(b)符号             二、功率模块二、功率模块             功率模块有许多，有达林顿电路模块、各种MOS管或BiFET组件等图9—27(a)给出一种高速大功率CMOS器件(TC4420/29系列)，其脉冲峰值电流高达6A，开关速度高达25ns，使用十分方便，而且能带动大电容负载(CL≥1000pF)图9—27(b)是由两块TC4420组成的桥式电路，驱动电机或陀螺正、反向转动               图9—27  高速大功率CMOS器件(a)内部电路；(b)由TC4420组成的桥式功率电路                目前，还出现了许多高速大功率运算放大器(PowerOperationalAmplifiers)，如OPA2544、3583等。

OPA2544的最大输出电流为2A，电源电压范围±10V~±35V，压摆率为8V/μs，其封装和引脚图如图9—28所示而OPA3583的电源电压高达±70V~±150V，输出电流为75mA，压摆率达30V/μsOPA2544和OPA3583的输入级为场效应管，输出级为互补跟随器图9—28功率运算放大器OPA2544的外形图及  管脚图                        (a)外形图；(b)管脚图    9—3—4  功率管的保护功率管的保护            为保证功率管的正常运行，要附加一些保护电路，包括安全区保护、过流保护、过热保护等等例如，在VMOS的栅极加限流、限压电阻和反接二极管，在感性负载上并联电容和二极管，以限制过压或过流又如，在功率管的c、e间并联稳压二极管，以吸收瞬时过压等等 9—4    高精度基准电压源高精度基准电压源              在集成电路或电子设备中，常需要基准电压源(UREF)该类基准电压源要求精度高，温度稳定性好(±0.2×10-6~±20×10-6左右)，噪声电压低，长期稳定度好等，但其输出电流并不大，一般为几毫安~十几毫安。

实现此类电压基准功能的电路和器件有两种，简要介绍如下    9—4—1能隙基准电压源能隙基准电压源            一、能隙基准电压源的工作原理一、能隙基准电压源的工作原理            如图9—29所示，UBE为负温度系数，UT发生器乘以系数K为负温度系数，二者经相加器相加后得到基准电压UREF： 又知，结电压UＢＥ随温度上升而下降，即有(9—40) (9—41a) (9—41b) (9—42) 图9—29 能隙基准电压源的工作原理            式中，Ug0为半导体材料在绝对零度下(0K)的带隙(Band—Gap)电 压 ， 即 禁 带 宽 度 硅 材 料 的 Ug0为1.205V，锗材料的Ug0为0.72V该值是一个固定不变的电压值如式(9—42)所示，若调整K值使第二项与第三项相抵消，则(9—43)             二、能隙基准电压源电路二、能隙基准电压源电路            图9—30给出一个能隙基准电压源的电路例子设运算放大器是理想的，且RA=RB             因此有 (9—44) (9—45) 图9—30  能隙基准电压源电路   运放输出电压即基准电压UREF为(9—46)  式中， 调节R1和R2的值，使KUT=CT，那么(9—47)             若R4固定，则改变R3,即可得到不同的基准电压值。

美国AD公司的AD580、AD581、AD584、AD680系列电压基准的原理电路与图9—30相同例如，AD581的基准电压UREF=10V±0.005V，温度系数ST为5×10-6/℃，长期稳定度为25×10-6/1000h，输出噪声电压的峰峰值小于40μV   9—4—2  以埋层齐纳管为参考的超高精度基准电压源以埋层齐纳管为参考的超高精度基准电压源             能隙基准电压源的ST≤3×10-6/℃，噪声电压UNpp≥20μV对于高分辨率的A/D、D/A(16位以上)，仍感不足以埋层齐纳管为参考的基准电压源的精度和稳定度有望更高             普通齐纳管的击穿机理发生在硅晶体表面，如图9—31(a)所示，表面存在更多的杂质，易受机械压力和晶格错位等因素影响，导致击穿噪声大，长期稳定性不好图9—31 普通齐纳管和埋层齐纳管的击穿部位         (a)普通齐纳管；(b)埋层齐纳管稳压电源稳压电源二、稳压管稳压电路稳定电压稳定电压 UZ：稳压管的击穿电压：稳压管的击穿电压稳定电流稳定电流 IZ：使稳压管工作在稳压状态的最小电流：使稳压管工作在稳压状态的最小电流最大耗散功率最大耗散功率 PZM：允许的最大功率，：允许的最大功率， PZM= IZM UZ动态电阻动态电阻 rz：工作在稳压状态时，：工作在稳压状态时，rz＝＝ΔU / ΔI1. 稳压管的伏安特性和主要参数稳压管的伏安特性和主要参数伏安特性伏安特性符号符号等效电路等效电路2. 稳压管稳压电路的工作原理3. 稳压管稳压电路的主要指标（（1）输出电压）输出电压     UO＝＝UZ（（2））输出电流输出电流     IZmax－－ IZmin≤ IZM－－ IZ（（3））稳压系数稳压系数（（4）输出电阻）输出电阻     简单易行，稳压性能好。

适用于输出电压固定、输出电简单易行，稳压性能好适用于输出电压固定、输出电流变化范围较小的场合流变化范围较小的场合4. 特点特点5. 稳压管稳压电路的设计（（1））UI的选择的选择   UI＝（＝（2～～3））UZ（（2））稳压管的选择稳压管的选择    UZ＝＝UO       IZM－－IZ > ILmax－－ ILmin（（3））限流电阻的选择限流电阻的选择     保证稳压管既稳压又不损坏保证稳压管既稳压又不损坏电网电压最低且负载电流最大时，稳压管的电流最小电网电压最低且负载电流最大时，稳压管的电流最小电网电压最高且负载电流最小时，稳压管的电流最大电网电压最高且负载电流最小时，稳压管的电流最大为减小为减小Sr,取取值矛盾值矛盾!若求得若求得Rmin>Rmax，怎么办？，怎么办？讨论一：稳压管稳压电路的设计依次选择稳压管、依次选择稳压管、 UI、、 R、、 C、、U2、、二极管二极管1.  输出电压、负载电流输出电压、负载电流→稳压管稳压管2.  输出电压输出电压→UI3.  输出电压、负载电流、稳压管电流、输出电压、负载电流、稳压管电流、 UI →R4.  UI 、、 R →滤波电路的等效负载电阻滤波电路的等效负载电阻→C5.  UI → U26.  U2、、 R中电流中电流→整流二极管整流二极管      已知输出电压为已知输出电压为6V，负载电流为，负载电流为0～～30mA。

试求图示电试求图示电路的参数路的参数三、串联型稳压电路1. 基本调整管稳压电路基本调整管稳压电路为了使稳压管稳压电路输出大电流，需要加晶体管放大为了使稳压管稳压电路输出大电流，需要加晶体管放大稳压原理：电路引入稳压原理：电路引入电压负反馈电压负反馈电压负反馈电压负反馈，稳定输出电压稳定输出电压调整管的作用及如何提高稳压性能    不管什么原因引起不管什么原因引起UO变化，都将通过变化，都将通过UCE的调节使的调节使UO稳定，故称晶体管为调整管稳定，故称晶体管为调整管    若要提高电路的稳压性能，则应加深电路的负反若要提高电路的稳压性能，则应加深电路的负反馈，即提高放大电路的放大倍数馈，即提高放大电路的放大倍数2. 具有放大环节的串联型稳压电路（（1）稳压原理：若由于某种原因使）稳压原理：若由于某种原因使UO增大增大（（2）输出电压的调节范围）输出电压的调节范围同相比例同相比例运算电路运算电路则则   UO↑→ UN↑→ UB↓→ UO↓（3）串联型稳压电路的基本组成及其作用调整管调整管取样电阻取样电阻调整管调整管调整管调整管：是电路的核：是电路的核心，心，UCE随随UI和负载和负载产生变化以稳定产生变化以稳定UO。

比较放大比较放大基准电压基准电压基准电压基准电压基准电压基准电压：是：是UO的的参考电压参考电压取样电阻取样电阻取样电阻取样电阻：： 对对UO 的取样，与基准电压共同决定的取样，与基准电压共同决定UO 比较放大比较放大比较放大比较放大：将：将UO 的取样电压与基准电压比较后放大，决定的取样电压与基准电压比较后放大，决定电路的稳压性能电路的稳压性能（4）串联型稳压电源中调整管的选择IEmax＝＝IR1＋＋ILmax≈ ILmax< ICMUCEmax＝＝UImax－－ UOmin < U(BR)CEO  PTmax＝＝ IEmax UCEmax < PCM根据极限参数根据极限参数ICM、、 U(BR)CEO、、PCM      选择调整管！选择调整管！应考虑电网电压的波动和负载电流的变化！应考虑电网电压的波动和负载电流的变化！讨论二：对于基本串联型稳压电源的讨论3.  若电网电压波动若电网电压波动±10％，％， UI为为28V ，， UO为为10V～～20V ；；晶体管的电流放大系数为晶体管的电流放大系数为50，，PCM＝＝5W，，ICM＝＝1A；；集成集成运放最大输出电流为运放最大输出电流为10mA，则最大负载电流约为多少？，则最大负载电流约为多少？1.  若若UO为为10V～～20V，，R1＝＝R3＝＝1kΩ，，则则R3和和UZ各为多各为多少？少？2.  若电网电压波动若电网电压波动±10％，％， UO为为10V～～20V，，UCES＝＝3V，，UI至少选取多少伏？至少选取多少伏？讨论三：关于实用串联型稳压电源的讨论1.  标出集成运放的同相输入端和反相输入端；标出集成运放的同相输入端和反相输入端；2.  电路由哪些部分组成？电路由哪些部分组成？3.  UI＝＝21V，，R1＝＝ R2＝＝ R3＝＝300Ω，，UZ＝＝6V，， UCES＝＝3V，， UO＝？＝？4.  如何选取如何选取R’和和R？？限流型过流限流型过流保护电路保护电路输出电流输出电流取样电阻取样电阻讨论三：关于实用串联型稳压电源的讨论5.  取取样电阻的取值应大些还是小些，为什么？它们有上限值吗？样电阻的取值应大些还是小些，为什么？它们有上限值吗？6.  若电路输出纹波电压很大，则其原因最大的可能性是什么？若电路输出纹波电压很大，则其原因最大的可能性是什么？7.  根据图中过流保护电路的原理组成一种限流型过流保护电路。

根据图中过流保护电路的原理组成一种限流型过流保护电路四、集成稳压器四、集成稳压器（三端稳压器）输出电压：输出电压：5V、、6V、、9V、、12V、、15V、、18V、、24V输出电流：输出电流：1.5A（（W7800）、）、0.5A （（W78M00）、）、0.1A（（W78L00））1. W7800系列系列（（1）简介）简介（2）基本应用消除高频噪声消除高频噪声使使Co不通过不通过稳压器放电稳压器放电抵销长线电感效应，抵销长线电感效应，消除自激振荡消除自激振荡    将输入端接整流滤波电路的输出，将输出端接负将输入端接整流滤波电路的输出，将输出端接负载电阻，构成串类型稳压电路载电阻，构成串类型稳压电路（3）输出电流扩展电路    为使负载电流大于三端稳压器的输出电流，可采为使负载电流大于三端稳压器的输出电流，可采用射极输出器进行电流放大用射极输出器进行电流放大很小很小三端稳压器的输出电压三端稳压器的输出电压若若UBE= UD，则，则二极管的作用：消除二极管的作用：消除UBE对对UO的影响（4）输出电压扩展电路IW为几为几mA，，UO与三端与三端稳压器参数有关稳压器参数有关隔离作用隔离作用基准电压基准电压电路复杂电路复杂2. 基准电压源三端稳压器 W117 输出电压输出电压UREF＝＝1.25V，调整端电流只有几微安。

调整端电流只有几微安减小纹波电压减小纹波电压保护保护稳压器稳压器讨论四：W117的应用1.  R1的上限值为多少？的上限值为多少？2.  UO可能的最大值为多少？可能的最大值为多少？3.  输出电压最小值为多少？输出电压最小值为多少？4.  UOmax＝＝30V，选取，选取R1、、 R2；；5.  已知电网电压波动已知电网电压波动±10％，输出电压最大值为％，输出电压最大值为30V，， UI至少取多少伏？至少取多少伏？决定于决定于IOmin两种情况：两种情况：1.已知已知UI                    2.自己选取自己选取UI决定于决定于W117的输出的输出输入电压最低、输出电压最高时，输入电压最低、输出电压最高时，UI－－UO＞＞3V根据输出电压表达式根据输出电压表达式讨论五讨论五：集成稳压器的应用 ±UO=?     W7900与与W7800不同不同之处是输出为负电压之处是输出为负电压1.  基准电压为多少？基准电压为多少？2.  UO的表达式？的表达式？3.  为使为使W7812不因输入不因输入端和输出端之间电压太端和输出端之间电压太大而损坏，可采用什么大而损坏，可采用什么方法？方法？五、开关型稳压电路五、开关型稳压电路  1. 开关型稳压电源的特点 线性稳压电源：线性稳压电源：结构简单，调节方便，输出电压结构简单，调节方便，输出电压稳定性强，纹波电压小。

缺点是调整管工作在甲类状态，稳定性强，纹波电压小缺点是调整管工作在甲类状态，因而功耗大，效率低（因而功耗大，效率低（20％～％～49％）；需加散热器，因而％）；需加散热器，因而设备体积大，笨重，成本高设备体积大，笨重，成本高    若调整管工作在开关状态，则势必大大减小功耗，提高若调整管工作在开关状态，则势必大大减小功耗，提高效率，开关型稳压电源的效率可达效率，开关型稳压电源的效率可达70％～％～95％体积小，％体积小，重量轻适于固定的大负载电流、输出电压小范围调节的重量轻适于固定的大负载电流、输出电压小范围调节的场合构成开关型稳压电源的基本思路         将交流电经变压器、整流滤波将交流电经变压器、整流滤波                      得到直流电压得到直流电压                                 ↓  控制调整管按一定频率开关，得到矩形波控制调整管按一定频率开关，得到矩形波                                 ↓                  滤波，得到直流电压滤波，得到直流电压引入负反馈，控制占空比，使输出电压稳定。

引入负反馈，控制占空比，使输出电压稳定2. 串联开关型稳压电路   （1）基本电路         ① 电路组成及工作原理     T截止，截止， D导通，导通， uE≈ －－UD ；；L 释放能量，释放能量，C 放电T、、D 均工作在开关状态均工作在开关状态     T饱和导通，饱和导通， D截止，截止，uE≈ UI；；L 储能，储能，C 充电uB＝＝UH时时uB＝＝UL时时②  波形分析及输出电压平均值关键技术：大功率高频管，高质量磁性材料关键技术：大功率高频管，高质量磁性材料稳压原理：若某种原因使输出电压升高，则应减小占空比稳压原理：若某种原因使输出电压升高，则应减小占空比③  稳压原理脉冲宽度调制式：脉冲宽度调制式：PWM电路作用：电路作用：                   UO↑→ Ton↓→ δ↓→ UO ↓其它控制方式：其它控制方式：脉冲频率调制式：脉冲频率调制式： UO↑→ T↑（脉宽不变）（脉宽不变）→ δ↓→ UO ↓混合调制式：混合调制式： UO↑→ T↑ Ton ↓→ δ↓→ UO ↓在串联开关型稳压电路中在串联开关型稳压电路中  UO < UI，，故为降压型电路。

故为降压型电路④  脉宽调制电路的基本原理比较放大电路比较放大电路电压电压比较器比较器调整管调整管UO↑→ UN1↑→ UO1 ↓(UP2↓)→uB1的占空比的占空比δ↓→ UO↓UO↓→ UN1 ↓→ UO1↑ (UP2↑)→uB1的占空比的占空比δ↑→UO↑uP2与与uB1占空比占空比的关系的关系UP2↑δ↑稳压原理：稳压原理：3. 并联开关型稳压电路（升压型）   （1）工作原理     T截止，截止，L产生感生电产生感生电动势，动势， D导通；导通；UI与与L所所产生的感生电动势相加产生的感生电动势相加对对C 充电    T饱和导通，饱和导通， L 储能，储能， D截止，截止，C 对负载放电对负载放电uB＝＝UH时时uB＝＝UL时时    要研究调整管在饱和导通和要研究调整管在饱和导通和截止状态下电路的工作情况截止状态下电路的工作情况（2）输出电压    只有只有L足够大，才能升压；只有足够大，才能升压；只有C足够大，输出电压交足够大，输出电压交流分量才足够小流分量才足够小!      在周期不变的情况下，在周期不变的情况下，uB占空比越大，输出电压占空比越大，输出电压平均值越高。

平均值越高＋＋－－＋＋－－（3）稳压原理脉宽调制式：脉宽调制式：           UO↑→ Ton↓（（频率不变）频率不变）→ δ↓→ UO ↓。