穩(wěn)壓電源2課件

10.1整流器和直流穩(wěn)壓電源

變壓器:將電網(wǎng)電壓(220V、50Hz)變換為所需的交流電壓；整流:將變壓器次級(jí)交流轉(zhuǎn)換為單向脈動(dòng)直流；濾波:將整流后的波紋濾除。穩(wěn)壓:將不穩(wěn)定的直流電壓變成穩(wěn)定的直流電壓笫十章電源電路

10.2整流濾波電路

220V50Hz(a)半波整流＋－RLV220V50Hz＋－RLV1V2(b)全波整流橋式整流倍壓整流220V50Hz(d)U22U2＋－V1V2V3V4V5＋－＋－2U22U22U222U2222

全波整流電路管子流過(guò)的電流及輸入輸出電壓波形

設(shè)濾波電容電壓初始值uC(0)=0,當(dāng)u″i為正半周時(shí)，V1導(dǎo)通，V２截止，u′i給C充電。由于二極管內(nèi)阻較小，充電時(shí)常數(shù)較小，uC上升快。

當(dāng)uC上升到等于u′i(t1)時(shí)，V1、V2均截止，電容C通過(guò)負(fù)載RL放電，uo下降。

全波整流電路及電壓電流波形(c)計(jì)算機(jī)仿真波形(為看清輸出波紋，故意將濾波電容值取得很小，實(shí)際上要加幾百~幾千μF)2.主要性能

1當(dāng)接入濾波電容(C≠0)，且負(fù)載RL=∞時(shí)，輸出電壓可充電至輸入電壓峰值：一般情況下(RL≠∞,C≠0)，Uo的估算值為

)輸出直流電壓Uo不接濾波電容(C=0)時(shí):

3)整流管的選擇

(1)整流管最大允許電流

(2)整流管反向擊穿電壓UBR＞2U′im。

半波整流只有一個(gè)整流管，所以IM＞IL，且波紋大，所以一般用得不多。圖

用“硅橋”實(shí)現(xiàn)正、負(fù)兩路直流輸出的全波整流電路

10.2串聯(lián)反饋型線性穩(wěn)壓電源的工作原理

常用穩(wěn)壓電路有串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路和開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電路。首先，我們介紹最常用的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源。

一、電路

串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的框圖如圖10.4.2所示。圖中“調(diào)整環(huán)節(jié)”就是一個(gè)射極輸出器。取樣環(huán)節(jié)是將輸出電壓的變化樣品取來(lái)，加到一個(gè)誤差比較放大器的反相輸入端，與同相輸入端的基準(zhǔn)電壓相比較。

二、主要參數(shù)

(9—32)1)穩(wěn)壓系數(shù)SS表示輸出電壓相對(duì)變化量與輸入電壓相對(duì)變化量之比，即1.主要指標(biāo)

2)輸出電阻Ro

(9—33)一般穩(wěn)壓器的Ro為mΩ數(shù)量級(jí)。3)溫度系數(shù)ST(9—34)Ro表示負(fù)載變化(IL變化)對(duì)輸出電壓的影響，即ST表示溫度變化對(duì)輸出電壓的影響，其表達(dá)式為

2.調(diào)整管參數(shù)

(1)調(diào)整管最大允許電流ICM必須大于負(fù)載最大電流ILM。

(2)調(diào)整管最大允許功耗PCM必須大于調(diào)整管的實(shí)際最大功耗。當(dāng)輸入電壓最大，而輸出電壓最小、負(fù)載電流最大時(shí)，調(diào)整管的實(shí)際功耗是最大的。

(3)調(diào)整管必須工作在線性放大區(qū)，其管壓降一般不能小于3~4V。

(4)如果單管基極電流不夠，則采用復(fù)合管；若單管輸出電流不能滿(mǎn)足負(fù)載電流的需要，則可使用多管并聯(lián)。

(5)電路必須具有過(guò)熱保護(hù)、過(guò)流保護(hù)等措施，以免調(diào)整管損壞。三端集成穩(wěn)壓電源的典型接法(a)78××系列典型接法；(b)79××系列典型接法；(c)三端穩(wěn)壓器外形圖三端集成穩(wěn)壓電源的典型接法(a)78××系列典型接法；(b)79××系列典型接法；(c)三端穩(wěn)壓器外形圖LM317UoUiC1R2132C2R1三端穩(wěn)壓器功能的擴(kuò)展(a)擴(kuò)流電路；(b)擴(kuò)壓電路；(c)輸出電壓可調(diào)電路圖三端穩(wěn)壓器功能的擴(kuò)展(a)擴(kuò)流電路；(b)擴(kuò)壓電路；(c)輸出電壓可調(diào)電路三端穩(wěn)壓器功能的擴(kuò)展(a)擴(kuò)流電路；(b)擴(kuò)壓電路；(c)輸出電壓可調(diào)電路

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源正是基于上述改革思路而發(fā)明的新型穩(wěn)壓電源。目前，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、電視機(jī)及其它電子設(shè)備中。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的一般框圖。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的電路形式很多，我們僅以下面的例子對(duì)其工作原理加以簡(jiǎn)要說(shuō)明。為1.為了減小調(diào)整管功耗,讓調(diào)整管工作在”開(kāi)關(guān)”狀態(tài)為了減小變壓器體積及重量.提高工作頻率.從50HZ變?yōu)閹资甂HZ.或幾百KHZ.

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源框圖

電網(wǎng)電壓不穩(wěn)使輸出直流電壓Uo增大，經(jīng)光耦合器隔離，誤差放大器反相輸入端電壓增大，其輸出減小。該電壓(UC+)與UC-的三角波比較結(jié)果，會(huì)使其輸出電壓(UG)的占空比減小，如圖9—19虛線所示，從而使VMOS導(dǎo)通時(shí)間減小，截止時(shí)間增加。

經(jīng)二次整流后取出方波的平均值(Uo)將隨之減小。這就是開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)壓的原理。圖9—20給出一個(gè)實(shí)際的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的電原理圖。

一個(gè)實(shí)際的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源電路

圖9—20中，VMOS源極電阻R9為過(guò)流采樣電阻。當(dāng)過(guò)流時(shí)，UR9增大，經(jīng)R10送至UC3842的3端，以實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)的目的。C8、VD3、R11、R12、VD2和C9構(gòu)成兩級(jí)吸收回路，用以吸收尖峰干擾。VD1~VD3采用快恢復(fù)的二極管FR305。VD4為輸出整流管，采用D80-004型肖特基二極管，以滿(mǎn)足高頻、大電流整流的需要。

該電路采用自饋繞組反饋，而不是像圖9—18所示的從輸出電壓經(jīng)光耦合反饋，一般用于固定負(fù)載的情況。UC384212348765UREF輸入U(xiǎn)1輸出U0地RT/CT電流檢測(cè)反饋補(bǔ)償(a)8參考電壓≥1674振蕩器內(nèi)部基準(zhǔn)21＋－＋－3SRQ5(b)

脈寬調(diào)制器UC3842框圖圖9—22散熱器和熱傳導(dǎo)阻力等效通路(a)鋁型材散熱器示意圖；(b)熱傳導(dǎo)阻力等效通路(熱阻計(jì)算)圖9—23功率管的二次擊穿現(xiàn)象(a)二次擊穿現(xiàn)象；(b)二次擊穿臨界線圖9—24雙極型功率管的安全工作區(qū)圖9—25VMOS管的結(jié)構(gòu)剖面圖

9—3—3絕緣柵—雙極型功率管(IGBT)及功率模塊一、IGBT的等效電路及符號(hào)

IGBT的等效電路和符號(hào)如圖9—26所示。圖9—26絕緣柵—雙極型功率管(IGBT)(a)等效電路；(b)符號(hào)圖9—27(a)給出一種高速大功率CMOS器件(TC4420/29系列)，其脈沖峰值電流高達(dá)6A，開(kāi)關(guān)速度高達(dá)25ns，使用十分方便，而且能帶動(dòng)大電容負(fù)載(CL≥1000pF)。

二、功率模塊

功率模塊有許多，有達(dá)林頓電路模塊、各種MOS管或BiFET組件等。

圖9—27(b)是由兩塊TC4420組成的橋式電路，驅(qū)動(dòng)電機(jī)或陀螺正、反向轉(zhuǎn)動(dòng)。圖9—27高速大功率CMOS器件(a)內(nèi)部電路；(b)由TC4420組成的橋式功率電路目前，還出現(xiàn)了許多高速大功率運(yùn)算放大器(PowerOperationalAmplifiers)，如OPA2544、3583等。OPA2544的最大輸出電流為2A，電源電壓范圍±10V~±35V壓擺率為8V/μs其封裝和引腳圖如圖9—28所示：

而OPA3583的電源電壓高達(dá)±70V~±150V，輸出電流為75mA壓擺率達(dá)30V/μsOPA2544和OPA3583的輸入級(jí)為場(chǎng)效應(yīng)管，輸出級(jí)為互補(bǔ)跟隨器。圖9—28功率運(yùn)算放大器OPA2544的外形圖及管腳圖(a)外形圖；(b)管腳圖為保證功率管的正常運(yùn)行，要附加一些保護(hù)電路，包括安全區(qū)保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等等。例如，在VMOS的柵極加限流、限壓電阻和反接二極管，在感性負(fù)載上并聯(lián)電容和二極管，以限制過(guò)壓或過(guò)流。又如，在功率管的c、e間并聯(lián)穩(wěn)壓二極管，以吸收瞬時(shí)過(guò)壓等等。9—3—4功率管的保護(hù)9—4高精度基準(zhǔn)電壓源

在集成電路或電子設(shè)備中，常需要基準(zhǔn)電壓源(UREF)。該類(lèi)基準(zhǔn)電壓源要求精度高，溫度穩(wěn)定性好(±0.2×10-6~±20×10-6左右)，噪聲電壓低，長(zhǎng)期穩(wěn)定度好等，但其輸出電流并不大，一般為幾毫安~十幾毫安。實(shí)現(xiàn)此類(lèi)電壓基準(zhǔn)功能的電路和器件有兩種，簡(jiǎn)要介紹如下。如圖9—29所示，UBE為負(fù)溫度系數(shù)，UT發(fā)生器乘以系數(shù)K為負(fù)溫度系數(shù)，二者經(jīng)相加器相加后得到基準(zhǔn)電壓UREF：又知，結(jié)電壓UＢＥ隨溫度上升而下降，即有(9—40)9—4—1能隙基準(zhǔn)電壓源一、能隙基準(zhǔn)電壓源的工作原理(9—41a)(9—41b)(9—42)圖9—29能隙基準(zhǔn)電壓源的工作原理式中，Ug0為半導(dǎo)體材料在絕對(duì)零度下(0K)的帶隙(Band—Gap)電壓，即禁帶寬度。硅材料的Ug0為1.205V，鍺材料的Ug0為0.72V。該值是一個(gè)固定不變的電壓值。如式(9—42)所示，若調(diào)整K值使第二項(xiàng)與第三項(xiàng)相抵消，則(9—43)圖9—30給出一個(gè)能隙基準(zhǔn)電壓源的電路例子。設(shè)運(yùn)算放大器是理想的，且RA=RB

因此有

(9—44)

二、能隙基準(zhǔn)電壓源電路(9—45)圖9—30能隙基準(zhǔn)電壓源電路

運(yùn)放輸出電壓即基準(zhǔn)電壓UREF為(9—46)

式中，調(diào)節(jié)R1和R2的值，使KUT=CT，那么(9—47)若R4固定，則改變R3,即可得到不同的基準(zhǔn)電壓值。美國(guó)AD公司的AD580、AD581、AD584、AD680系列電壓基準(zhǔn)的原理電路與圖9—30相同。例如，AD581的基準(zhǔn)電壓UREF=10V±0.005V，溫度系數(shù)ST為5×10-6/℃，長(zhǎng)期穩(wěn)定度為25×10-6/1000h，輸出噪聲電壓的峰峰值小于40μV。