第 7 章直流稳压电源 在大多数电子设备中, 几乎都需要直流稳压电源 一般较小功率的直流电源均是用市电经整流 滤波和稳压后获得 整流, 即是将交流电压变为脉动直流电压 ; 滤波, 即是除去脉动直流电压中的交流成分, 使之成为平滑的直流电压 ; 稳压, 即是减小电源电压波动 负载变化和温度变化的影响, 以维持输出电压的稳定 由于集成稳压电路具有体积小 重量轻 工作可靠等优点, 因而, 应用越来越广泛 稳压电路可分为 : 线性稳压器, 主要是因其调整元件工作在线性状态 ; 开关稳压器, 其调整元件工作在开关工作状态 本章先讲述整流 滤波电路的工作原理, 然后重点介绍线性和开关稳压电源的工作原理及其应用 最后介绍集成直流稳压电源的调整与测试方法
7.1 直流稳压电源的组成 整流电路是将工频交流电转为具有直流电成分的脉动直流电 滤波电路是将脉动直流中的交流成分滤除, 减少交流成分, 增加直流成分 稳压电路对整流后的直流电压采用负反馈技术进一步稳定直流电压 直流电源的方框图如图 7.1 所示
图 7.1 直流电源的方框图
7.2 单相整流滤波电路 小功率直流电源通常采用单相整流获得 主要是得用二极管 的单向导电特性, 将交流电变为直流电 常用的形式有 : 单相半波整流和单相半波整流 7.2.1 单相整流电路一 半波整流电路单相半波整流电路原理图, 如图 7.2.1(a) 所示 整流变压器 Tr 可将 220V 的市电变为所需的交流低压, 另外还具有良好的高低压之间的隔离作用
图 7.2.1 半波整流电路及其波形 (a) 电路图 (b) 波形图
原理分析 :u2 正半周时, 二极管导通, 电流的流通途径为 此时二极管两端电压只有很小的一点正向压降, 即 ud=0 负载的电流与二极管的电流相等 i0=id, 电压等于电源电压 u0 u2 u2 负半周时, 二极管截止, 电流为零 ( 有很小的反向漏电流 ), 负载电压为零 二极管两端电压为电源电压 u0 u2 其电流电压波形如图 7.2.1(b) 计算关系 : 输出电压的平均值 (7.2.1) 流过二极管的平均电流为 (7.2.2) 二极管所承受的最高反向工作电压 (7.2.3) 特点 : 简单 所用元件少 效率低 输出电压波动大, 适用于要求不高的场合
二 桥式整流电路电路原理如图 7.2.2 所示 有四只二极管 V1 V2 V3 V4 构成桥形电路 原理分析 :u2 正半周时, 其导通途径为 :, 其 V2 V4 反向截止 忽略管压降则输出电压为 u0 u2 u2 负半周时, 其导通途径为, 其 v1 V3 截止 输出电压 uo=-u2 其电流电压波形如图 7.2.3 所示 其计算关系为 : 输出电压 (7.2.4) 二极管的通态平均电流 (7.2.5) 二极管最高反向工作电压 (7.2.6) 二极管的电流 电压波形, 如图 7.2.3(c) (d) 所示
图 7.2.2 桥式整流电路原理图
图 7.2.3 桥式整流电路的电流电压波形
图 7.2.4 桥式整流电路及其电流电压波形 (a) 电路 (b) 电流 电压波形
7.2.2 滤波电路所谓滤波, 就是将整流后脉动直流电的交流成份除去, 使之变为平滑直流电的过程 一 电容滤波电路其电路组成, 如图 7.2.4(a) 所示 由一只较大容量的电容器和负载电阻构成 工作原理可根据图 7.2.4(b) 电流电压波形来分析 : 设电容初始电压为零, 并在 t=0 时接通电源 u2 在上升的过程中对电容进行充电, 其充电电压为 ( 电压波形的 o a 段 ) 当 u2 达到最大时 uc 亦最大, 即在电压波形的 a 点处, 充电结束 此后因, 则整流输出结束, 电容器经负载电阻 RL 放电, 即此时的负载电流由电容器放电获得 放电的快慢由时间常数决定 ; 放电的过程按指数规律下降 ( 电压波形的 a b 段 ) 由于电容两端电压的变化速度较电源电压变化的速度慢 因此, 在 u2 的负半周, 当满足时, 二极管 V2 V4 导通, 电容器 C 将再次被充电, 直至 u2 的峰值, 充电结束
如此往复, 在负载端就得到一纹波系数较小的锯齿波, 其输出电压的平均值也增大了 计算关系 : 在电源电压一定时, 输出电压的高低将取决于时间常数 当 RL 开路时,, 则 (7.2.7) 若满足条件 (T 为电源电压周期 ), 则输出电压可取 (7.2.8) 在选择二极管时须注意 : 只有在的条件下二极管才能导通, 因此其导通时间缩短了 在负载功率不变的条件下, 将会在二极上形成较大的冲击电流即浪涌电流, 这是在二极选择时必须考滤的 一般可按来考滤 适用场合 : 输出电压的平滑度因负载电阻的大小而异, 负载电阻越大滤波效果越好, 输出越稳定 ; 反之输出电压波动就大 因而电容滤波电路只能用于负载变化不大的小电流整流场合
二 其他形式的滤波电路 1 电感滤波电路由于电感的特点是阻碍电流的变化 因此, 当负载电流变化越大, 滤波的效果就越好 一般适用于低电压 大功率的负载 如图 7.2.5(a) 所示 2 π 型滤波电路有 RCπ 型滤波电路和 LCπ 型滤波电路 如图 7.2.5(b) 所示 一般情况下, 对于大功率负载, 通常选用 LC 滤波电路 ; 小容量负荷一般选用 RC 滤波电路 图 7.2.5 电感滤波 LC 型滤波电路
7.3 线性集成稳压器 7.3.1 串联型稳压电路的工作原理串联型稳压电路由取样电路 基准电路 比较放大电路和调常用的线性集成稳压器, 通常为三端式稳压器 它有两种形式 : 一种是输出为固定的固定式三端稳压器 ; 另一种为可调输出的三端稳压器 其基本原理均为串联型稳压电路 整管组成 因调整元件与负载是串联关系, 故称之为串联型稳压电路 如图 7.3.1 所示 图中 v1 为调整管, 它工作在线性放大区 ;R3 和稳压管 V2 构成基准电压源电路, 为放大器 A 提供比较用的基准电压 ; R1 R2 Rp 组成取样电路 ; 放大器 A 对取样电压和基准电压的差值进行放大
图 7.3.1 串联型稳压电路
稳压原理分析 : 若负载变化使输出电路放大器的净输入电压调整管的基极电压管压降 若负载变化使输出电压增大, 其调整的过程与之相反 电源变化的调整过程同学们可自行分析 7.3.2 三端固定输出集成稳压器三端固定输出集成稳压器通用产品有 CW7800 系列 ( 正电源 ) 和 CW7900 系列 ( 负电源 ) 型号的意义为 :(1)78 或 79 后面所加的字母表示额定输出电流 如 L 表示 0.1A,M 表示 0.5A, 无字母表示 1.5A;(2) 最后的两位数字表示额定电压 如 CW7805 表示输出电压为 +5V, 额定电流为 1.5A 其外型 封装形式和管脚排列如图 7.3.2 所示 一 基本应用电路 7800 系列的基本应用电路, 如图 7.3.3 所示 该电路的输出电压为 12V, 最大输出电流为 1.5A
为使电路能正常工作, 对各元器件有如下要求 :(1) 输入端电压 Ui 应比输出端电压至少大 2.5~3V;(2) 电容器 C1, 一般取 0.1~ 1uF 其作用是抵消长接线时的电感效应, 防止自激振荡, 抑制电源则的高频脉冲干扰 ;(3) 输出端电容 C2 C3, 可改善负载的瞬态响应, 具有消除高频噪音及振荡的作用 ;(4)V 为保护二极管, 用来防止在输入端短路时大电容 C3 通过稳压器放电而损坏器 二 提高输出电压的电路由此可见, 改变 R2 与 R1 比值的大小, 就可改变输出电压的大小 其缺点是 : 若输入电压发生变化,IQ 也要变化, 将影响稳压器的精度
三 输出正负电压的电路如图 7.3.5 所示为采用 CW7815 和 CW7915 两块三端稳压器所组成的, 可同时输出 +15V -15V 电压的稳压电路
7.3.3 三端可调输出集成稳压器与 78 和 79 系列相比, 其公共端的电流非常小, 因此可以很方便的组成精密可调的稳压电源, 应用更为灵活 其典型产品有 : 具有正电压输出的 CW117/CW217/CW317 系列和具有负电压输出的 CW137/CW237/CW337 系列 其额定电流的标示, 和 78 79 系列一样, 也是在序列号后用字母标注 其直插式塑封管脚排列, 如图 7.3.6 所示
图 7.3.7 为三端可调输出集成稳压器的基本应用电路 为防止输入端发生短路时,C4 向稳压器反向放电而损坏, 故在稳压器两端反向并一只二极管 V1 V2 则是为防止因输出端发生短路 C2 向调整端放电可能损坏稳压器而设置的 C2 可减小输出电压的纹波 R1 Rp 构成取样电路, 可通过调节 Rp 来改变输出电压的大小 其输出电压的大小可表示为 : 由于基准电流, 可以忽略, 基准电压, 所以
可见, 当 R2=0 时,U0=1.25V, 当 R2=2.2kΩ 时,U0 24V 为保证电路在负载开路时能正常工作,R1 的选取很重要 由于元件参数具有一定的分散性, 实际运用中可选取静态工作电流 IQ=7mA, 于是 R1 可确定为 取标称值 120Ω 若 R1 的取值太大, 会使输出电压偏高
7.4 开关集成稳压电源由于线性稳压器的调整元件必须工作在线性放大区, 因而其管压降大 管耗大 效率低, 特别是在输入电压升高 负载电流很大时, 更为明显 当调整管工作于截止 饱和两种状态时, 其管耗很小, 效率可高达 80%~90%, 且几乎不受输入电压大小的影响, 因而有较宽的稳压范围 其存在的主要问题是纹波系数大 但因其优点显著, 而获得较快的发展及应用 7.4.1 开关稳压电源的基本工作原理图 7.4.1 为串联开关稳压电路的基本组成框图 图中 V1 为开关元件 ( 调整管 ;V2 为续流二极管 ;L C 构成 L 型滤波电路 ;R1 和 R2 组成取样电路 A 为误差放大 C 为电压比较器, 它们与基准电压 三角波发生器组成开关调整管的控制电路 取样电压 UF 基准电压 UREF 三角波电压 UT UT 决定着电源开关的频率 比较器的输出 ub 控制着调整管的导通和截止 ub UT UA 的波形如图 7.4.2(a) (b)
原理分析 : 当 UB 为高电平,v1 饱和导通,uE=U1,V2 截 止,uE 通过电感 L 为负载 RL 提供电流 电感 L 中的电流 il 随时 间线性增长, 同时 L 将储能, 当 il>i0 电容 C 亦被充电, 输出电 压 uo 略有增大 当 ub 为低电平,V1 截止,uE=0, 电感 L 将产生与电流 il 同方 向的自感电动势, 经 V2 构成回路而续流 此时, 负载 RL 所获 得的电能来自于电感 L 的储能, 因此电流 il 将随时间线性下 降 当 il<i0 电容 C 放电, 输出电压 uo 略有下降 ue il uo 波形如图 7.4.2(c) (d) (e) 所示 图中的 I0 Uo 为 稳压电路输出电流 电压的平均值 由此可见, 开关型稳压电源能获得平稳直流电压输出的关键在于二极管 V2 的续流和 L C 的滤波作用
计算关系 : 在忽略滤波器电感的直流压降 开关管的饱和压降及二极管的导通压降时, 输出电压的平均值将正比于脉冲的占空比, 由于输出电压的大小与脉冲的宽度成正比, 故而又将此电路称之为脉宽调制式 (PWM) 开关稳压电路
7.4.2 集成开关稳压器及其应用集成开关稳压器的种类较多 如 CW1524/2524/3524 CW4960/4962 及 CW2575/2576 等 在这里, 我们着重介绍关于 CW1524 系列的特点 性能和应用 CW1524 系列是采用双极型工艺制作的模拟 数字混合集成电路, 其内部电路包括 : 基准电压源 误差放大器 振荡器 脉宽调制器 触发器 两只输出功率晶体管及过流过热保护电路等 特点是 :CW1524 工作结温为 -55~+150,CW2524/3524 工作结温为 0~+125 最大输入电压为 40V; 最高工作频率为 70KHZ; 内部基准电压为 5V; 能承受的负载电流为 50mA; 每路输出电流为 70mA CW1524 系列采用直插式 16 脚封装 管脚排列如图 7.4.3 所示 各脚的功能为 :
1 2 脚分别为误差放大器的反相和同相输入端, 脚 1 接取样电压, 脚 2 接基准电压 3 脚为振荡器输出端, 可输出方波电压,6 7 脚分别为振荡器外接定时电阻 RT 端和定时电容 CT 端 振荡频率 fo=1.15/rtct, 一般取
4 5 脚为外接限流取样端,8 脚是地端,9 脚是补偿端,7 脚为关闭控制端, 控制 7 脚的电位可以控制脉宽调制器的输出, 直至使输出电压为零 11 12 脚分别为输出管 A 的发射极和集电极,13 14 分别是输出管 B 的集电极和发射极 输出管 A 和 B 内均设有限流保护电路, 峰值电流限制在约 70mA 15 脚为输入电压端 16 脚是基准电压端, 可提供 50mA 5V 的稳定基准电压源, 该电源具有短路电流保护 由 CW1524 构成的开关稳压电源实例 : 如图 7.4.4 所示 外接开关管 V1 V2 可实现扩流 12 和 13 脚 11 和 14 脚连接在一起, 将芯片内输出管 A 和 B 并联作为外接复合调整管 V1 V2 的驱动级 6 7 脚分别接入 R5 和 C2, 故振荡频率