電子系統的正常運行離不開穩定的直流電源，多數電路的直流電源是由電網的交流電轉換來的。小功率直流電源的基本組成以及各處電壓波形如圖所示。

直流電源的組成10.2直流電源的組成工頻交流脈動直流紋波減小穩定直流第1頁/共65頁第一頁，共66頁。整流電路—由整流二極管構成，利用二極管單向導電性，將方向和大小都變化的工頻50Hz交流電變換為單一方向但大小仍有脈動的直流電。電源變壓器—將電網交流電壓變換成符合需要的交流電壓值，經過整流后可獲得所需的直流電壓。電源變壓器一般是降壓變壓器。第2頁/共65頁第二頁，共66頁。濾波電路—一般由儲能元件構成，利用電容C兩端的電壓不能突變和電感L中的電流不能突變的性質，

濾除輸出信號中的脈動成分，得到比較平滑的直流電。電容濾波主要用在輸出小電流濾波電路中；電感濾波主要用在大電流濾波電路中。穩壓電路—穩壓電路的作用是維持輸出電壓的穩定，使濾波電路不受電網電壓波動、負載電流變化或溫度的影響。第3頁/共65頁第三頁，共66頁。

利用二極管的單向導電性組成整流電路，可將交流電壓轉換為單向脈動直流電壓。為便于分析，本章把整流二極管當作理想二極管。在實際應用中，應考慮二極管正向壓降的影響，整流后所得波形的輸出幅度會減少0.6~1V。10.3整流電路

在小功率直流電源中，常見的整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。

整流電路中既有交流量，又有直流量。輸入(交流)用有效值或最大值表示；輸出(直流)用平均值表示；流過整流二極管的正向電流用平均值表示；整流二極管承受的反向電壓用最大值表示。

第4頁/共65頁第四頁，共66頁。

利用二極管的單向導電作用將變壓器二次側的交流電壓變換成為負載RL上的單向脈動電壓。由于在交流電壓半個周期內有電流流過負載，因而稱為單相半波整流電路。單相半波整流電路10.3.1單相半波整流電路1.工作原理

在變壓器二次側電壓u2的正半周內，二極管正向導通，負載RL上得到半個周期的脈動直流電壓和電流；而在u2的負半周內，二極管反向截止，電路輸出電流iO基本上等于零。第5頁/共65頁第五頁，共66頁。當u2處于正半周時，二極管導通；當u2處于負半周時，二極管截止。單相半波整流電路波形圖第6頁/共65頁第六頁，共66頁。(1)輸出電壓平均值UO(AV)

2.性能參數

整流電路輸出電壓在一個工頻周期內的平均值，其表達式為

半波整流電路在負載上得到的是半個正弦波，因此負載上輸出電壓平均值為第7頁/共65頁第七頁，共66頁。(2)輸出電壓的脈動系數S

脈動系數S定義為整流電路輸出電壓中基波最大值UOM1與輸出電壓平均值UO(AV)之比，其表達式為反映電路輸出波形脈動的情況，S越小，則整流效果越好。對輸出電壓uO進行傅立葉分析，計算uO的基波峰值UOM1第8頁/共65頁第八頁，共66頁。

整流二極管截止時，其兩端所承受的最大反向電壓。半波整流電路中二極管所承受的最大反向電壓就是變壓器副邊電壓的最大值

(3)整流二極管正向平均電流ID(AV)

在一個周期內通過整流二極管的電流平均值。在半波整流電路中，整流二極管串聯在輸出回路中，因此整流二極管的正向平均電流ID(AV)任何時候都等于流過負載的輸出平均電流IL

當負載電流平均值已知時，可以根據上式來選定整流二極管的ID(AV)。(4)整流二極最大反向電壓URM選管時應選擇耐壓值URM更高的管子，以免發生反向擊穿。

第9頁/共65頁第九頁，共66頁。單相橋式整流電路10.3.2單相橋式整流電路1.工作原理

由于采用四個整流二極管，互相搭接成橋式結構，因而稱為單相橋式整流電路。橋式整流電路利用變壓器的一個二次側繞組和四個整流二極管，在交流電源的正、負半周內，整流電路的負載上都有方向不變的脈動直流電流流過，輸出uO為全波波形。第10頁/共65頁第十頁，共66頁。

在交流輸入電壓u2的正半周內，整流二極管VD1、VD3導通，VD2、VD4截止。電流流向如圖所示，在負載上產生“上正下負”的輸出脈動電壓。(1)輸入電壓為正半周時uO單相橋式整流電路正半周導電情況第11頁/共65頁第十一頁，共66頁。

在交流輸入電壓u2的負半周內，整流二極管VD2、VD4導通，VD1、VD3截止。電流流向如圖所示，在負載上產生“上正下負”的輸出脈動電壓。(2)輸入電壓為負半周時uOiO單相橋式整流電路負半周導電情況負載在正、負半周均有同方向的輸出脈動電壓。第12頁/共65頁第十二頁，共66頁。第13頁/共65頁第十三頁，共66頁。(1)輸出電壓與電流平均值UO(AV)

橋式整流電路在一個工頻周期內，負載在正、負半周均有同方向的脈動輸出電壓。在變壓器二次側電壓u2相同的情況下，橋式整流電路輸出電壓波形的面積是半波整流的兩倍，所以其輸出電壓平均值也是半波整流時的兩倍。2.性能參數(2)輸出電壓脈動系數S

橋式整流電路輸出為全波波形，其輸出電壓uO的基波頻率為2，則uO的基波最大值為第14頁/共65頁第十四頁，共66頁。(3)整流二極管正向平均電流IO(AV)

在橋式整流電路中，四個整流二極管兩兩輪流在輸入信號的正、負半周內導通。因此，整流二極管的正向平均電流ID(AV)是流過負載的輸出平均電流IL=IO值的一半。

橋式整流電路的變壓器只有一個二次側繞組，因而處于截止狀態的二極管(例如VD2、VD4)相當于并聯在變壓器的二次側繞組上，承受的最大反向電壓為u2的最大值。(4)整流二極管的最大反向電壓URM

第15頁/共65頁第十五頁，共66頁。整流橋的簡化符號與應用電路

與單相半波整流電路相比，單相橋式整流電路的結構較復雜，但其優勢在于輸出電壓較高，脈動小，整流二極管所承受的最大反向電壓等于二次側電壓的峰值，并且因為電源變壓器在正、負半周內都有電流流過，所以變壓器的利用率高。

橋式整流電路在直流電源中得到廣泛應用，并且已有多種不同性能指標的集成電路，稱為“整流橋”。單相橋式整流電路簡化符號如圖所示。第16頁/共65頁第十六頁，共66頁。

整流電路的輸出電壓含有較大的諧波成分，脈動較大，不能適應大多數電子線路及設備的需要，還需利用濾波電路將脈動的直流電壓變為平滑的直流電壓。

濾波電路是利用電抗性元件儲能的特點來實現濾波，濾除整流電路輸出電壓中的脈動成分以獲得較好的直流電壓。電容器C對直流開路，對交流阻抗小，所以C應該并聯在負載兩端。電感器L對直流阻抗小，對交流阻抗大，因此L應與負載串聯。濾波電路的基本形式10.4濾波電路第17頁/共65頁第十七頁，共66頁。

在輸入電壓升高時，給并聯的電容器C充電，可把部分能量存儲在電容器中。

當輸入電壓降低時，電容C以指數規律放電，把存儲的能量釋放給負載。由于濾波電容向負載放電，負載上得到的輸出電壓就比較平滑，起到了濾波作用。1.濾波原理10.4.1電容濾波電路

第18頁/共65頁第十八頁，共66頁。

設初始時電容電壓uc為零，接入電源后，輸入電壓u2給電容器充電，由于變壓器二次側繞組的直流電阻和二極管的正向導通電阻一般很小，所以電容器很快充到u2的最大值。(1)輸出空載時的情況

此后，u2開始下降，由于電路輸出端空載，電容器無放電回路，所以uc不變。由于此時uc>u2，整流二極管處于截止狀態，因此電路輸出維持一個固定值uo=uc=。？第19頁/共65頁第十九頁，共66頁。

設電容初始電壓uc為零，接入電源后，輸入電壓u2同時給電容器充電和向負載提供電流，輸出電壓uo的波形與u2近似重合。u2到達峰值以后，按正弦規律下降，此時濾波電容按指數規律放電的速率較快，所以二極管仍然導通。(2)輸出帶載時的情況

隨著正弦波u2的下降速率越來越快，uc的下降速率越來越慢，在t1后的某一時刻t2，uc>u2，整流二極管關斷。電容器C以指數規律向負載放電，直至下個半周的正弦波來到，u2再次超過uc，令整流二極管重新導通。充電放電第20頁/共65頁第二十頁，共66頁。指數放電快設分界點在90?正弦曲線下降慢當分界點超過90?，達到某一點，正弦曲線和指數曲線的下降速率相等以后，二極管截止。當下個半周正弦波上升超過uC時，二極管重新導通。d整流二極管導通的電角度稱為導通角θd

=RLC第21頁/共65頁第二十一頁，共66頁。2.性能參數

輸出電壓平均值UO(AV)與放電時間常數RLC有關，RLC越大，電容器放電速度越慢，則輸出電壓所包含的交流成分越小，UO(AV)

越大。為獲得平滑的輸出電壓，一般取放電時間常數為(1)輸出電壓平均值UO(AV)

交流電壓u1的周期在整流電路的內阻不太大，并且電路的放電時間常數滿足上式時，計算求得第22頁/共65頁第二十二頁，共66頁。

由上式可知，為減小輸出電壓的脈動成分，采用的濾波電容器的容量越大越好，交流電源的頻率越高越好。

電容濾波的輸出電壓波形很難用一個準確的解析表達式來描述，因此脈動系數常采用近似估算：(2)脈動系數S

d增加，S減小第23頁/共65頁第二十三頁，共66頁。

RLC值越大，濾波效果越好，導通角愈小。由于電容濾波后輸出平均電流增大，所以整流二極管在短暫的導通時間內將流過一個很大的沖擊電流，影響其壽命，因此應選用最大整流平均電流IF大于負載電流2~3倍的整流二極管。12

RLC增大uotO3

iDtO

1>

2>

3<(3)整流二極管的導通角第24頁/共65頁第二十四頁，共66頁。加入濾波電容以后，整流二極管的導通角θ<π。因此整流二極管導通時，流過二極管的電流呈尖峰脈沖狀。在電容濾波的整流電路中，整流二極管的平均整流電流12

RLC增大uotO3

iDtO第25頁/共65頁第二十五頁，共66頁。

電容濾波電路的外特性描述了整流電路輸出電壓的平均值UO(AV)與輸出電流IO之間的關系。(4)電容濾波電路的外特性和濾波特性

當負載電阻RL越小，即IO愈大時，UO(AV)下降很快，濾波電路的帶負載能力變差。

電容濾波電路適合應用于固定負載或輸出電流較小、負載電流變化不大的場合。電容濾波電路的外特性第26頁/共65頁第二十六頁，共66頁。

電容濾波電路的濾波特性描述了當RL或C改變時，對脈動系數S的影響。

當負載電阻RL減小，即IO增大時，S增大；濾波電容C減小時，則電路脈動系數S增大。

在電容濾波電路中，增加C的容量，可以令脈動系數S減小。電容濾波電路的濾波特性第27頁/共65頁第二十七頁，共66頁。

利用儲能元件電感器L中電流不能突變的性質，把電感L與整流電路的負載RL相串聯，也可以起到濾波的作用。根據電感的阻抗特性，電感的直流電阻很小，而交流阻抗很大，因而整流輸出電壓中的脈動成分大多降落在電感L上，直流成分損失較小，因此能夠得到較好的濾波效果。

當輸出電流發生變化時，電感中感應電勢的方向將阻止電流發生變化。由于橋式電路的對稱性和電感中電流的連續性，使得四個整流二極管的導通角都是180°。電感濾波電路10.4.2電感濾波電路第28頁/共65頁第二十八頁，共66頁。

輸出電壓平均值整流二極管正向平均電流注意

L越大，RL越小，即濾波時間常數越大，濾波效果越好，所以電感濾波適用于負載電流較大且變化較大的場合。電感濾波電路波形圖第29頁/共65頁第二十九頁，共66頁。電感濾波延長了整流管的導通角，從而避免了過大的沖擊電流。電感濾波的輸出特性和濾波特性如圖所示。電感濾波電路的特性曲線(a)外特性(b)濾波特性由圖中可見，隨著負載電流的增加，輸出電壓的平均值下降較小，脈動系數S變小。因此電感濾波適用于大負載電流且電流變化較大的場合。第30頁/共65頁第三十頁，共66頁。10.5串聯型穩壓電路

引起整流電路輸出電壓不穩定的因素有三種，即輸入交流電壓的變化，負載電流的變化和溫度的變化。

在整流和濾波電路之后接入穩壓電路，可以維持輸出電壓的穩定，不受上述因素的影響。穩壓電路按工作方式分為線性穩壓電路和開關型穩壓電路，線性穩壓電路又分為串聯型和并聯型穩壓電路。最簡單的穩壓電路是由穩壓二極管組成的，由于穩壓二極管與負載并聯，因而屬于并聯型穩壓電路。輸出電壓變化量的一般表達式為輸入電壓調整系數輸出電阻輸出電壓的溫度系數第31頁/共65頁第三十一頁，共66頁。10.3.2.1穩壓電源的技術指標1.輸入電壓調整系數Su

工程上常把電網電壓波動10%時所對應的輸出電壓的相對變化量的百分比作為衡量的指標，稱為電壓調整率

有時用輸出電壓的相對變化量和輸入電壓的相對變化量來表示穩壓性能，稱為穩壓系數10.5.1穩壓電路的主要技術指標

在負載固定和溫度不變時，輸入電壓調整系數Su為穩壓電路輸出電壓的變化量與其輸入電壓的變化量之比。反映電網電壓波動對直流穩壓電源的影響第32頁/共65頁第三十二頁，共66頁。2.輸出電阻Ro

在輸入電壓和溫度不變時，因負載變化，引起輸出電壓的變化量與電流變化量之比。輸出電阻Ro衡量了穩壓電路的輸出電壓在IL變化時的穩定情況。

在工程上常用輸出電流IO從零變到最大額定輸出值時，輸出電壓的相對變化量來表征該性能，稱為電流調整率SI。反映穩壓電路受負載變化影響的大小，也稱為負載調整率。第33頁/共65頁第三十三頁，共66頁。

電網電壓和負載都不變時，單位溫度變化所引起的輸出電壓相對變化量的百分比。3.輸出電壓的溫度系數ST

4.紋波抑制比Srip

輸入紋波電壓的峰值(或有效值)與輸出紋波電壓的峰值(或有效值)之比的分貝數。反映在改變溫度條件下，電路維持預定輸出電壓UO的能力。第34頁/共65頁第三十四頁，共66頁。10.5.2串聯型穩壓電路1.電路組成

基準電壓源提供高精度和高穩定性的基準電壓UREF。誤差放大器用于放大誤差信號(UREF-UF)，其輸出用于調節調整管的管壓降(UCE)。調整管工作于線性區，調整管的IE與UCE的變化方向相反。取樣電路是一個分壓器，取出輸出電壓UO的一部分作為反饋電壓UF，與基準電壓UREF比較，進而得到誤差電壓。第35頁/共65頁第三十五頁，共66頁。2.穩壓原理

串聯電壓負反饋調節系統(1)當UI變化，RL不變時，電路的穩壓過程第36頁/共65頁第三十六頁，共66頁。(2)當RL

變化，UI不變時，電路的穩壓過程串聯電壓負反饋調節系統第37頁/共65頁第三十七頁，共66頁。3.輸出電壓的調節范圍

在滿足深度電壓串聯負反饋條件下第38頁/共65頁第三十八頁，共66頁。

為確保電路的正常運行，要求UI>UO，使調整管輸出壓降UCE>UCES，否則調整管不能處于線性區，失去調節能力。因此，串聯型穩壓電路屬于降壓型穩壓電路。由于串聯型穩壓電路引入電壓負反饋技術使輸出電壓穩定，并通過改變反饋系數使輸出電壓可調，因此誤差放大器的電壓放大倍數Au和電壓反饋系數Fu愈大愈好，引入深度負反饋，則較小的UO變化就可獲得足夠大的電壓UO1去調節調整管的管壓降。

基準電壓UREF愈穩定愈好，UREF和UF的差值是誤差信號，如果UREF變化，則差值就不可靠了。

誤差放大器的零點漂移應愈小愈好，為此宜選用溫度穩定性良好的元器件。4.影響穩壓性能的因素

第39頁/共65頁第三十九頁，共66頁。5.調整管的選擇

調整管是串聯型穩壓電路的核心器件，它的安全工作是電路正常運行的保證，因此除了要求電路的UI>UO，使調整管工作于線性區，主要考慮調整管的極限參數ICM、U(BR)CEO和PCM

。(1)調整管的最大集電極電流

(忽略取樣電路的分流)(2)調整管承受的最大管壓降第40頁/共65頁第四十頁，共66頁。(3)調整管的最大功率損耗因此在選擇調整管時，應保證：第41頁/共65頁第四十一頁，共66頁。10.5.3三端集成穩壓器1.集成穩壓器的分類按輸出電壓來分：(1)固定輸出穩壓電路，這類電路輸出電壓是預先調整好，在使用中一般不需要進行調整；(2)可調輸出穩壓電路，這類電路可通過外接元件使輸出電壓在較大范圍內進行調節，以適應不同需要。

集成穩壓器是內部帶有保護電路的穩壓電路，一旦出現電流過載、二次擊穿以及熱過載等情況，這些保護電路將被啟動以確保器件在安全界限內工作，從而降低了器件失效或電路性能下降的風險。

從外形上看，集成穩壓電路有三個引腳，分別為輸入端、輸出端和公共端，因而稱為三端集成穩壓器。第42頁/共65頁第四十二頁，共66頁。2.固定輸出集成穩壓器

固定輸出集成穩壓器屬于串聯型穩壓電源，分為正電壓輸出和負電壓輸出兩大系列。(1)CW7800系列—正電壓輸出的固定式穩壓電路TO-220封裝的管腳定義U32=+5VCW7800系列典型接法電路第43頁/共65頁第四十三頁，共66頁。(2)CW7900系列—負電壓輸出的固定式穩壓電路TO-220封裝的管腳定義U31=-5VCW7900系列典型接法電路第44頁/共65頁第四十四頁，共66頁。

需要同時輸出正、負電壓時，可同時選用CW78××和CW79××集成穩壓器，按下圖所示接線。輸出正、負電壓的直流穩壓電源電路

在交流輸入u2的正半周，整流二極管VD1、VD3導通；u2經過VD1整流和電容C1濾波，為CW78提供直流輸入電壓+UI1，使穩壓器輸出正向直流電壓UO1；同時u2經過VD3整流和電容C2濾波，為CW79提供直流輸入電壓-UI2，使穩壓器輸出負向直流電壓UO2。以此類推，電路在u2的負半周的工作情形。第45頁/共65頁第四十五頁，共66頁。例10.5.1：三端集成穩壓器構成電路如圖所示，已知漏電流IW=5mA。試求：(1)寫出圖(a)中IO的表達式，并計算IO值；(2)寫出圖(b)中UO的表達式，并計算R2=5時的UO值；(3)請指出這兩個電路分別具有什么功能。解：

該電路的輸出電流不受負載RL變化的影響，具有恒流源功能。第46頁/共65頁第四十六頁，共66頁。解：例10.5.1：三端集成穩壓器構成電路如圖所示，已知漏電流IW=5mA。試求：(1)寫出圖(a)中IO的表達式，并計算IO值；(2)寫出圖(b)中UO的表達式，并計算R2=5時的UO值；(3)請指出這兩個電路分別具有什么功能。

該電路具有恒壓源功能，改變R2的阻值可以調節電路的輸出電壓。第47頁/共65頁第四十七頁，共66頁。(1)CW117/217/317系列—正電壓輸出可調式穩壓電路TO-220封裝的管腳定義U21=+1.25VCW317系列典型接法電路3.可調式三端集成穩壓器

第48頁/共65頁第四十八頁，共66頁。(2)CW137/237/337系列—負電壓輸出可調式穩壓電路TO-220封裝的管腳定義U31=-1.25V第49頁/共65頁第四十九頁，共66頁。

串聯型穩壓電路雖然具有結構簡單、調節方便、紋波小等優點，但是其調整管工作于線性放大區，調整管串聯于輸入和負載之間，輸出電壓的穩定是依靠調節調整管的管壓降UCE來實現的，因而調整管的功耗大，穩壓電源的效率低，并且只能實現降壓輸出，即UO<UI。

開關型穩壓電路的調整管工作在開關狀態。在調整管截止時，穿透電流ICEO很小，消耗功率很小；而調整管飽和導通時，功耗為飽和壓降UCES與集電極電流IC的乘積，管耗也較小。因此，調整管的管耗主要發生在其工作狀態從開到關或從關到開的轉換過程之中，消耗功率遠小于在線性區工作的調整管。開關電源體積小、重量輕、穩壓范圍寬，但是其產生的紋波較大，產生的電磁干擾比線性串聯型穩壓電源大。10.6開關型穩壓電路第50頁/共65頁第五十頁，共66頁。按主回路形式非隔離型隔離型串聯型并聯型單端雙端正激型反激型推挽型半橋型全橋型按激勵方式自激式同步式他激式按控制方式PWM混合調制PFM開關電路的分類：第51頁/共65頁第五十一頁，共66頁。10.6.1串聯開關型穩壓電路1.電路組成串聯型開關穩壓電路原理框圖

開關穩壓電路主要由開關管VT、開關驅動電路和濾波電路組成。

開關穩壓電路是高效的直流轉換器(DC-DC變換器)，通過開關的快速切換將不穩定直流輸入轉換為脈沖序列，再進行濾波處理，輸出穩定的直流電壓。第52頁/共65頁第五十二頁，共66頁。開關電路的基本原理圖

開關管在電路中與負載電路呈串聯連接，其工作狀態受基極電壓uB的控制。2.開關電路的工作原理開關管VT工作狀態受uB控制續流二極管濾波電路第53頁/共65頁第五十三頁，共66頁。

當uB為高電平時，開關管VT飽和導通，二極管VD截止。電流經調整管流向電感，電感L存儲能量，電容C充電。VT導通時主回路的等效電路VT截止時主回路的等效電路

當uB為低電平時，VT截止，VD導通。電感L釋放能量，其感應電勢令VD導通，起續流作用。電容C放電，維持負載上的電流基本不變。第54頁/共65頁第五十四頁，共66頁。

當L和C足夠大時，使得VT截止期間，電感能量不會放盡，輸出電壓中含有的交流分量能被電容C濾除，此時電路的輸出電壓UO和輸出電流IO均為連續的。

若將uE視為直流分量和交流分量之和，則輸出電壓平均值UO等于uE的直流分量，即串聯開關型穩壓電路的工作波形占空比導通時間截止時間第55頁/共65頁第五十五頁，共66頁。脈寬調制型(PWM)控制器

串聯型開關穩壓電路原理框圖

驅動電路由取樣電路(R1、R2)、基準電壓源、誤差放大器A1、三角波發生器和電壓比較器A2組成。3.驅動電路的穩壓原理第56頁/共65頁第五十六頁，共66頁。

當電路輸入電壓波動或者負載發生變化而引起輸出電壓變化時，若能在UO增大時，減小控制信號uB的占空比或在UO減小時，增大uB的占空比，則輸出電壓就可以獲得穩定。

反饋電壓UF由取樣電路的R1、R2對UO分壓得到，基準電壓與反饋電壓之差(UREF-UF)經A1放大后，作為電壓比較器A2的閾值電壓Up，將三角波發生器的輸出uS與Up比較，得到開關管的控制信號uB

。第57頁/共65頁第五十七頁，共66頁。

當UO升高時，反饋電壓UF隨之增大，與基準電壓UREF之間的差值減小，因而誤差放大器A1的輸出電壓Up減小，經電壓比較器A2使uB的占空比D變小，輸出電壓隨之減小，令UO基本不變。其調節控制過程如下：第58頁/共65頁第五十八頁，共66頁。

開關穩壓電路一般有兩大類型集成產品：一類是將開關管集成在芯片內部的集成開關穩壓器；另一類則不包括開關管，稱為開關電源控制器。10.6.2開關電源控制器串聯開關型穩壓電路中PWM控制器的應