模拟电子电路及技术基础 笫十章

10.1整流器和直流稳压电源tttt电源变压器整流电路滤波电路稳压器220V50Hzabcuouiuatubucuo变压器:将电网电压(220V、50Hz)变换为所需的交流电压；整流:将变压器次级交流转换为单向脉动直流；滤波:将整流后的波纹滤除。稳压:将不稳定的直流电压变成稳定的直流电压笫十章电源电路10.2整流滤波电路220V50Hz(a)半波整流＋－RLV220V50Hz＋－RLV1V2(b)全波整流220V50Hz(c)U2V1V2V3V4＋－RL桥式整流倍压整流220V50Hz(d)U22U2＋－V1V2V3V4V5＋－＋－2U22U22U222U2222tui′ui″0iVt0iV1iV2iV1(b)uoui′ui″uot1t2全波整流电路管子流过的电流及输入输出电压波形C(a)CL(b)C2R(c)C1＋＋＋＋常用滤波电路(a)电容滤波；(b)电感电容Γ型滤波；(c)电阻电容Π型滤波设滤波电容电压初始值uC(0)=0,当u″i为正半周时，V1导通，V２截止，u′i给C充电。由于二极管内阻较小，充电时常数较小，uC上升快。当uC上升到等于u′i(t1)时，V1、V2均截止，电容C通过负载RL放电，uo下降。2μ10k(c)1N44491N4449pq4-102220V/50Hz/0Deg全波整流电路及电压电流波形(c)计算机仿真波形(为看清输出波纹，故意将滤波电容值取得很小，实际上要加几百~几千μF)2.主要性能1当接入滤波电容(C≠0)，且负载RL=∞时，输出电压可充电至输入电压峰值：一般情况下(RL≠∞,C≠0)，Uo的估算值为'9.02imimoUUU)输出直流电压Uo不接滤波电容(C=0)时:ioUU414.1ioUU2.1式中U′i为变压器次级单边交流电压有效值，U′im为交流振幅。根据式(9—28)，可以由Uo算出U′i，从而算出变压比VUNNn2202122)滤波电容估算值此时，波纹电压峰峰值Urpp约为2)5~3(TCRLL(9—30)式中：T为交流电网信号周期；IL为负载电流。滤波电容的选择要满足下式，即(9—31)LLrppCTIU23)整流管的选择2LMII(1)整流管最大允许电流(2)整流管反向击穿电压UBR＞2U′im。半波整流只有一个整流管，所以IM＞IL，且波纹大，所以一般用得不多。220V50Hz＋＋Uo1Uo2－正电压输出＋负电压输出图用“硅桥”实现正、负两路直流输出的全波整流电路10.2串联反馈型线性稳压电源的工作原理常用稳压电路有串联反馈型稳压电路和开关型稳压电路。首先，我们介绍最常用的串联型稳压电源。一、电路串联型稳压电源的框图如图10.4.2所示。图中“调整环节”就是一个射极输出器。取样环节是将输出电压的变化样品取来，加到一个误差比较放大器的反相输入端，与同相输入端的基准电压相比较。＋－AUB调整环节比较放大环节US基准环节R1R2取样环节RLUo输出直流电压(稳定)输入直流电压(不稳定)UiRWUREF212()OWREFWUURRURRR1202WREFWRRRUURR二、主要参数负载不变iiooUUUUS(9—32)1)稳压系数SS表示输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比，即1.主要指标2)输出电阻Ro不变iULooIUR(9—33)一般稳压器的Ro为mΩ数量级。3)温度系数ST不变不变LiIUoTTUS(9—34)Ro表示负载变化(IL变化)对输出电压的影响，即ST表示温度变化对输出电压的影响，其表达式为2.调整管参数(1)调整管最大允许电流ICM必须大于负载最大电流ILM。(2)调整管最大允许功耗PCM必须大于调整管的实际最大功耗。当输入电压最大，而输出电压最小、负载电流最大时，调整管的实际功耗是最大的。(3)调整管必须工作在线性放大区，其管压降一般不能小于3~4V。(4)如果单管基极电流不够，则采用复合管；若单管输出电流不能满足负载电流的需要，则可使用多管并联。(5)电路必须具有过热保护、过流保护等措施，以免调整管损坏。集成三端稳压器是集成串联型稳压电源，用途十分广泛，而且非常方便。集成三端稳压器有78××系列(输出正电压)和79××系列(输出负电压)，后面两位数表示输出电压值，如7812，即表示输出直流电压为+12V。三、集成三端稳压器图中，C1可以防止由于输入引线较长而带来的电感效应而产生的自激。C2用来减小由于负载电流瞬时变化而引起的高频干扰。C3为容量较大的电解电容，用来进一步减小输出脉动和低频干扰。LM78××＋－＋－UoUiC1C2132(a)0.1μ0.1μC3＋100μ三端集成稳压电源的典型接法(a)78××系列典型接法；(b)79××系列典型接法；(c)三端稳压器外形图三端集成稳压电源的典型接法(a)78××系列典型接法；(b)79××系列典型接法；(c)三端稳压器外形图LM79××UoUiC1C2231(b)0.1μ0.1μC3＋100μ(c)321＋－＋－LM317UoUiC1R2132C2R1三端稳压电源的功能可以扩展。图9—17给出几个功能扩展电路。图9—17(a)是一个扩流电路。图中V为扩流晶体管，输出总电流Io=I′o+IC。oRoURRURRU)1()1(12112(9—36)2121)1(RIRRUUQRo图9—17(b)电路是一个扩大输出电压的电路，该电路输出电压。式中，IQ为稳压器静态工作电流，通常比较小；UR1是稳压器输出电压U′o。所以LM78××UiUoIo＝Io＋IC′C2213ICIo′C1RV(扩流管)(a)三端稳压器功能的扩展(a)扩流电路；(b)扩压电路；(c)输出电压可调电路图三端稳压器功能的扩展(a)扩流电路；(b)扩压电路；(c)输出电压可调电路LM78××UoUiC1R2132(b)C2R1IQ三端稳压器功能的扩展(a)扩流电路；(b)扩压电路；(c)输出电压可调电路LM78××UoUiC1(c)C2＋－ARW(1)调整管总工作在线性放大状态，管压降大，流过的电流也大(大于负载电流)，所以功耗很大，效率较低(一般为40%~60%)，且需要庞大的散热装置。10.4.4开关型稳压电源串联型反馈式稳压电源用途广泛，但存在以下两个问题：(2)电源变压器的工作频率为50Hz，频率低而使得变压器体积大、重量重。开关稳压电源正是基于上述改革思路而发明的新型稳压电源。目前，开关稳压电源已广泛应用于计算机、电视机及其它电子设备中。开关稳压电源的一般框图。开关稳压电源的电路形式很多，我们仅以下面的例子对其工作原理加以简要说明。为1.为了减小调整管功耗,让调整管工作在”开关”状态2.为了减小变压器体积及重量.提高工作频率.从50HZ变为几十KHZ.或几百KHZ.UGRUo稳压输出一次整流二次整流＋－A＋－C三角波发生器基准UR220V50HzVMOS(脉宽调制)(误差放大)(取样)光耦合器隔离(AC→DC)(AC→DC)(DC→AC)逆变器开关稳压电源框图电网电压不稳使输出直流电压Uo增大，经光耦合器隔离，误差放大器反相输入端电压增大，其输出减小。该电压(UC+)与UC-的三角波比较结果，会使其输出电压(UG)的占空比减小，如图9—19虚线所示，从而使VMOS导通时间减小，截止时间增加。经二次整流后取出方波的平均值(Uo)将随之减小。这就是开关电源稳压的原理。图9—20给出一个实际的开关稳压电源的电原理图。t0UC＋UC－UG0tUG0tUC＋,UC－图9—19脉宽调制器的各点波形C90.01μFR305N1φ0.3190匝R124.7kVD1VD2FR305N2φ0.31820pVD3R112.5kFR305C8R90.331WR101kR820kR722C210μR2120k1WC7470pC1220μ400VR1＋电源噪声滤波器PNF补偿反馈UC3842R4150k12C4UREFR610k84RR/CTGND电流检测C64700pC50.01μ5R320kR43.6kFU2A220V50Hz600V/3A＋300V＋N3φ1.0×4＋5V7A(35W)10V22W100p36U1U0TRVD4D80－004C30.01μ7VMOSIRFPG407C104700μ11匝4匝一个实际的开关稳压电源电路图9—20中，VMOS源极电阻R9为过流采样电阻。当过流时，UR9增大，经R10送至UC3842的3端，以实现过流保护的目的。C8、VD3、R11、R12、VD2和C9构成两级吸收回路，用以吸收尖峰干扰。VD1~VD3采用快恢复的二极管FR305。VD4为输出整流管，采用D80-004型肖特基二极管，以满足高频、大电流整流的需要。该电路采用自馈绕组反馈，而不是像图9—18所示的从输出电压经光耦合反馈，一般用于固定负载的情况。UC384212348765UREF输入U1输出U0地RT/CT电流检测反馈补偿(a)8参考电压≥1674振荡器内部基准21＋－＋－3SRQ5(b)脉宽调制器UC3842框图图9—22散热器和热传导阻力等效通路(a)铝型材散热器示意图；(b)热传导阻力等效通路(热阻计算)图9—23功率管的二次击穿现象(a)二次击穿现象；(b)二次击穿临界线图9—24双极型功率管的安全工作区图9—25VMOS管的结构剖面图9—3—3绝缘栅—双极型功率管(IGBT)及功率模块一、IGBT的等效电路及符号IGBT的等效电路和符号如图9—26所示。gV1(a)V2gecce(b)V图9—26绝缘栅—双极型功率管(IGBT)(a)等效电路；(b)符号图9—27(a)给出一种高速大功率CMOS器件(TC4420/29系列)，其脉冲峰值电流高达6A，开关速度高达25ns，使用十分方便，而且能带动大电容负载(CL≥1000pF)。二、功率模块功率模块有许多，有达林顿电路模块、各种MOS管或BiFET组件等。图9—27(b)是由两块TC4420组成的桥式电路，驱动电机或陀螺正、反向转动。UDDOUTPUT4.7VINPUTGND12348765DIPUDDOUTPUTOUTPUTGNDGNDINPUTNCUDD500μA300mVTC4429TC4420(a)TC4420TC4420UDDi2i1(b)图9—27高速大功率CMOS器件(a)内部电路；(b)由TC4420组成的桥式功率电路目前，还出现了许多高速大功率运算放大器(PowerOperationalAmplifiers)，如OPA2544、3583等。OPA2544的最大输出电流为2A，电源电压范围±10V~±35V压摆率为8V/μs其封装和引脚图如图9—28所示：而OPA3583的电源电压高达±70V~±150V，输出电流为75mA压摆率达30V/μsOPA2544和OPA3583的输入级为场效应管，输出级为互补跟随器。图9—28功率运算放大器OPA2544的外形图及管脚图(a)外形图；(b)管脚图为保证功率管的正常运行，要附加一些保护电路，包括安全区保护、过流保护、过热保护等等。例如，在VMOS的栅极加限流、限压电阻和反接二极管，在感性负载上并联电容和二极管，以限制过压或过流。又如，在功率管的c、e间并联稳压二极管，以吸收瞬时过压等等。9—3—4功率管的保护9—4高精度基准电压源在集成电路或电子设备中，常需要基准电压源(UREF)。该类基准电压源要求精度高，温度稳定性好(±0.2×10-6~±20×10-6左右)，噪声电压低，长期稳定度好等，但其输出电流并不大，一般为几毫安~十几毫安。实现此类电压基准功能的电路和器件有两种，简要介绍如下。如图9—29所示，UBE为负温度系数，UT发生器乘以系数K为负温度系数，二者经相加器相加后得到基准电压UREF：又知，结电压UＢＥ随温度上升而下降，即有TBEREFKUUU(9—40)9—4—1能隙基准电压源一、能隙基准电压源的工作原理(9—41a)CTUUgBE0(9—41b)qkTUT(9—42)qkTKCTUUgRE