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开合电源计划经典培训

集成电路

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  开关电源培训 电子电路工作时都需要直流电源提供能量,电池因使用 电源 费用高,一般只用于低功耗便携式的仪器设备中。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,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。 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 1 2 2 VL ? ? 2V2 sin ? td? t ? V2 ? 0.9V2 π 0 π π 流过负载的平均电流为 IL ? 2 2V2 0.9V2 VL ? ? π RL RL RL 流过二极管的平均电流为 ID ? IL 2V2 0.45V2 ? ? 2 π RL RL 二极管所承受的最大反向电压 VRmax ? 2V2 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。 (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。 当v2到达 90°时,v2开始 在刚过 90°时,正弦曲线下降 的速率很慢。所以刚过 下降。先假设二极管关断, 90°时 二极管仍然导通。在超过 90° 电容C就要以指数规律向 后的某个点,正弦曲线下降的 负载RL放电。指数放电起 速率越来越快,二极管关断。 始点的放电速率很大。 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。 电容滤波波形图 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; 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。反之,当RL很大, 电容滤波的效果 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。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。 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: 一种是用锯齿波近似表示,即 T VL ? VO ? 2V2 (1 ? ) 4 RLC 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。 RL = ? C ?0 , , VO = 2V2 VO = 0.9 V2 T (3~5) 2 ? d = RLC VO ? 1.2 V2 整流滤波电路的外特性 电感滤波电路 利用储能元件电感器 L 当v2正半周时,D1、L D3的电流不能突变的性质,把电感 导电, 电感中的电流将滞后 vL 。当负半周时, 与整流电路的负载R 2相串联,也可以起到滤波的作用。 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°。 电感滤波电路 波形图 稳压电路概述 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。 VO = f (VI , I O ) 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。 稳压电源方框图 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 ?VO ?VO ?VO ? ?VI ? ?I O ? S r ?VI ? Ro ?I O ?VI ?IO (1)稳压系数Sr ? V ? V O O 定义为 S = ? r ? VI ?VI ?VO / VO Sr = ?VI / VI ?I O =0 有时稳压系数也用下式定义 ?I O =0 一般特指Δ Vi/Vi=±10%时的Sr (2)电压调整率SV SV (3)输出电阻Ro 1 ?VO = VO ?VI ?VO Ro = ?I O ?I O =0 ? 100 % ?VI = 0 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 ?VO SI = VO ?VI =0 ?100 % 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。 (5)纹波抑制比Srip S rip = 20lg Vip-p Vop-p ?100 % (6)输出电压的温度系数ST 1 ?VO ST = VO ?T ?I O =0,?VI =0 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 VO = f (VI , I O , T ) 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 VO = VZ = VI ? VR ? VI ? I R R I R = I L + I Z 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↓ 由图可知 (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 (1) 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 稳压二极管在使用时 稳压电阻应小于最大值。即 否则会造成损坏! 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 (2) 当输入电压最大,负载电流最小时,流过 一定要串入限流电阻,不 VImin ? VZ Rmax = I Zmin ? I Lmax 能使它的功耗超过规定值, Rmin VImax ? VZ = I Zmax ? I Lmin Rmin R ? Rmax 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 R1 VO ? VO1 = (1 + )VREF R3 显然,调节RW可以改变输出电压。 Vf≈VREF 动画16-2 串联反馈式稳压电路的工作原理 VB ? AV (VREF ? FV V0 ) ? V0 当VI↑时: →VO↑ →Vf↑ →VB、IC↓ →VCE↑→VO↓ R2 VF ? V0 ? FV V0 R1 ? R2 动画16-1 16.3.2 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 利用集成电路制造工艺, 在调整管旁制作PN结温度传感器。 限流型 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 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。 图16.05 截流型特性 限流型 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16.06 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。 外形图 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。 三端可调式集成稳压器 ?I abj ?? I1 R2 ?V0 ? VREF (1 ? ) R1 V0 ? VREF VREF R2 ?( ? I abj ) R2 ? VREF (1 ? ) ? I abjR2 R1 R1 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--/CW117LCW217--/CW217M--/CW217L-CW317--/CW317M--/CW317L-- 4.三端可调负输出集成稳压器 国标型号:CW137--/CW137M--/CW137LCW237--/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。 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 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1.25 V的参考源,因此输出电压可通过电位器调节。 VREF RP VO = VREF + RP ? I a RP ? 1.25 ? (1 ? ) R1 R1 利用三端集成稳压器组成恒流源 三端集成稳压器可 做恒流源使用。 小电流恒流源 稳压器做恒流源 大电流恒流源 可调稳压器做恒流源电路 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 输出波形中电位水平高于高电 输出波形中电位水平低于低 整管截止时,必须给电感中的电流提供一个泄放通路 平最小值的部分,对方波而言,相 电平最大值的部分,对方波而言, 。 当方波存在的部分。 相当方波不存在的部分。 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。 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,有滤波电感的存在,使输出电流iL为锯齿波,趋 于平滑。输出则为带纹波的直流电压。 分 析 见 下 页 图16.14 开关电源波形图 忽略电感的直流电阻,输出电压VO即为vE的平均分 量。于是有 1 t1 1 T q称为占空比 VO = ?0 vE dt ? ?t vE dt 方波高电平的时 T T 1 间占整个周期的 1 1 百分比。 ? (?VD )toff + (VI ? VCES )ton T T 在输入电压一定时, ton ?VI ? VI q 输出电压与占空比成正比。 T 可以通过改变比较器输出方波的宽度(占空比) 来控制输出电压值。这种控制方式称为脉冲宽度调制 (PWM)。 由以上分析可以得出如下结论: 1.调整管工作在开关状态,功耗大大降低, 电源效率大为提高; 2.调整管在开关状态下工作,为得到直流输出, 必须在输出端加滤波器; 3.可通过脉冲宽度的控制方便地改变输出电压值; 4.在许多场合可以省去电源变压器; 5.由于开关频率较高,滤波电容和滤波电感的体 积可大大减小。 16.4.2 集成开关型稳压器 (1)开关稳压电源概述 集成开关稳压器,一般有两大类型。一类是包 括调整管在内的集成开关稳压器;另一类称为开关电 源控制器,它不包括调整管。 实际上就是一个脉冲宽度调制(PWM)控制器, 经常也用于其它脉宽调制场合。 典型的开关电源控制器和开关电源见下表 型号 电源范围/V 最大输出电流 /A 内部参考源 /V 输出级形式 TL494 SG3524 SG3525 LM2575 7~40 8~35 8~35 3.5~35 0.2 0.1 0.5 1 5 5 5 1.23 推挽或单端 推挽 推挽 _ 表中前三个是开关电源控制器,后一个是单片开关电源稳压器。 (2)开关稳压电源控制器SG3524 利用开关电源控制器可以方便地构成开关电源。 SG3524 是一个典型的性能优良的开关电源控制器,其内部的结构框图 如图16.15所示。 它的内 部包括误差 放大器、限 流保护环节 、比较器、 振荡器、触 发器、输出 逻辑控制电 路和输出三 极管等环节 。 图16.15 SG3524的内部方框图 SG3524构成开关稳压电源的典型电路如图16.16所示。 图16.16 开关稳压电源应用电路 3524从11和14脚输出在时间上互相错开的两路控制信号, 其开关频率由6和7脚外接的RT和CT决定。1和2脚是内部运算放 大器的输入端,R1和R2构成反馈回路。16脚是基准源,由R3和 R4给误差运算放大器提供一个与反馈信号比较的给定电压。 V3和V4是或非门的输出,只要或非门的输入端有高电平 ,它的输出即为低电平。 V 和V 的输出由V2、CP、Q或Q决 定。因Q和Q只能有一个是高电平,T2和T1不可能同时导通 。 T1和T2只能按推挽方式工作,轮流交替导通。 3 4 SG3524电路控制过程的波形如图16.17所示。 锯齿波由振荡器提供,V1是误差放大器的输出,它们一 起加到比较器上。 V2是比较器的输出。振荡器输出的时钟驱 动T 触发器,CP、Q和V2 的或非是V3,决定T1的通断。CP、 Q和V2 的或非是V4,决定T2的通断。由于Q和Q等宽,加上V2 的存在,所以V3和V4这两路信号之间有一定的死区,以保证 T1和T2 管不会同时导通。 图16.17 SG3524的波形图 当V1降低时, V2加宽, T1和T2的宽度变窄,导通时间减 小。反之,当V1增加时, T1和T2 的导通时间增加。 (3) SG3524构成的开关稳压电源 现在来讨论3524构成的开关稳压电源的工作原理。 设负载电流加大,VO下降,反馈电压减小,误差放大器 的输出V1增加, T1和T2的导通时间增加,输出电压VO增加 。 反之,当VO 增加时,反 馈电压增加 , V1输出 减小, T1和 T2的导通时 间减小,输 出电压VO 减 小。 图 16.16SG3524 开关稳压电源应用电路 图 16.15 的内部方框图 当三极管的电流过大时,电阻R9上的压降增加到使限流 运算放大器的输出为低,即V1在大大下降, 使T1和T2 关断。 SG3524的10脚也有保护功能,当10脚加高电平时,可 以强迫V1下降, T1和T2关断。10脚与4脚可实现双重保护。 由于SG3524可在较高的频率下工作,T1和T2 应选用高频 开关管。变压器应采用高频变压器,滤波电感和滤波电容都 可以选用较小的数值。 实验十三 单片集成直流稳压电路的应用 变压器 硅桥整流 滤波 稳压 实验十三 单片集成直流稳压电路的应用 ★ 调节RL,使IL≤200mA。 1.调节调压器使输出V1=220V,再测量V2的电压。 2.用双踪示波器同时观察硅桥的输入、输出电压波形。 3.测量V3的值。(用万用表直流档测量) ★接上滤波电容C1。(先断开电源) 4.用双踪示波器同时观察V2、V4的电压波形。 5.测量V4的值。(用万用表直流档测量) 实验十三 单片集成直流稳压电路的应用 ★用示波器观察V0的波形。并测量VI和V0的值。(用万用表直流档测量) ? ?V0 ? ? V ? 测量稳压系数:? ? ? 0 ? ? ?VI ? ? ? VI ? ? I L保持不变 调节调压器使输出V1分别为242V和198V,再分别测量输入电 ? V0? ? V0?? ? ? V ? ’ ’’ ’ ’’ 压VI 、VI 和输出电压V0 、V0 。则: ??? 0 ? ? VI? ? VI?? ? I 保持不变 ? ? VI ? ? L 实验十三 单片集成直流稳压电路的应用 ★ 调节RL,使IL≤200mA。并测量VI和V0的值。(用万用表直流档测量) 测量输出电阻: R0 ? ?V0 ?I L VI 保持不变 断开RL(IL=0),测量输出 电压V0 ’’’,则: V0???? V0 R0 ? IL ? 0 VI 保持不变 实验十三 单片集成直流稳压电路的应用 1. 调节调压器,用万用表监视VI,使VI =30V。 2.调节电位器RW,观察输出电压,分别测得V0max和V0min的值。 3.当V0=V0max时,在重新测量γ和R0。 LM324运放 面包板 面包板装配 C1 Rb c Rc C2 ? VCC ? b e ? Vi ? RL ? V0 ?

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