第7章直流稳压电源

1第7章直流稳压电源本章介绍稳压电源的技术指标和工作指标，对串联稳压电源和开关电源的电路结构、工作原理给予了重点讨论，对三端固定和三端可调集成电源电路、以及开关电源芯片也给予了介绍。7.1串联型稳压电源7.1.1稳压电源的主要指标稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数、输出电阻、温度系数及纹波电压等。这些质量指标的含义，可简述如下：1.稳压器质量指标（1）电压调整率SV电压调整率是表征稳压器稳压性能的优劣的重要指标，又称为稳压系数或稳定系数，它表征当输入电压VI变化时稳压器输出电压VO稳定的程度，通常以单位输出电压下的输入和输出电压的相对变化的百分比）（%100OOIVVV表示。（2）电流调整率SI电流调整率是反映稳压器负载能力的一项主要自指标，又称为电流稳定系数。它表征当输入电压不变时，稳压器对由于负载电流（输出电流）变化而引起的输出电压的波动的抑制能力，在规定的负载电流变化的条件下，通常以单位输出电压下的输出电压变化值的白分比来表示稳压器的电流调整率（%100OOVV）（3）纹波抑制比SR纹波抑制比反映了稳压器对输入端引入的市电电压的抑制能力，当稳压器输入和输出条件保持不变时，稳压器的纹波抑制比常以输入纹波电压峰-峰值与输出纹波电压峰-峰值之比表示，一般用分贝数表示，但是有时也可以用百分数表示，或直接用两者的比值表示。（4）温度稳定性集成稳压器的温度稳定性是以在所规定的稳压器工作温度Ti最大变化范围内（Tmin≤Ti≤Tmax）稳压器输出电压的相对变化的百分比值（%100OOVV）/ΔT。2.稳压器的工作指标稳压器的工作指标是指稳压器能够正常工作的工作区域，以及保证正常工作所必须的工作条件，这些工作参数取决于构成稳压器的元件性能。（1）输出电压范围符合稳压器工作条件情况下，稳压器能够正常工作的输出电压范围，该指标的上限是由2最大输入电压和最小输入-输出电压差所规定，而其下限由稳压器内部的基准电压值决定。（2）最大输入-输出电压差该指标表征在保证稳压器正常工作条件下稳压器所允许的最大输入－输出之间的电压差值，其值主要取决于于稳压器内部调整晶体管的耐压指标。（3）最小输入-输出电压差该指标表征在保证稳压器正常工作条件下，稳压器所需的最小输入－输出之间的电压差值。（4）输出负载电流范围输出负载电流范围又称为输出电流范围，在这一电流范围内，稳压器应能保证符合指标规范征所给出的指标。3.极限参数（1）最大输入电压该电压是保证稳压器安全工作的最大输入电压。（2）最大输出电流是保证稳压器安全工作所允许的最大输出电流。7.1.2串联反馈式稳压电路的工作原理图7-1是串联反馈式稳压电路的一般结构图，图中VI是整流滤波电路的输出电压，T为调整管，A为比较放大器，VREF为基准电压，R1与R2组成反馈网络用来反映输出电压的变化(取样)。这种稳压电路的主回路是调整作用的三极管T与负载串联，故称为串联式稳压电路。输出电压的变化量由反馈网络取样经放大器放大后去控制调整管T的c–e极间的电压降，从而达到稳定输出电压VO的目的。稳压原理可简述如下：当输入电压VI增加(或负载电流IO减小)时，导致输出电压VO增加，随之反馈电压VF=R2VO/(R1+R2)=FVVO也增加(FV为反馈系数)。VF与基准电压VREF相比较，其差值电压经比较放大器放大后使VB和IC减小，调整管T的c–e极间的电压VCE增大，使VO下降，从而维持VO基本恒定。同理，当输入电压VI减小(或负载电流IO增加)时，亦将使输出电压基本保持不变。从反馈放大器的角度来看，这种电路属于电压串联负反馈电路。调整管T连接成射极跟图7-1串联反馈式稳压电路的一般结构图VBTVREFVFR1取样R2VoRL调整基准电压源比较放大∞-+Vi-+3随器。因而可得OOVREFVB)(VVFVAV或VVVREFO1FAAVV式中AV是比较放大器的电压放大倍数，是考虑了所带负载的影响的,与开环放大倍数AVO不同。在深度负反馈条件下，VV1FA1时，可得VREFOFVV上式表明，输出电压VO与基准电压VREF近似成正比，与反馈系数FV成反比。当VREF及FV已定时，VO也就确定了。因此它是设计稳压电路的基本关系式。值得注意的是，调整管T的调整作用是依靠FV和VREF之间的偏差来实现的，必须有偏差才能调整。如果VO绝对不变，调整管的VCE也绝对不变，那么电路也就不能起调整作用了。所以VO不可能达到绝对稳定，只能是基本稳定。因此，图10-8所示的系统是一个闭环有差调整系统。由以上分析可知，当反馈越深时，调整作用越强，输出电压VO也越稳定，电路的稳压系数和输出电阻RO也越小。7.1.3基准电压源基准电压源一般可以用稳压管组成的稳压源来承担，但目前有很多基准电压集成电路，这些电路稳压性能非常好，被广泛用作高性能稳压电源的基准电源，或A/D和D/A转换器的参考电源。常用的型号是MC1403、MC1503和TL431。TL431是一个性能优良的基准电压集成电路。该器件主要应用于稳压、仪器仪表、可调电源和开关电源中，是稳压二极管的良好替代品，其主要特点是：可调输出电压2.5~36V，典型输出阻抗0.2Ω，吸收电流1~100mA，温度系数30ppm/℃，多种封装形式。该器件的图形符号见图7-2a。图7-2b是使用TL431的稳压电路。在7-2b的电路，最大稳定电流2A，输出电压的调节范围为2.5~24V。在图中发光二极管作为稳压管使用，使T2的发射结恒定，从而使电流I1恒定，保证当输入电压变化时，TL431不会因电流过大而损坏。当输入电压变化时，TL431的参考电压VREF随之变化，当输出电压上升时，TL431的阴极电压随VREF上升而下降，输出电压随之下降。图7-2基准集成电路TL431及其应用电路阳极«阴极«参考VVRRR123TL431TD+24V2.5~24V12PT12C3856D261ioII12a)b)....REFCATHODEANODE10KΩ47.1.4简单分立元件组成的稳压电路分立元件组成的稳压电源电路如图7-3所示，该电路就是典型的串联稳压电源，其中变压器用于将220V市电降成需要的电压后，进行桥式整流和滤波，将交流电变成直流电并滤去纹波，经过简单的串联稳压电路，输出端得到稳定的直流电压。图7-3简单的串联稳压电源7.2集成稳压电源三端集成稳压电路的外部只有三个端子：输入、输出和公共端。在三端稳压电源芯片内有过流、过热及短路保护电路。该种芯片具有使用安全可靠，接线简单，维护方便、价格低廉等优点，当前正被广泛采用。7.2.1三端固定集成稳压电路三端固定集成稳压电路的输出电压是固定的，常用的是CW7800/CW7900系列。W7800系列输出正电压，其输出电压有5、6、7、8、9、10、12、15、18、20和24V共11个档次。该系列的输出电流分5档，7800系列是1.5A，78M00是0.5A，78L00和是0.1A，78T00是3A，78H00是5A。W7900系列与W7800系列所不同的是输出电压为负值。三端稳压器的工作原理与前述串联反馈式稳压电源的工作原理基本相同，由采样、基准、放大和调整等单元组成。集成稳压器只有三个引出端子：输入、输出和公共端。输入端接整流滤波电路，输出端接负载；公共端接输入、输出的公共连接点。为使它工作稳定，在输入和输出端与公共端之间并接一个电容。使用三端稳压器时注意一定要加散热器，否则是不能工作到额定电流。TrQ12N2222AD21N4736R1680ΩC1100μFC2100μFRL5kΩD~220V....图7-4三端稳压电路的典型应用电路VV+_+_ioCC12....IN(TAB)2OUT3LM7905VV+_+_ioCC12....1IN1OUT3LM7805257.2.2典型应用电路图7-4为三端式集成稳压电路的典型应用，图中是LM7805和LM7905作为固定输出电压电路的典型接线图。正常工作时，输入、输出电压差2～3V。电容C1、用来实现频率补偿，C2用来抑制稳压电路的自激振荡，C1一般为0.33μf，C2一般为1μF。7.23三端可调输出电压集成稳压器三端可调输出电压集成稳压器是在三端固定式集成稳压器基础上发展起来的生产量大应用面广的产品，它也有正电压输出LM117、LM217和LM317系列、负电压输出LM137、LM237和LM337系列两种类型，它既保留了三端稳压器的简单结构形式，又克服了固定式输出电压不可调的缺点，从内部电路设计上及集成化工艺方面采用了先进的技术，性能指标比三端固定稳压器的高一个数量级，输出电压在1.25~37V范围内连续可调。稳压精度高、价格便宜，称为第二代三端式稳压器。LM317是三端可调稳压器的一种，它具有输出1.5A电流的能力，典型应用的电路见图7-5。该电路的输出电压范围为1.25~37V。输出电压的近似表达式是)1(12RRVVREFO其中VREF=1.25V。如果R1=240Ω，R2=2.4k，则输出电压近似为13.75V。7.2.4低压差三端稳压器前述三端稳压器的缺点是输入输出之间必须维持2－3V的电压差才能正常的工作，在电池供电的装置中不能使用，例如，7805在输出1.5A时自身的功耗达到4.5W，不仅浪费能源还需要散热器散热。Micrel公司生产的三端稳压电路MIC29150，具有3.3V、5V和12V三种电压，输出电流1.5A，具有和7800系列相同的封装，与7805可以互换使用。该器件的特点是：压差低，在1.5A输出时的典型值为350mV，最大值为600mV；输出电压精度%2；最大输入电压可达26V，输出电压的温度系数为20ppm/℃，工作温度－40~125℃；有过流保护、过热保护、电源极性接反及瞬态过压保护（－20~60V）功能。该稳压器输入电压为5.6V，输出电压为5.0V，功耗仅为0.9W，比7805的4.5W小的多，可以不用散热片。如果采用市电供电，则变压器功率可以相应减小。MIC29150的使用与7805完全一样。7.3串联开关式稳压电源前述的串联反馈式稳压电路由于调整管工作在线性放大区，因此在负载电流较大时，调图7-5三端可调稳压器的典型电路IN1OUT3ADJ2LM317C2C1R1电压调节½ÚViVo100μF240ΩR2....100μF6整管的集电极损耗(PC=VCEIO)相当大，电源效率(η=PO/PI=VOIO/VIIO)较低40%～60%，有时还要配备庞大的散热装置。为了克服上述缺点，可采样串联开关式稳压电路，电路中的串联调整管工作在开关状态，即调整管主要工作在饱和导通和截止两种状态。由于管子饱和导通时管压降VCES和截止时管子的电流ICEO都很小，管耗主要发生在状态转换过程中，电源效率可提高到80%～90%，所以它的体积小、重量轻。它的主要缺点是输出电压中所含纹波较大。由于优点突出，目前应用日趋广泛。1.工作原理开关型稳压电路原理框图如图7-6所示。它和串联反馈式稳压电路相比，电路增加了LC滤波电路以及产生固定频率的三角波电压(vT)发生器和比较器C组成的驱动电路，该三角波发生器与比较器组成的电路又称为脉宽调制电路(PWM)，目前有各种集成脉宽调制电路。图中VI是整流滤波电路的输出电压，vB是比较器的输出电压，利用vB控制调整管T将Vi变成断续的矩形波电压vE(vD)。当vB为高电平时，T饱和导通，输入电压Vi经T加到二极管D的两端，电压vE等于VI(忽略管T的饱和压降)，此时二极管D承受反向电压而截止，负载中有电流IO流过，电感L储存能量。当vB为低电平时，T由导通变为截止，滤波电感产生自感电势(极性如图所示)，使二极管D导通，于是电感中储存的能量通过D向负载LR释放，使负载RL继续有电流通过，因而常称D为续流二极管。此时电压vE等于–VD(二极管正向压降)。由此可见，虽然调整管处于开关工作状态，