整流器和直流稳压电源课件.ppt

1、 10.2 整流滤波电路整流滤波电路 220V50Hz(a)半波整流半波整流RLV220V50HzRLV1V2(b)全波整流全波整流220V50Hz(c)U2V1V2V3V4RL桥式整流桥式整流倍压整流倍压整流220V50Hz(d)U22U2 V1V2V3V4V5 2U22U22U222U2222tui ui0iVt0iV1iV2iV1(b)uouiuiuot1t2 全波整流电路全波整流电路管子流过的电流及输入输出电压波形管子流过的电流及输入输出电压波形 C(a)CL(b)C2R(c)C1 常用滤波电路常用滤波电路(a)电容滤波；电容滤波；(b)电感电容电感电容型滤波；型滤波；(c)电阻电容电

2、阻电容型滤波型滤波 设滤波电容电压初始值设滤波电容电压初始值uC(0)=0,当当ui为正半周时，为正半周时，V1导通，导通，V截止，截止，ui给给C充电。由于二极管内阻较充电。由于二极管内阻较小，小，充电时常数较小，充电时常数较小，uC上升快。上升快。 当当uC上升到等于上升到等于ui(t1)时，时，V1、V2均截止，电容均截止，电容C通过负载通过负载RL放电，放电，uo下降。下降。210k(c)1N44491N4449pq4-10 2220V/50Hz/0 Deg 全波整流电路及电压电流波形全波整流电路及电压电流波形(c)计算机仿真波形计算机仿真波形(为看清输出波纹，故意将滤波电容值取得很小

3、，为看清输出波纹，故意将滤波电容值取得很小，实实际上要加几百际上要加几百几千几千F) 2. 主要性能 1 当接入滤波电容接入滤波电容(C0)，且负载，且负载RL=时，输出电时，输出电压可充电至输入电压峰值压可充电至输入电压峰值： 一般情况下一般情况下(RL ,C0)，Uo的估算值为的估算值为9 . 02imimoUUU )输出直流电压输出直流电压Uo不接滤波电容不接滤波电容(C=0)时时:ioUU414. 1ioUU2 .1 式中式中Ui为变压器次级单边交流电压有效值，为变压器次级单边交流电压有效值，Uim为为交流振幅。根据式交流振幅。根据式(928)，可以由，可以由Uo算出算出Ui，从而算出

4、，从而算出变压比变压比VUNNn220212 2)滤波电容估算值滤波电容估算值 此时，波纹电压峰峰值此时，波纹电压峰峰值Urpp约为约为2)53(TCRLL(930)式中：式中：T为交流电网信号周期；为交流电网信号周期；IL为负载电流。为负载电流。 滤波电容的选择要满足下式，即滤波电容的选择要满足下式，即 (931)LLrppCTIU2 3)整流管的选择整流管的选择 2LMII(1)整流管最大允许电流整流管最大允许电流 (2)整流管反向击穿电压整流管反向击穿电压UBR2Uim。 半波整流只有一个整流管，所以半波整流只有一个整流管，所以IMIL，且波，且波纹大，所以一般用得不多。纹大，所以一般用

5、得不多。220V50HzUo1Uo2正电压输出负电压输出图 用用“硅桥硅桥”实现正、负两路直流输出的全波整流电路实现正、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型稳压电路。首先，我们介绍最常用的串联型稳压电源。压电源。 一、电路 串联型稳压电源的框图如图串联型稳压电源的框图如图10.4.2 所示。图中所示。图中“调整环节调整环节”就是一个射极输出器。取样环节是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

6、，加到一个误差比较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放大器的反相输入端，与同相输入端的基准电压相比较。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()OWREFWUURRURRR1202WR E FWRRRUURR 二二、主要参数 负载不变iiooUUUUS(932) 1)稳压系数S S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)输出电阻输出电阻Ro 不变iULooIUR(933) 一般稳压器的一般稳压器的Ro为为m数量级。数量级

7、。 3)温度系数温度系数ST不变不变LiIUoTTUS(934) Ro表示负载变化表示负载变化(IL变化变化)对输出电压的影响，即对输出电压的影响，即ST表示温度变化对输出电压的影响，其表达表示温度变化对输出电压的影响，其表达式为式为 2. 调整管参数 (1)调整管最大允许电流调整管最大允许电流ICM必须大于负载最必须大于负载最大电流大电流ILM。 (2)调整管最大允许功耗调整管最大允许功耗PCM必须大于调整管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最小、负载电流最大时，调整管的实际功耗是最大的

8、。大的。 (3)调整管必须工作在线性放大区，其管压降调整管必须工作在线性放大区，其管压降一般不能小于一般不能小于34V。 (4)如果单管基极电流不够，则采用复合管；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。使用多管并联。 (5)电路必须具有过热保护、过流保护等措施，电路必须具有过热保护、过流保护等措施，以免调整管损坏。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。集成三端稳压器有分广泛，而且非常方便。集成三端稳压器有78系系列

9、列(输出正电压输出正电压)和和79系列系列(输出负电压输出负电压)，后面两位，后面两位数表示输出电压值，如数表示输出电压值，如7812，即表示输出直流电压为，即表示输出直流电压为+12V。 三、集成三端稳压器 图中，图中，C1可以防止由于输入引线较长而带来的电感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。效应而产生的自激。C2用来减小由于负载电流瞬时变化用来减小由于负载电流瞬时变化而引起的高频干扰。而引起的高频干扰。C3为容量较大的电解电容，用来进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。一步减小输出脉动和低频干扰。LM78UoUiC1C2132(a)0.10.1C31

10、00 三端集成稳压电源的典型接法三端集成稳压电源的典型接法(a)78系列典型接法；系列典型接法；(b)79系列典型接法；系列典型接法；(c)三端稳压器外形图三端稳压器外形图 三端集成稳压电源的典型接法三端集成稳压电源的典型接法(a)78系列典型接法；系列典型接法；(b)79系列典型接法；系列典型接法；(c)三端稳压器外形图三端稳压器外形图LM79UoUiC1C2231(b)0.10.1C3100(c)321LM317UoUiC1R2132C2R1 三端稳压电源的功能可以扩展。图三端稳压电源的功能可以扩展。图917给出给出几个功能扩展电路。图几个功能扩展电路。图917(a)是一个扩流电路。是一个

11、扩流电路。图中图中V为扩流晶体管，输出总电流为扩流晶体管，输出总电流Io=Io+IC。 oRoURRURRU)1 ()1 (12112(936)2121)1 (RIRRUUQRo 图图917(b)电路是一个扩大输出电压的电路，电路是一个扩大输出电压的电路，该电路输出电压该电路输出电压 。式中，。式中，IQ为稳为稳压器静态工作电流，通常比较小；压器静态工作电流，通常比较小；UR1是稳压器输是稳压器输出电压出电压Uo。所以。所以LM78UiUoIo Io ICC2213ICIoC1RV (扩流管)(a)三端稳压器功能的扩展三端稳压器功能的扩展(a)扩流电路；扩流电路；(b)扩压电路；扩压电路；(c

12、)输出电压可调电路输出电压可调电路图 三端稳压器功能的扩展三端稳压器功能的扩展(a)扩流电路；扩流电路；(b)扩压电路；扩压电路；(c)输出电压可调电路输出电压可调电路LM78UoUiC1R2132(b)C2R1IQ三端稳压器功能的扩展三端稳压器功能的扩展(a)扩流电路；扩流电路；(b)扩压电路；扩压电路；(c)输出电压可调电路输出电压可调电路LM78UoUiC1(c)C2ARW (1)调整管总工作在线性放大状态，管压降大，调整管总工作在线性放大状态，管压降大，流过的电流也大流过的电流也大(大于负载电流大于负载电流)，所以功耗很大，效，所以功耗很大，效率较低率较低(一般为一般为40%60%)，

13、且需要庞大的散热装置。，且需要庞大的散热装置。 10.4.4 开关型稳压电源开关型稳压电源串联型反馈式稳压电源用途广泛，但存在以下两串联型反馈式稳压电源用途广泛，但存在以下两个问题：个问题： (2)电源变压器的工作频率为电源变压器的工作频率为50Hz，频率低而使，频率低而使得变压器体积大、重量重。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。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。开关稳压电源的一般

14、框图。 开关稳压电源的电路形式很多，我们仅以下面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。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为了减小调整管功耗,让调整管工作在让调整管工作在”开关开关”状态状态2. 为了减小变压器体积及重量为了减小变压器体积及重量.提高工作频率提高工作频率.从从50HZ变为几十变为几十KHZ.或几百或几百KHZ.UGRUo稳压输出一次整流二次整流AC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(ACDC)(ACDC) (DCAC)逆变器 开关稳压电源框图开关稳压电源框图 电网电压不

15、稳使输出直流电压电网电压不稳使输出直流电压Uo增大，经光耦合增大，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。该电压小。该电压(UC+)与与UC-的三角波比较结果，会使其输出的三角波比较结果，会使其输出电压电压(UG)的占空比减小，如图的占空比减小，如图919虚线所示，从而使虚线所示，从而使VMOS导通时间减小，截止时间增加。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经二次整流后取出方波的平均值(Uo)将随之减小。将随之减小。这就是开关电源稳压的原理。图这就是开关电源稳压的原理。图920给出一个实际的给出一个实际的开关

16、稳压电源的电原理图。开关稳压电源的电原理图。t0UCUCUG0tUG0tUC,UC图图919 脉宽调制器的各点波形脉宽调制器的各点波形 C9 0.01FR305N1 0.3190匝R124.7kVD1VD2FR305N2 0.31820pVD3R112.5kFR305C8R90.331WR101kR820kR722C210R2120k1WC7470pC1220400VR1电源噪声滤波器PNF补偿反馈UC3842R4 150k12C4UREFR610k84RR/CTGND电流检测C64700pC50.015R320kR43.6kFU2A220V50Hz600V/3A300VN31.045V7A(

17、35W)10V22W100p36U1U0TRVD4D80004C30.01 7VMOSIRFPG407C10470011匝4匝 一个实际的开关稳压电源电路一个实际的开关稳压电源电路 图图920中，中，VMOS源极电阻源极电阻R9为过流采样电阻。为过流采样电阻。当过流时，当过流时，UR9增大，经增大，经R10送至送至UC3842的的3端，以端，以实现过流保护的目的。实现过流保护的目的。C8、VD3、R11、R12、VD2和和C9构成两级吸收回路，用以吸收 尖峰干扰。构成两级吸收回路，用以吸收 尖峰干扰。VD1VD3采用快恢复的二极管采用快恢复的二极管FR305。VD4为输出整为输出整流管，采用流

18、管，采用D80-004型肖特基二极管，以满足高频、型肖特基二极管，以满足高频、大电流整流的需要。大电流整流的需要。 该电路采用自馈绕组反馈，而不是像图918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213SRQ5(b) 脉宽调制器脉宽调制器UC3842框图框图图图922散热器和热传导阻力等效通路散热器和热传导阻力等效通路(a)铝型材散热器示意图；铝型材散热器示意图；(b)热传导阻力等效通路热传导阻力等效通路(热阻计算热阻计算) 图图923功率管的二次击穿现象功率管

19、的二次击穿现象(a)二次击穿现象；二次击穿现象；(b)二次击穿临界线二次击穿临界线图图924 双极型功率管的安全工作区双极型功率管的安全工作区图图925 VMOS管的结构剖面图管的结构剖面图 933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926所示。gV1(a)V2gecce(b)V图926绝缘栅双极型功率管(IGBT) (a)等效电路；(b)符号 图927(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(CL1000pF)。 二、功率模块二

20、、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927(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。UDDOUTPUT4.7VINPUTGND12348765DIPUDDOUTPUTOUTPUTGNDGNDINPUTNCUDD500A300mVTC4429TC4420(a)TC4420TC4420UDDi2i1(b) 图927 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。OPA2

21、544的最大输出电流为2A， 电源电压范围10V35V 压摆率为8V/s 其封装和引脚图如图928所示： 而OPA3583的电源电压高达70V150V， 输出电流为75mA 压摆率达30V/s OPA2544和OPA3583的输入级为场效应管，输出级为互补跟随器。图928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。 934

22、 功率管的保护功率管的保护94 高精度基准电压源高精度基准电压源 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(0.210-62010-6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929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，结电压又知，结电压U随温度上升而下降，即有随温度上升而下降，即有TBEREFKUUU(940) 941能隙基准电压源能隙基准电压源一、一、能隙基准电压源的工作原理

23、能隙基准电压源的工作原理(941a) CTUUgBE0(941b) qkTUT(942) qkTKCTUUgREF0UBEUT发生器K常数UTTUBETUREF UBE KUT图929 能隙基准电压源的工作原理能隙基准电压源的工作原理 式中，Ug0为半导体材料在绝对零度下(0K)的带隙(BandGap)电压，即禁带宽度。硅材料的Ug0为1.205V，锗材料的Ug0为0.72V。该值是一个固定不变的电压值。如式(942)所示，若调整K值使第二项与第三项相抵消，则0gREFUU(943) 图930给出一个能隙基准电压源的电路例子。设运算放大器是理想的，且RA=RB 因此有 222121RURUUI

24、IBEBEBE(944) 二、能隙基准电压源电路二、能隙基准电压源电路(945) )ln()ln(122121nUIIIIUUUUTSSTBEBEBE图930 能隙基准电压源电路能隙基准电压源电路 I2I1I1 I2V2I2I1RBUCCR3V1R4UREFURAR1R2 运放输出电压即基准电压UREF为)1 ()ln(2)1 ()()1 ()1 (0432114312114343TgTBEBEREFKUCTURRnURRURRRIIURRRRUU(946) 式中， ).ln(221nRRK 调节R1和R2的值，使KUT=CT，那么043)1 (gREFURRU(947) 若R4固定，则改变R

25、3,即可得到不同的基准电压值。美国AD公司的AD580、AD581、AD584、AD680系列电压基准的原理电路与图930相同。 例如，AD581的基准电压UREF=10V0.005V，温度系数ST为510-6/，长期稳定度为2510-6/1000h，输出噪声电压的峰峰值小于40V。 能隙基准电压源的ST310-6/，噪声电压UNpp20V。对于高分辨率的A/D、D/A(16位以上)，仍感不足。以埋层齐纳管为参考的基准电压源的精度和稳定度有望更高。 942 以埋层齐纳管为参考的超高精度基准电压源以埋层齐纳管为参考的超高精度基准电压源 普通齐纳管的击穿机理发生在硅晶体表面，如普通齐纳管的击穿机理发生在硅晶体表面，如图图931(a)所示，表面存在更多的杂质，易受机械所示，表面存在更多的杂质，易受机械压力和晶格错位等因素影响，导致击穿噪声大，长压力和晶格错位等因素影响，导致击穿噪声大，长期稳定性不好。期稳定性不好。图931 普通齐纳管和埋层齐纳管的击穿部位普通齐纳管和埋层齐纳管的击穿部位 (a)普通齐纳管；普通齐纳管；(b)埋层齐纳管埋层齐纳管