开关电源设计培训

电源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。电子电路工作时都需要直流电源提供能量，电池因使用费用高，一般只用于低功耗便携式的仪器设备中。单相桥式整流电路(1)工作原理当正半周时二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。当负半周时二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。在负载电阻上正负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。动画5-1动画5-2(2)负载上的直流电压和直流电流输出电压是单相脉动电压。通常用它的平均值与直流电压等效。输出平均电压为22π02L9.0π22dsin2π1VVttVV流过负载的平均电流为LLRVRVRVIL2L2L9.0π22L2L2LD45.0π22RVRVII流过二极管的平均电流为2Rmax2VV二极管所承受的最大反向电压滤波电路滤波的基本概念滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。电容滤波电路单相桥式电容滤波整流电路。在负载电阻上并联了一个滤波电容C。当v2到达90°时，v2开始下降。先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载ＲL放电。指数放电起始点的放电速率很大。(1)滤波原理若电路处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。此时C相当于并联在v2上，所以输出波形同v2，是正弦形。电容滤波波形图所以，在t1到t2时刻，二极管导电，Ｃ充电，vC=vL按正弦规律变化；t2到t3时刻二极管关断，vC=vL按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。在刚过90°时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过90°时二极管仍然导通。在超过90°后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，二极管关断。需要指出的是，当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移，t2点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小，见曲线3；反之，RLC减少时，导通角增加。显然，当ＲL很小，即IL很大时，电容滤波的效果不好，见滤波曲线中的2。反之，当ＲL很大，即IL很小时，尽管C较小,RLC仍很大,电容滤波的效果也很好,见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。电容滤波的效果动画5-3动画5-4(2)电容滤波的计算电容滤波的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。工程上有详细的曲线可供查阅。一般常采用以下近似估算法：)41(2L2OLCRTVVV一种是用锯齿波近似表示，即另一种是在RLC=(35)T/2的条件下，近似认为VL=VO=1.2V2。（或者，电容滤波要获得较好的效果，工程上也通常应满足RLC≥6~10。）（3）外特性整流滤波电路中，输出直流电压VL随负载电流IO的变化关系曲线。整流滤波电路的外特性2OLd2O2OL1.22)53(=0.9=,02=,=VVTCRVVCVVR～电感滤波电路利用储能元件电感器Ｌ的电流不能突变的性质，把电感Ｌ与整流电路的负载ＲL相串联，也可以起到滤波的作用。电感滤波电路波形图当v2正半周时，D1、D3导电，电感中的电流将滞后v2。当负半周时，电感中的电流将经由D2、D4提供。因桥式电路的对称性，和电感中电流的连续性，四个二极管D1、D3；D2、D4的导通角都是180°。稳压电路概述稳压电源方框图引起输出电压变化的原因是负载电流的变化和输入电压的变化。负载电流的变化会在整流电源的内阻上产生电压降，从而使输入电压发生变化。),(=OIOIVfV稳压电路的技术指标用稳压电路的技术指标去衡量稳压电路性能的高低。VI和IO引起的VO可用下式表示(1)稳压系数Sr0=IOIOrO=IVVVVS定义为OoIrOOOIIOOIRVSIIVVVVV有时稳压系数也用下式定义0=IIOOrO//=IVVVVS当输出电流从零变化到最大额定值时，输出电压的相对变化值。（4）电流调整率SI%100=0=OOIIVVVS(3)输出电阻Ro0=OOoI=VIVR%1001=0=IOOVOIVVVS(2)电压调整率SV一般特指ΔVi/Vi=±10%时的Sr输入电压交流纹波峰峰值与输出电压交流纹波峰峰值之比的分贝数。（6）输出电压的温度系数ST%1001=0=0,=OOTIOVITVVS如果考虑温度对输出电压的影响,则输出电压是输入电压、负载电流和温度的函数),,(=OIOTIVfV（5）纹波抑制比Sripp-opp-iprip20lg=VVS硅稳压二极管稳压电路的原理它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳压的，由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。(1)当输入电压变化时如何稳压由图可知ZLR+=IIIRIVVVVVRIRIZO==输入电压VI增加，必然引起VO的增加，即VZ增加，从而使IZ增加，IR增加，使VR增加，从而使输出电压VO减小。这一稳压过程概括为：VI↑→VO↑→VZ↑→IZ↑→IR↑→VR↑→VO↓(2)当负载电流变化时如何稳压负载电流IL增加，必然引起IR的增加，即VR增加，从而使VZ=VO减小，IZ减小。IZ的减小必然使IR减小，VR减小，从而使输出电压VO增加。这一稳压过程概括为：IL↑→IR↑→VR↑→VZ↓（VO↓）→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑稳压电阻的计算当输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压二极管的电流最小。此时IZ不应小于IZmin，由此可计算出稳压电阻的最大值，实际选用的稳压电阻应小于最大值。即LmaxZminZIminmax=IIVVR当输入电压最大，负载电流最小时，流过稳压二极管的电流最大。此时IZ不应超过IZmax，由此可计算出稳压电阻的最小值。即LminZmaxZImaxmin=IIVVRmaxminRRR(1)(2)稳压二极管在使用时一定要串入限流电阻，不能使它的功耗超过规定值，否则会造成损坏！串联反馈式稳压电源稳压二极管的缺点是工作电流较小，稳定电压值不能连续调节。线性串联型稳压电源的工作电流较大，输出电压一般可连续调节，稳压性能优越。目前这种稳压电源已经制成单片集成电路，广泛应用在各种电子仪器和电子电路之中。串联反馈式稳压电路的工作原理典型的串联反馈式稳压电路，由基准电压、比较放大、调整、取样几个部分组成。1．输入电压变化，负载电流保持不变输入电压VI增加，必然会使输出电压VO有所增加，输出电压经过取样电路取出一部分信号Vf与基准源电压VREF比较，获得误差信号ΔV。误差信号经放大后，用VO1去控制调整管的管压降VCE增加，从而抵消输入电压增加的影响。VI↑→VO↑→Vf↑→VO1↓→VCE↑→VO↓2．负载电流变化，输入电压保持不变负载电流IL增加，必然会使输入电压VI有所减小，输出电压VO必然有所下降，经过取样电路取出一部分信号Vf与基准源电压VREF比较，获得的误差信号使VO1增加，从而使调整管的管压降VCE下降，从而抵消因IL增加，使输入电压减小的影响。IL↑→VI↓→VO↓→Vf↓→VO1↑→VCE↓→VO↑3.输出电压调节范围的计算可知Vf≈VREFREF31O1O)+(1=VRRVV显然，调节RW可以改变输出电压。动画16-2串联反馈式稳压电路的工作原理当VI↑时：→VO↑→Vf↑→VB、IC↓0212VRRRVF→VCE↑→VO↓0VFV)(0VFVAVVREFVB0V动画16-116.3.2稳压电路的保护环节串联型稳压电源的内阻很小，如果输出端短路，则输出短路电流很大。同时输入电压将全部降落在调整管上，使调整管的功耗大大增加，调整管将因过损耗发热而损坏，为此必须对稳压电源的短路进行保护。过载也会造成损坏。保护的方法反馈保护型温度保护型截流型限流型利用集成电路制造工艺，在调整管旁制作PN结温度传感器。当温度超标时，启动保护电路工作，工作原理与反馈保护型相同。截流型限流型当发生短路时，通过保护电路使调整管截止，从而限制了短路电流，使之接近为零。截流特性见图16.05。是当发生短路时，通过电路中取样电阻的反馈作用，输出电流得以限制。限流特性见图16.06。图16.05截流型特性图16.06限流型特性三端集成稳压器将串联稳压电源和保护电路集成在一起就是集成稳压器。集成稳压器有：输入端、输出端和公共端，称三端集成稳压器。集成稳压器符号要特别注意，不同型号，不同封装的集成稳压器，它们三个电极的位置是不同的，要查手册确定。外形图三端可调式集成稳压器210)(RIRVVVabjREFREF212)1(RIRRVabjREF)1(120RRVVREF1IIabj三端集成稳压器的分类1.三端固定正输出集成稳压器国标型号:CW78--/CW78M--/CW78L--2.三端固定负输出集成稳压器国标型号:CW79--/CW79M--/CW79L--3.三端可调正输出集成稳压器国标型号:CW117--/CW117M--/CW117L-CW217--/CW217M--/CW217L--CW317--/CW317M--/CW317L--4.三端可调负输出集成稳压器国标型号:CW137--/CW137M--/CW137L-CW237--/CW237M--CW237L--CW337--/CW337M--/CW337L--5.三端低压差集成稳压器6.大电流三端集成稳压器以上1---为军品级；2---为工业品级；3---为民品级。军品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-55℃～150℃；工业品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围-25℃～150℃；民品级多为塑料封装，工作温度范围0℃～125℃。应用电路三端固定输出集成稳压器的典型应用电路如图所示。可调输出三端集成稳压器的内部，在输出端和公共端之间是1.25V的参考源，因此输出电压可通过电位器调节。)1(25.1+=1PPaP1REFREFORRRIRRVVV三端可调输出集成稳压器的典型应用电路如图所示。防自激震荡防高频噪声利用三端集成稳压器组成恒流源稳压器做恒流源可调稳压器做恒流源电路小电流恒流源大电流恒流源三端集成稳压器可做恒流源使用。16.4开关型稳压电源为解决线性稳压电源功耗较大的缺点，研制了开关型稳压电源。开关型稳压电源效率可达90%以上，造价低，体积小。现在开关型稳压电源已经比较成熟，广泛应用于各种电子电路之中。开关型稳压电源的缺点是纹波较大，用于小信号放大电路时，还应采用第二级稳压措施。16.4.1开关型稳压电路的工作原理16.4.2集成开关型稳压器16.4.1开关型稳压电路的工作原理开关型稳压电源的原理可用图16.13的电路加以说明。它由调整管、滤波电路、比较器、三角波发生器、比较放大器和基准源等部分构成。图16.13开关型稳压电源原理图三角波发生器通过比较器产生一个方波vB，去控制调整管的通断。调整管导通时，向电感充电。当调整管截止时，必须给电感中的电流提供一个泄放通路。续流二极管D即可起到这个作用，有利于保护调整管。根据电路图的接线，当三角波的幅度小于比较放大器的输出时，比较器输出高电平，对应调整管的导通时间为ton；反之输出为低电平，对应调整管的截止时间toff。输出波形中电位水平高于高电平最小值的部分，对方波而言，相当方波存在的部分。输出波形中电位水平低于低电平最大值的部分，对方波而言，相当方波不存在的部分。为了稳定输出电压，应按电压负反馈方式引入反馈，以确定基准源和比较放大器的连线。设输出电压增加，FVO增加，比较放大器的输出Vf减小，比较器方波输出的toff增加，调整管导通时间减小，输出电压下降。起到了稳压作用。各点波形见图16.14。由于调整管发射极输出为方波，有