电路与电子设计：第11章 直流稳压电源.ppt

1第第11章章 直流稳压电源直流稳压电源211.1 11.1 直流稳压电源概述直流稳压电源概述 稳压电路：将不稳定的直流电压转换成稳定的直流电压稳压电路：将不稳定的直流电压转换成稳定的直流电压①①变压器：降压；变压器：降压；②②整流电路：单向脉动整流电路：单向脉动; ; ③③滤波电路：滤掉脉动成分，输出平滑电压滤波电路：滤掉脉动成分，输出平滑电压 ④④稳压电路：在稳压电路：在电网电压波动电网电压波动、、负载变化负载变化时仍能保持稳定时仍能保持稳定 3直流稳压电源分类：直流稳压电源分类：v按调整管工作状态：按调整管工作状态：线性稳压电源线性稳压电源和和开关稳压电源开关稳压电源v按调整管与负载连接方式：按调整管与负载连接方式：串联稳压电源串联稳压电源和和并联稳压电源并联稳压电源v按电路类型：按电路类型：简单稳压电源简单稳压电源和和反馈型稳压电源反馈型稳压电源技术指标：技术指标：v特性指标：电压和电流标称值和范围特性指标：电压和电流标称值和范围v质量指标：稳压系数、输出电阻、温度系数、纹波电压、纹波抑制比质量指标：稳压系数、输出电阻、温度系数、纹波电压、纹波抑制比由由 ，输出电压的变化量表示为：，输出电压的变化量表示为： 411.2 串联反馈稳压电路串联反馈稳压电路稳压二极管组成的稳压电路稳压二极管组成的稳压电路v缺点缺点1 1：输出：输出电流小电流小v缺点缺点2 2：输出：输出电压不可调电压不可调5基本三极管串联稳压电路基本三极管串联稳压电路基本三极管串联稳压电路（常见画法）基本三极管串联稳压电路（常见画法）稳压管稳压电路稳压管稳压电路+ +射随器扩流射随器扩流1.1.基本三极管串联稳压电路：基本三极管串联稳压电路：加加BJTBJT扩大负载电流变化范围扩大负载电流变化范围因为因为|△I|△IZ Z|=|△I|=|△IB B| | ，，只要只要△△I IZ Z在稳压管的正常范围在稳压管的正常范围内，内，V VZ Z就基本保持不变。

就基本保持不变电路稳压值固定，因此需要向稳压性能好电路稳压值固定，因此需要向稳压性能好和输出电压可随意调节这两个方向改进和输出电压可随意调节这两个方向改进 ü引入深负反馈使输出电阻很小；引入深负反馈使输出电阻很小；ü引入可随意调节放大倍数的放大器以改变输出电压引入可随意调节放大倍数的放大器以改变输出电压 I IZ Z=I=IR R+I+IB B 62024/8/3上述电路存在问题：上述电路存在问题：1 1）输出不可调；）输出不可调；2 2）稳压性能不够好）稳压性能不够好解决：解决：1 1）可调放大倍数的放大器；）可调放大倍数的放大器；2 2）深度负反馈）深度负反馈ü运放为核心放大环节的串联反馈稳压电路运放为核心放大环节的串联反馈稳压电路有放大环节的串联反馈稳压电路有放大环节的串联反馈稳压电路但是，输出电流可能不够大但是，输出电流可能不够大7电压串联负反馈稳压电路电压串联负反馈稳压电路ü 三极管构成射随器，扩大电流三极管构成射随器，扩大电流82.2.有放大环节的串联反馈稳压电路有放大环节的串联反馈稳压电路基准部分基准部分 取样部分取样部分 调整部分调整部分 放大环节放大环节 串联关系串联关系 9从反馈放大器的角度看，有从反馈放大器的角度看，有 深度负反馈下，深度负反馈下， --------设计稳压电路的基本关系式。

设计稳压电路的基本关系式 10输出电压范围的调节由电位器输出电压范围的调节由电位器R RW W执行执行 滑动端在最上端时滑动端在最上端时，， 滑动端在最下端时，滑动端在最下端时， 通过调节通过调节R RW W，使得，使得V Vomaxomax V Vo o V Vominomin，可获得调节范围内的任一电压值可获得调节范围内的任一电压值11输入信号输入信号V VZ Z 输出信号输出信号 反馈电压反馈电压V Vf f=F=FV V *V *VO O串联稳压电路的实质是利用电压串联负反馈来维持输出电压基本恒定 电压串联负反馈电压串联负反馈12基准部分基准部分 取样部分取样部分 调整部分调整部分 放大环节放大环节 输出电压的波动由输出电压的波动由T T2 2放大后放大后推动推动T T1 1进行调整，输出电压进行调整，输出电压范围的调节由电位器范围的调节由电位器R RW W执行 滑动端在最上端时滑动端在最上端时, , 滑动端在最下端时滑动端在最下端时, , 13 集成稳压电路中绝大多数是串联型稳压电路常见的有三端固定正输集成稳压电路中绝大多数是串联型稳压电路。

常见的有三端固定正输出集成稳压器出集成稳压器W7800W7800这种产品的封装只有三个管脚：输入端，输出端和这种产品的封装只有三个管脚：输入端，输出端和公共端其电路原理图包括启动电路、基准电压电路，采样比较放大电路，公共端其电路原理图包括启动电路、基准电压电路，采样比较放大电路，调整电路，保护电路等调整电路，保护电路等 三端集成稳压器是一类重要的模拟集成电路，有许多典型应用及扩展应用三端集成稳压器是一类重要的模拟集成电路，有许多典型应用及扩展应用 三端集成稳压器三端集成稳压器14三端集成稳压器三端集成稳压器稳压电路制成了集成芯片稳压电路制成了集成芯片三端固定式集成稳压器分正压输出（三端固定式集成稳压器分正压输出（78007800系列）、负系列）、负压输出（压输出（79007900系列）两大类系列）两大类15三端集成稳压器的应用三端集成稳压器的应用1. 1. 基本应用基本应用v二极管：二极管：电流保护电流保护v对应输入端短路或输出端对应输入端短路或输出端断开时大电容放电的情况断开时大电容放电的情况11.2 串联反馈稳压电路串联反馈稳压电路162. 2. 输出电压扩展输出电压扩展稳压管抬高输出电压稳压管抬高输出电压连续可调稳压电路连续可调稳压电路V VO O=V=VO O××××+V+VZ Z11.2 串联反馈稳压电路串联反馈稳压电路173. 3. 恒流源电路恒流源电路恒流源电路恒流源电路11.2 11.2 串联反馈稳压电路串联反馈稳压电路184. 4. 正、负输出稳压电源正、负输出稳压电源正、负输出稳压电源正、负输出稳压电源v若未接入若未接入-Vi-Vi，二极管，二极管D2D2导导通，钳位通，钳位W7900W7900输出输出v若未接入若未接入+Vi+Vi，二极管，二极管D1D1导导通，钳位通，钳位W7800W7800输出输出二极管的作用：二极管的作用：11.3 11.3 开关稳压电源开关稳压电源1911.3.1 11.3.1 特点及分类特点及分类分类：分类：v损耗小，损耗小，效率高效率高v可可省去变压器省去变压器，体积小，体积小v稳压稳压范围宽范围宽v可可多路输出多路输出优点：优点：缺点：缺点：v纹波纹波电压大电压大v控制电路控制电路复杂复杂v成本高成本高v电磁干扰大电磁干扰大PWMPWM（脉冲宽度调制）和（脉冲宽度调制）和PFMPFM（脉冲频率调制）；（脉冲频率调制）；降压型、升压型、反相型、变压器型。

降压型、升压型、反相型、变压器型20 11.3 11.3 开关稳压电源开关稳压电源1.1.开关稳压电源电路的特点及分类开关稳压电源电路的特点及分类————特点特点 开关稳压电路中，调整管（开关管）处于开关工作状态，依靠调节开关管开关稳压电路中，调整管（开关管）处于开关工作状态，依靠调节开关管导通时间导通时间t tonon实现稳压实现稳压 优点：优点： ①①开关管损耗很小，电路效率高，一般可达开关管损耗很小，电路效率高，一般可达70%-85%70%-85%，甚至高于，甚至高于90%90%；；②②省去电源变压器，体积小，重量轻，利于直流电源小型化；省去电源变压器，体积小，重量轻，利于直流电源小型化；③③稳稳压压范范围围宽宽当当电电网网电电压压在在130130～～265V265V变变化化，，且且负负载载电电流流作作较较大大幅幅度度变变化化时都有良好的稳压效果；时都有良好的稳压效果；④④利用控制开关可能获得一路输入，多路输出及同极性或反极性输出；利用控制开关可能获得一路输入，多路输出及同极性或反极性输出；⑤⑤利用输出隔离变压器可得低压大电流或高压小电流稳压电源；利用输出隔离变压器可得低压大电流或高压小电流稳压电源；⑥⑥输出电压维持时间长，交流输入电压关断后几十输出电压维持时间长，交流输入电压关断后几十msms内仍有直流电压输出。

内仍有直流电压输出 缺点：缺点： 输出纹波较大；动态响应时间长；电流、电压变化率大，不宜在输出纹波较大；动态响应时间长；电流、电压变化率大，不宜在R RL L=0=0与与R RL L=∞=∞剧烈变化的场合用；控制电路比较复杂；对元器件要求高，剧烈变化的场合用；控制电路比较复杂；对元器件要求高，成本较高；电磁干扰大成本较高；电磁干扰大2111.3.2 11.3.2 基本工作原理基本工作原理22开关稳压电路又称开关稳压电路又称DC-DCDC-DC变换器变换器开关电源的核心部开关电源的核心部分，又称为主回路分，又称为主回路 器件选用高速器件选用高速大功率开关管大功率开关管 将功率开关器件获得的将功率开关器件获得的脉冲电压转换成平滑的脉冲电压转换成平滑的直流输出电压直流输出电压 功能与串联型线功能与串联型线性稳压电路相似性稳压电路相似 常常由由压压控控振振荡荡电电路路或或施施密密特特触触发发器器组组成成，，以以产产生生脉脉冲冲宽宽度度或或频频率率受受误误差差控控制制的开关脉冲信号的开关脉冲信号11.3 开关稳压电源开关稳压电源2311.3.2 11.3.2 基本工作原理基本工作原理VoVo为为 的平均值的平均值q —q — 占空比占空比n PWM: T PWM: T不变，改变不变，改变ton;ton;n PFM: ton PFM: ton不变，改变不变，改变T Tn 混合型：混合型：T T和和tonton都改变都改变调制占空比：调制占空比：24 功率开关器件起开关作用，在开关脉冲功率开关器件起开关作用，在开关脉冲H(t)H(t)作用下，周期性地导通与截止。

作用下，周期性地导通与截止 直流输出电压为直流输出电压为 的平均值的平均值开关管饱和导通开关管饱和导通（开关闭合）时间（开关闭合）时间 开关管截止（开关开关管截止（开关断开）时间断开）时间 可见可见V VO O与开关占空比与开关占空比q q成正比，成正比，改变改变q q便可控制直流输出电压的大便可控制直流输出电压的大小 2.2.基本工作原理基本工作原理25 开关稳压电路各组成部分实际上构成一个闭环负反馈系统：当电网电压或开关稳压电路各组成部分实际上构成一个闭环负反馈系统：当电网电压或R RL L变化时，通过取样并与基准电压进行比较，产生一误差信号，经放大后去控制变化时，通过取样并与基准电压进行比较，产生一误差信号，经放大后去控制开关脉冲的宽度或频率，从而调整开关器件导通与截止的时间比例，即调整开关脉冲的宽度或频率，从而调整开关器件导通与截止的时间比例，即调整q q，使，使V VO O作反方向变化，以维持作反方向变化，以维持V VO O不变，达到稳压目的不变，达到稳压目的 主回路分析主回路分析26降压型开关稳压电路（降压型开关稳压电路（BuckBuck变换器）的主回路变换器）的主回路T为开关管，由基极开关脉冲信号驱动Ton，T导通，D截止Toff，T截止，D导通 虽然虽然T T处于开关工作状态，但通过储能滤波电路的处于开关工作状态，但通过储能滤波电路的作用，输出仍为连续的波动不大的直流电压。

作用，输出仍为连续的波动不大的直流电压开关调整管开关调整管 储能电感储能电感 滤波电容滤波电容 续流二极管续流二极管 来来自自控控制制电电路路，，T T保保持持不不变变而而脉脉冲冲宽宽度度tonton受受误误差差信信号号调制调制 271 1）降压型开关稳压电路（）降压型开关稳压电路（BuckBuck变换器）变换器） 二极管二极管D D上反上反极性电压极性电压 电感电感L L中电流中电流 R RL L上的电压上的电压 281 1）降压型开关稳压电路（）降压型开关稳压电路（BuckBuck变换器）变换器） ①0-t①0-t1 1期间，期间，T T导通，导通，D D截止，截止，v vD D =V =VI I，， 设设t=0t=0时时, , 当当t=tt=t1 1=t=tonon时时, , 291 1）降压型开关稳压电路（）降压型开关稳压电路（BuckBuck变换器）变换器） ②t②t1 1——t t2 2期间，期间，T T截止，截止，D D导通，导通， t=tt=t2 2时即时即t t2 2-t-t1 1=t=toffoff，， 在一个开关脉冲周期内，在一个开关脉冲周期内，i iL L随随t t按锯齿波形变化。

按锯齿波形变化 303 3）反相型开关稳压电路（）反相型开关稳压电路（BuckBuck————BoostBoost变换器）变换器） ①t ①tonon时刻：时刻：T T导通，导通，V VI I全加在全加在L L上，上，D D截止，截止，L L将电能转化为磁能储存将电能转化为磁能储存C C维持维持V VO O基本基本不变 ②T②Toffoff时刻：时刻：T T截止，截止，L L中电流不能突变，中电流不能突变，L L产生上负下正的感应电动势，产生上负下正的感应电动势，D D导通L L通过通过D D向向R RL L供电，并向供电，并向C C充电 BuckBuck————BoostBoost也有连续导电，断续导电两种方式也有连续导电，断续导电两种方式 开关电源的控制电路开关电源的控制电路31PWM控制电路Vc: Vc: 误差信号误差信号VsVs：锯齿波：锯齿波 若某种因素使若某种因素使V VO O↓→V↓→VF F↓→↓→V VC C ↑ ↑，由于，由于v vS S波形不变波形不变，因而比较器，因而比较器输出的矩形脉冲宽度相应加宽，导致门输出的矩形脉冲宽度相应加宽，导致门G G1 1和和G G2 2输出的控制脉冲宽度输出的控制脉冲宽度加宽，即加宽，即q↑→Vq↑→VO O↑↑；反之，当；反之，当V VO O↑→q↓→V↑→q↓→VO O↓↓。

控制电路的最基本功能是产生一种受输出电压变化引起的误差电压调制的矩形控制电路的最基本功能是产生一种受输出电压变化引起的误差电压调制的矩形波脉冲信号，以控制功率开关管的导通与截止有波脉冲信号，以控制功率开关管的导通与截止有PWMPWM、、PFMPFM、混合调制三种集成控、混合调制三种集成控制器相继面世集成脉宽调制基本结构框图（电压型控制方式）制器相继面世集成脉宽调制基本结构框图（电压型控制方式） 32脉冲宽度调制原理：脉冲宽度调制原理： 若某种因素使若某种因素使V VO O↓→V↓→VF F↓→V↓→VC C↓↓，由于，由于v vS S不变，因而比较器输出的矩形脉冲不变，因而比较器输出的矩形脉冲宽度相应加宽，导致门宽度相应加宽，导致门G G1 1和和G G2 2输出的控输出的控制脉冲宽度加宽，即制脉冲宽度加宽，即q↑→Vq↑→VO O↑↑；；反之，当反之，当V VO O↑→q↓→V↑→q↓→VO O↓↓2.2.基本工作原理基本工作原理————开关电源的控制电路开关电源的控制电路 串联开关型稳压电路串联开关型稳压电路33 若某种因素使若某种因素使V VO O↑→V↑→VF F↑→↑→V VC C ↓ ↓，由于，由于三角波波形不变三角波波形不变，因而比，因而比较器输出的较器输出的v vB B占空比减少，占空比减少，q↓→Vq↓→VO O↓↓。

第第11章小结章小结341.1.直流稳压电源的分类和技术指标；直流稳压电源的分类和技术指标；2.2.集成运放串联反馈稳压电源；集成运放串联反馈稳压电源；3.3.三端集成稳压器及其应用；三端集成稳压器及其应用；4.4.开关稳压电源的基本组成及原理；开关稳压电源的基本组成及原理；5.5.开关稳压电源的主回路分析；开关稳压电源的主回路分析；6.6.开关稳压电源的控制电路开关稳压电源的控制电路。