10直流穩壓電源模擬電子技術授課人：莊友誼第10章直流穩壓電源§10.1小功率整流濾波電路§10.2串聯反饋式穩壓電路§10.3開關穩壓電源

整流電路是將工頻交流電轉為具有直流電成分的脈動直流電。

濾波電路是將脈動直流中的交流成分濾除，減少交流成分，增加直流成分。

穩壓電路對整流后的直流電壓采用負反饋技術進一步穩定直流電壓。

電子電路工作時都需要直流電源提供能量，電池因使用費用高，一般只用于低功耗便攜式的儀器設備中。單相半波整流電路u2>0時，二極管導。iLu1u2aTbDRLuo忽略二極管正向壓降：

uo=u2u1u2aTbDRLuoiL=0u2<0時，二極管截止,輸出電流為0。uo=0§10.1小功率整流濾波電路uo(4)輸出電壓平均值（Uo）：(1)輸出電壓波形：u1u2aTbDRLuoiL(3)二極管上承受的最高電壓：(2)二極管上的平均電流：ID=IL單相全波整流電路u1u2aTbD1RLuoD2u2iL(4)uo平均值Uo：Uo=0.9U2(1)輸出電壓波形：(2)二極管上承受的最高電壓：uo(3)二極管上的平均電流：10.1.1單相橋式整流電路一、工作原理：

當正半周時二極管D1、D3導通，在負載電阻上得到正弦波的正半周。

當負半周時二極管D2、D4導通，在負載電阻上得到正弦波的負半周。

在負載電阻上正負半周經過合成，得到的是同一個方向的單向脈動電壓。二、負載上的直流電壓和直流電流

輸出電壓是單相脈動電壓。通常用它的平均值與直流電壓等效。輸出平均電壓為

流過負載的平均電流為

紋波系數Kγ為流過二極管的平均電流為二極管所承受的最大反向電壓三、整流元件參數計算10.1.2濾波電路濾波的基本概念

濾波電路利用電抗性元件對交、直流阻抗的不同，實現濾波。

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。經過濾波電路后，既可保留直流分量、又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動系數，改善了直流電壓的質量。

一、電容濾波電路單相橋式電容濾波整流電路：在負載電阻上并聯了一個濾波電容C。當v2到達90°時，v2開始下降。先假設二極管關斷，電容C就要以指數規律向負載ＲL放電。指數放電起始點的放電速率很大。(1)濾波原理：

若電路處于正半周，二極管D1、D3導通，變壓器次端電壓v2給電容器C充電。此時C相當于并聯在v2上，所以輸出波形同v2

，是正弦形。

電容濾波波形圖所以，在t1到t2時刻，二極管導電，Ｃ充電，vC=vL按正弦規律變化；t2到t3時刻二極管關斷，vC=vL按指數曲線下降，放電時間常數為RLC。

在剛過90°時，正弦曲線下降的速率很慢。所以剛過90°時二極管仍然導通。在超過90°后的某個點，正弦曲線下降的速率越來越快，二極管關斷。

需要指出的是，當放電時間常數RLC增加時，

t1點要右移，t2點要左移，二極管關斷時間加長，導通角減小，見曲線3；反之，RLC減少時，導通角增加。顯然，當ＲL很小，即IL很大時，電容濾波的效果不好，見濾波曲線中的2。反之，當ＲL很大，即IL很小時，盡管C較小,RLC仍很大,電容濾波的效果也很好,見濾波曲線中的3。所以電容濾波適合輸出電流較小的場合。

電容濾波的效果

需要指出的是，當放電時間常數RLC增加時，t1點要右移，t2點要左移，二極管關斷時間加長，導通角減小，見曲線3；反之，RLC減少時，導通角增加。顯然，當ＲL很小，即IL很大時，電容濾波的效果不好，見濾波曲線中的2。反之，當ＲL很大，即IL很小時，盡管C較小,RLC仍很大,電容濾波的效果也很好，見濾波曲線中的3。所以電容濾波適合輸出電流較小的場合。問題：有Ｃ無ＲL即空載，此時VC=VL=？

電容濾波的效果(2)電容濾波的計算

電容濾波的計算比較麻煩，因為決定輸出電壓的因素較多。工程上有詳細的曲線可供查閱。一般常采用以下近似估算法：一種是用鋸齒波近似表示，即

另一種是在RLC=(3

5)T/2的條件下，近似認為VL=VO=1.2V2。（或者，電容濾波要獲得較好的效果，工程上也通常應滿足RLC≥6~10。）

（3）外特性

整流濾波電路中，輸出直流電壓VL隨負載電流IO的變化關系曲線。

整流濾波電路的外特性一般取(T:電源電壓的周期)近似估算:Uo=1.2U2。(2)流過二極管瞬時電流很大。RLC越大

Uo越高

負載電流的平均值越大;

整流管導電時間越短

iD的峰值電流越大故一般選管時，取電容濾波電路的特點(1)輸出電壓Uo與放電時間常數RLC有關。RLC愈大

電容器放電愈慢

Uo(平均值)愈大輸出波形隨負載電阻RL或C

的變化而改變,Uo

和S也隨之改變。如:RL愈小(IL

越大),Uo下降多,S增大。結論：電容濾波電路適用于輸出電壓較高，負載電流較小且負載變動不大的場合。(3)輸出特性(外特性)uo電容濾波純電阻負載1.4U20.9U20IL二、電感濾波電路

利用儲能元件電感器Ｌ的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。

電感濾波電路波形圖

當v2正半周時，D1、D3導電，電感中的電流將滯后v2。當負半周時，電感中的電流將經由D2、D4提供。因橋式電路的對稱性，和電感中電流的連續性，四個二極管D1、D3；D2、D4的導通角都是180°。電感濾波的特點整流管導電角較大，峰值電流很小，輸出特性比較平坦，適用于低電壓大電流(RL較小)的場合。缺點是電感鐵芯笨重，體積大，易引起電磁干擾。u2u1RLLuo其他形式的濾波電路改善濾波特性的方法：采取多級濾波。如：L-C型濾波電路：在電感濾波后面再接一電容。RC–

型濾波電路：在電容濾波后再接一級RC濾波電路。性能及應用場合分別與電容濾波和電感濾波相似。LC–

型濾波電路：在電容濾波后面再接L-C型濾波電路。uoRu2u1C1C2uo1′RL一、RC–

型濾波電路設uo1的直流分量為U′O，交流分量的基波的幅值為U′O1m，則：uo的直流分量：uoRu2u1C1C2uo1′RLuo的交流分量的基波的幅值：通常選擇濾波元件的參數使得：uo的脈動系數S與uo1的脈動系數S′的關系：二、L-C

型濾波電路u2u1LuoCRLuo1設uo1的直流分量為U′O，交流分量的基波的幅值為U′O1m，：通常選擇濾波元件的參數使得：uo的脈動系數S與uo1的脈動系數S′的關系：三、LC–

型濾波電路u2u1LuoC2RLuo1C1顯然，LC–

型濾波電路輸出電壓的脈動系數比只有LC濾波時更小，波形更加平滑；由于在輸入端接入了電容，因而較只有LC濾波時，提高了輸出電壓。一、二倍壓整流電路u2的正半周時：D1導通，D2截止，理想情況下，電容C1的電壓充到：u2的負半周時：D2導通，D1截止，理想情況下，電容C2的電壓充到：負載上的電壓：+–u1u2+–D1C2C1D2uoRL*§10.1.3倍壓整流電路+–二、多倍壓整流電路+–u2的第一個正半周：u2、C1、D1構成回路，C1充電到：u2的第一個負半周：u2、C2、D2、C1構成回路，C2充電到：C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6+–+–+–+–+–+–C1u1u2D1D2D3D4D5D6C3C5C2C4C6u2的第二個正半周：u2、C1、C3、D3、C2構成回路，C1補充電荷，C3充電到：u2的第二個負半周：u2、C2、C4、D4、C3、C1構成回路，C2補充電荷，C4充電到：把電容接在相應電容組的兩端，即可獲得所需的多倍壓直流輸出。§10.2串聯反饋式穩壓電路

穩壓電源方框圖引起輸出電壓變化的原因是負載電流的變化和輸入電壓的變化。負載電流的變化會在整流電源的內阻上產生電壓降，從而使輸入電壓發生變化。穩壓管穩壓電路開關型穩壓電路線性穩壓電路常用穩壓電路(小功率設備)電路最簡單，但是帶負載能力差，一般只提供基準電壓，不作為電源使用。效率較高，目前用的也比較多，但因學時有限，這里不做介紹。10.2.1穩壓電路的技術指標

用穩壓電路的技術指標去衡量穩壓電路性能的高低。

VI和

IO引起的

VO可用下式表示

(1)穩壓系數Sr定義為有時穩壓系數也用下式定義當輸出電流從零變化到最大額定值時，輸出電壓的相對變化值。（4）電流調整率SI

(3)輸出電阻Ro

(2)電壓調整率SV一般特指ΔVi/Vi=±10%時的Sr輸入電壓交流紋波峰峰值與輸出電壓交流紋波峰峰值之比的分貝數。（6）輸出電壓的溫度系數ST

如果考慮溫度對輸出電壓的影響,則輸出電壓是輸入電壓、負載電流和溫度的函數（5）紋波抑制比Srip

硅穩壓二極管穩壓電路的原理它是利用穩壓二極管的反向擊穿特性穩壓的，由于反向特性陡直，較大的電流變化，只會引起較小的電壓變化。(1)當輸入電壓變化時如何穩壓由圖可知

輸入電壓VI增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，從而使IZ增加，IR增加，使VR增加，從而使輸出電壓VO減小。這一穩壓過程概括為：VI↑→VO↑→VZ↑→IZ↑→IR↑→VR↑→VO↓(2)當負載電流變化時如何穩壓

負載電流IL增加，必然引起IR的增加，即VR增加，從而使VZ=VO減小，IZ減小。IZ的減小必然使IR減小，VR減小，從而使輸出電壓VO增加。這一穩壓過程概括為：

IL↑→IR↑→VR↑→VZ↓（VO↓）→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑穩壓電阻的計算穩壓二極管穩壓電路的穩壓性能與穩壓二極管擊穿特性的動態電阻有關，與穩壓電阻R的阻值大小有關。穩壓二極管的動態電阻越小，穩壓電阻R越大，穩壓性能越好。穩壓電阻R的作用將穩壓二極管電流的變化轉換為電壓的變化，從而起到調節作用，同時R也是限流電阻。顯然R的數值越大，較小IZ的變化就可引起足夠大的VR變化，就可達到足夠的穩壓效果。但R的數值越大，就需要較大的輸入電壓VI值，損耗就要加大。穩壓電阻的計算

（1）當輸入電壓最小，負載電流最大時，流過穩壓二極管的電流最小。此時IZ不應小于IZmin，由此可計算出穩壓電阻的最大值，實際選用的穩壓電阻應小于最大值。即（2）當輸入電壓最大，負載電流最小時，流過穩壓二極管的電流最大。此時IZ不應超過IZmax，由此可計算出穩壓電阻的最小值。即

穩壓二極管在使用時一定要串入限流電阻，不能使它的功耗超過規定值，否則會造成損壞！基準源

一般是指擊穿電壓十分穩定，電壓溫度系數經過補償了的穩壓二極管。也稱為參考源這種穩壓二極管采用一種埋層工藝，穩壓性能優良，有的還加有溫度控制電路，使其溫度系數可小到幾個10-6/℃。

型號穩定電壓(V)工作電流(mA)電壓溫度系數(10

-6/℃)

MC14032.5±1％1.210～100.

LM136/236/3362.510305.01030.

TL4312.5～360.4～10050.LM3999±6.95±5％105.AD2710K/L10.000±1mV102/1.MAX6764.096±0.01％516775.000±0.01％5167810.000±0.01％51.典型的基準源10.2.2串聯反饋式穩壓電源穩壓二極管的缺點是工作電流較小，穩定電壓值不能連續調節。線性串聯型穩壓電源的工作電流較大，輸出電壓一般可連續調節，穩壓性能優越。目前這種穩壓電源已經制成單片集成電路，廣泛應用在各種電子儀器和電子電路之中。一、串聯反饋式穩壓電路的工作原理典型的串聯反饋式穩壓電路，由基準電壓、比較放大、調整、取樣幾個部分組成。1．輸入電壓變化，負載電流保持不變

輸入電壓VI增加，必然會使輸出電壓VO有所增加，輸出電壓經過取樣電路取出一部分信號Vf與基準源電壓VREF比較，獲得誤差信號ΔV。誤差信號經放大后，用VO1去控制調整管的管壓降VCE增加，從而抵消輸入電壓增加的影響。

VI↑→VO↑→Vf↑→VO1↓→VCE↑→VO↓2．負載電流變化，輸入電壓保持不變負載電流IL增加，必然會使輸入電壓VI有所減小，輸出電壓VO必然有所下降，經過取樣電路取出一部分信號Vf與基準源電壓VREF比較，獲得的誤差信號使VO1增加，從而使調整管的管壓降VCE下降，從而抵消因IL增加，使輸入電壓減小的影響。

IL↑→VI↓→VO↓→Vf↓→VO1↑→VCE↓→VO↑3.輸出電壓調節范圍的計算可知Vf≈VREF顯然，調節RW可以改變輸出電壓。當VI↑時：→VO↑→Vf↑→VB、IC↓→VCE↑→VO↓穩壓電路的保護環節串聯型穩壓電源的內阻很小，如果輸出端短路，則輸出短路電流很大。同時輸入電壓將全部降落在調整管上，使調整管的功耗大大增加，調整管將因過損耗發熱而損壞，為此必須對穩壓電源的短路進行保護。過載也會造成損壞。保護的方法反饋保護型溫度保護型截流型限流型利用集成電路制造工藝，在調整管旁制作PN結溫度傳感器。當溫度超標時，啟動保護電路工作，工作原理與反饋保護型相同。截流型限流型當發生短路時，通過保護電路使調整管截止，從而限制了短路電流，使之接近為零。

是當發生短路時，通過電路中取樣電阻的反饋作用，輸出電流得以限制。

圖截流型特性

圖限流型特性

10.2.3三端集成穩壓器將串聯穩壓電源和保護電路集成在一起就是集成穩壓器。集成穩壓器有：輸入端、輸出端和公共端，稱三端集成穩壓器。

集成穩壓器符號要特別注意，不同型號，不同封裝的集成穩壓器，它們三個電極的位置是不同的，要查手冊確定。外形圖

三端集成穩壓器的分類1.三端固定正輸出集成穩壓器國標型號:CW78--/CW78M--/CW78L--2.三端固定負輸出集成穩壓器國標型號:CW79--/CW79M--/CW79L--3.三端可調正輸出集成穩壓器國標型號:CW117--/CW117M--/CW117L-CW217--/CW217M--/CW217L--CW317--/CW317M--/CW317L--4.三端可調負輸出集成穩壓器國標型號:CW137--/CW137M--/CW137L-CW237--/CW237M--CW237L--CW337--/CW337M--/CW337L--5.三端低壓差集成穩壓器6.大電流三端集成穩壓器

以上1---為軍品級；2---為工業品級；3---為民品級。

軍品級為金屬外殼或陶瓷封裝，工作溫度范圍-55℃～150℃；

工業品級為金屬外殼或陶瓷封裝，工作溫度范圍-25℃～150℃；

民品級多為塑料封裝，工作溫度范圍0℃～125℃。應用電路三端固定輸出集成穩壓器的典型應用電路如圖所示。可調輸出三端集成穩壓器的內部，在輸出端和公共端之間是1.25

V的參考源，因此輸出電壓可通過電位器調節。三端可調輸出集成穩壓器的典型應用電路如圖所示。防自激震蕩防高頻噪聲利用三端集成穩壓器組成恒流源

穩壓器做恒流源

可調穩壓器做恒流源電路

小電流恒流源

大電流恒流源三端集成穩壓器可做恒流源使用§10.3開關型穩壓電源為解決線性穩壓電源功耗較大的缺點，研制了開關型穩壓電源。開關型穩壓電源效率可達90%以上，造價低，體積小。現在開關型穩壓電源已經比較成熟，廣泛應用于各種電子電路之中。開關型穩壓電源的缺點是紋波較大，用于小信號放大電路時，還應采用第二級穩壓措施。10.3.1開關型穩壓電路的工作原理

開關型穩壓電源的原理可用下圖的電路加以說明。它由調整管、濾波電路、比較器、三角波發生器、比較放大器和基準源等部分構成。

圖開關型穩壓電源原理圖三角波發生器通過比較器產生一個方波vB，去控制調整管的通斷。調整管導通時，向電感充電。當調整管截止時，必須給電感中的電流提供一個泄放通路。續流二極管D即可起到這個作用，有利于保護調整管。

根據電路圖的接線，當三角波的幅度小于比較放大器的輸出時，比較器輸出高電平，對應調整管的導通時間為ton；反之輸出為低電平，對應調整管的截止時間toff。輸出波形中電位水平高于高電平最小值的部分，對方波而言，相當方波存在的部分。

輸出波形中電位水平低于低電平最大值的部分，對方波而言，相當方波不存在的部分。為了穩定輸出電壓，應按電壓負反饋方式引入反饋，以確定基準源和比較放大器的連線。設輸出電壓增加，FVO增加，比較放大器的輸出Vf減小，比較器方波輸出的toff增加，調整管導通時間減小，輸出電壓下降。起到了穩壓作用。各點波形見下圖。由于調整管發射極輸出為方波，有濾波電感的存在，使輸出電流iL為鋸齒波，趨于平滑。輸出則為帶紋波的直流電壓。

圖開關電源波形圖分析見下頁可以通過改變比較器輸出方波的寬度（占空比）來控制輸出電壓值。這種控制方式稱為脈沖寬度調制(PWM)。q稱為占空比方波高電平的時間占整個周期的百分比。在輸入電壓一定時，輸出電壓與占空比成正比。忽略電感的直流電阻，輸出電壓VO即為vE的平均分量。于是有1．調整管工作在開關狀態，功耗大大降低，電源效率大為提高；2．調整管在開關狀態下工作，為得到直流輸出，必須在輸出端加濾波器；3．可通過脈沖寬度的控制方便地改變輸出電壓值；4．在許多場合可以省去電源變壓器；5．由于開關頻率較高，濾波電容和濾波電感的體積可大大減小。由以上分析可以得出如下結論：集成開關型穩壓器典型的開關電源控制器和開關電源見下表

型號電源范圍/V最大輸出電流/A內部參考源/V輸出級形式TL4947～400.25推挽或單端

SG35248～350.15推挽

SG35258～350.55推挽

LM25753.5～3511.23_

表中前三個是開關電源控制器，后一個是單片開關電源穩壓器。實際上就是一個脈沖寬度調制（PWM）控制器，經常也用于其它脈寬調制場合。

集成開關穩壓器，一般有兩大類型。一類是包括調整管在內的集成開關穩壓器;另一類稱為開關電源控制器，它不包括調整管。(1)開關穩壓電源概述

利用開關電源控制器可以方便地構成開關電源。SG3524是一個典型的性能優良的開關電源控制器，其內部的結構框圖如圖所示。