集成电子技术基础教程(第二版)-课件-第2篇-第7章-功率变换电路.ppt

1、2.7.1 功率放大电路的特点和基本类型 第七章 功率变换电路 1、从功率变换的角度讨论放大电路如何有效地将直流供电电源的能量转换为负载所需要的信号功率。(DC/AC)2、如何将交流电网的能量转换为电子电路所要求的直流电能。(AC/DC)前面讨论的放大电路是一种功率变换电路(2)输出信号功率的能量来源于直流电源，应该考虑转换的效率。(1)输出电压或输出电流的幅度较大，功率放大电路必须工作在大信号条件下，因而容易产生非线性失真。如何尽量减小输出信号的失真是首先要考虑的问题。一、主要特点(3)半导体器件在大信号条件下运用时，电路中应考虑器件的过热、过流、过压、散热等一系列问题，因此要有适当的保护措

2、施。二、基本类型 功率放大电路主要有甲类、乙类、甲乙类等功率放大器 1、甲类功放甲类功率放大2、乙类功放 乙类功率放大3、甲乙类功放 甲乙类功率放大三、乙类功率放大器工作原理（1）互补对称功率放大器单电源供电，又称OTL(Output Transformerless)电路OTL双 电 源 供 电 电 路，称OCL(Output Capacitorless)功放电路OCLOTL功率放大器要求输入端(T1、T2基极)上的静态电 压 也 为 VC C/2，即I=(VCC/2)+i。单电源互补对称功率放大器增加了一只大容量(几百几千微法)的电解电容器。当静态时(i=0)，T1和T2都截止。它们的射极电

3、压为VCC/2，所以电容器C上充有VCC/2的电压，输出o=0。信号i为正半周时，T1导电，使T2截止，负截RL上流过正半周电流；信号为负半周时，电容器C上的电压VCC/2作为电源，T2导电，T1截止，负载上流过负半周信号电流。所以电容C要有足够大的容量，使得在信号负半周时能提供出较大的电流。互补对称功率放大器由于在静态条件下T1和T2都处于截止状态，所以它的静态功耗为零，但在动态时存在严重的交越失真。为了克服交越失真，必须给互补对称功率放大电路设置一定的静态工作点(使信号i=0时，T1、T2管都处于微导电状态)。根据静态工作点的不同设置，互补对称功率放大器可以工作在乙类功放，即导电角=180

4、；甲类功放，即导电角=360和甲乙类功放，即导电角在=180360。（2）变压器耦合推挽式变压器耦合的突出优点是，通过改变变压器的变比，能找到一个最佳的等效负载(此时输出功率最大，且不失真)。并且，在不提高电源电压的条件下，可以使输出电压的幅度Vom超过电源电压。)(11变比nNNiivvLcLoce由变压器原理可知LoLceLocceRvRviviv221LLoceLRnRvvR222LR是由变压器付边负载电阻折合到原边后的等效电阻。而调节变比n的大小可用变压器抽头实现。2.7.2 功率放大电路的分析计算1、输出功率Po和电源效率tVvimisintRVitVvLomoomosin)/(si

5、n设输入：则输出：LomomomoooRVIVIVP2222输出功率：一、功率放大电路的主要技术指标 双电源互补对称式(OCL)功率放大电路的主要技术指标电源提供平均功率：LomCCLomCCoCCERVVtdRtVVtdiVP2)(sin)(21200转换效率:CComLomCCLomEOVVRVVRVPP4222当输入信号使输出幅度达到理想的最大值时，CComVVLCComRVP22LCCERVP22%5.7844maxCComEOmVVPP最大不失真输出功率为：当考虑功放管的饱和压降VCES时，Vom=VCC-VCES，实际效率将小于78.5%(一般为6070%)。2、管耗PT T1、T

6、2两管的总管耗为：LomLomCCOmETRVRVVPPP222为求最大管耗PT M，对上式求导，并令dPT/dVom=0,即 CCCComLomLCComTVVVRVRVdVdP64.0202omomLCCTMPPRVP4.042222此时：所以每个功放管的最大功耗为：omTMMTMTPPPP2.02121二、功率管的选取 (2)功放管的耐压V(BR)CEO2VCC。(3)功放管允许的最大集电极电流ICM VCC/RL。(1)管子的功耗PCM0.2Pomax。在互补对称功率放大电路中，功放管必须按以下几点原则选取：三、功放电路实际应用时需考虑的问题(1)功率管应该严格配对，大小工作电流时的一

7、致。在大电流下饱和压降小，且一致。(2)管子的散热问题。在大功率场合，必须给管子装上一定尺寸的散热板，或进行风冷和水冷。(3)功放管因在大电流、高电压下工作，应对其采取过压和过流保护措施。(4)当电源质量不高或内阻较大时，电源内阻上的压降可能会引起功放电路的低频自激。消除低频自激的有效方法是在前置放大电路的供电回加接去耦电路。共射放大电路1共射放大电路2CRLRiviRCCV2.7.3 集成功率放大器 在集成运放的输出端再加一级互补对称功放电路利用T1、T2管的电流放大作用，达到扩大输出电流的目的。一、集成运放的扩流二、扩大集成运放的输出电压范围 当输入信号i为0时，输出电压o也为0。B1=+

8、15V,B2=-15V，集成运放的正、负电源端电位分别为V=+14.3V和V=-14.3V，它们之间的压差为+14.3-(-14.3)=28.6V。加入信号i后，T1、T2管的基极电位分别为：与i为0时的静态情况几乎一样，22)(2122)(2121oCCooCCBoCCooCCBvVvvVvvVvvVvVVvVvVvvvvVVCCoCCoCCBEBBEB30)22()22()()(2211但经扩压后的输出电压O可达24V以上。三、集成功率放大器 一般通用型集成运放的输出功率是很小的，如A741的输出功率仅为100mW左右。在需要较大功率场合，可选用集成功率放大器。5W音频放大器OTL电路，3

9、4dB增益，BW=300kHz，8欧姆负载时输出功率5W音量调节改善音质低频旁路电源去耦OCL音频放大器（20W）交流电压串联负反馈C1、C2、C3、C4电源去耦滤波C7、C5、R3改善音质用D1、D2正负向限幅2.7.4 整流、滤波和稳压电路 电子电路都要有直流电源供电，该直流电源一般通过交流电变换而来（AC/DC）。交流电变换成直流电需要下图所示的三个环节。交流/脉动直流脉动/平滑直流在一定电流下，输出电压恒定整流滤波稳压交流输入直流输出 整流电路的任务是利用二极管的单向导电性，把正、负交变的50Hz电网电压变成单方向脉动的直流电压。全波桥式整流电路全波桥式整流电路输出波形一、整流与滤波电

10、路 整流电路只是将交流电变换为单方向的脉动电压和电流，由于后者含有较大的交流成分，通常还需要在整流电路的输出端接入滤波电路，以滤除交流分量，从而得到平滑的直流电压。单相桥式整流电容滤波电路1.开关S打开时(不接负载RL）整流后的电压对电容充电，电容两端电压最终为变压器付边的最大值 。22V2.开关S闭合，即为电容滤波电阻负载，当变压器付边电压大于电容上电压时 ，电容充电，输出电压升高，当 时电容放电，输出下降。)(2Cvv)(2Cvv 如此充电快，放电慢的不断反复，在负载上将得到比较平滑的输出电压。当负载电阻越大时，放电越慢，纹波电压越小，负载电阻小时，放电快，纹波大，而且输出电压低。为此有三

11、种情况下的输出电压估算值；电容滤波，负载开路时22VVo22V 无电容滤波，电阻负载时输出电压平均值为：2202)(9.022)(21VVttdSinVVAVo电容滤波，电阻负载时通常用下式进行 估算22)(3.11.1VVVAVO通常按估算2)(2.1 VVAVORMRVVV22(二极管最大允许反向电压)(二极管最大整流电流)为确保二极管安全工作，要求:不同电子设备要求其电源电压的平滑程度不同，为此可采用不同的滤波电路。常见的有电容滤波、电感滤波和复式滤波电路(两个或两个以上滤波元件组成)。FLAVOAVDIRVI)2/()()(电容滤波器电感滤波器L型滤波器LC-型滤波器RC-型滤波器负载

12、特性曲线二、线性串联型稳压电路 整流滤波后的电压是不稳压的，在电网电压或负载变化时，该电压都会产生变化，而且纹波电压又大。所以，整流滤波后，还须经过稳压电路，才能使输出电压在一定的范围内稳定不变。整流滤波稳压交流输入直流输出VO、Iomax稳压电路1.稳压电路（电源）的主要性能指标输出的稳定电压值VO，最大输出电流Imax，输出纹波电压v，稳压输入VI稳压系数（电压调整率）rS0/LIIIoorVVVVS该值越小,稳定性越好（）1rS输出电阻（内阻）oR0IVLooIVR内阻越小越好2.串联型稳压电路的基本结构基本思路：CEoIVVV串联型IVoVCEV取样和放大电路 当输入电压 改变时，能自

13、动调节 电压的大小，使输出电压 保持恒定。例如：CEVoVIVIVoVCEV取 样 和 放大电路VI串联型稳压电路基本结构VO经取样和放大电路后IB VCE VO VI是整流滤波后的电压，T为调整管，A为比较放大电路，VREF为基准电压，它由稳压管Dz与限流电阻R构成。R1与R2组成反馈网络，是用来反映输出电压变化的取样环节。电路也可以改画成以下形式，以便看图方便。IVoVCEVAR1R2RLR压电样取FVT放大比较REFV基准BV如把串联稳压电路看作反馈放大器(输入为VI，输出为VO)，则这种电路属于电压串联负反馈。在深度负反馈条件下)1(21RRVFVVREFvREFOoVoFVFVRRR

14、V212REFFVV IVoVCEVAR1R2RLR压电样取FVT放大比较REFV基准BV 这种稳压电路的主回路由调整管T与负载相串联构成，且T工作在线性状态，故称为线性串联式稳压电路。输出电压VO=VI-VCE，其变化量由反馈网络取样，并经放大电路(A)放大后去控制调整管T的基极电压，从而改变调整管T的VCE大小。IVoVCEVAR1R2RLR压电样取FVT放大比较REFV基准BV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电路放大后使调整管的

15、VB和IC减小，于是调整管T的c-e间电压VCE增大，使VO下降，从而维持VO基本恒定。显然，这是电压负反馈电路基本性能。2.7.5 线性集成稳压电路 1.三端固定式集成稳压器 如果将前述的串联型稳压电源电路全部集成在一块硅片上，加以封装后引出三端引脚，就成了三端集成稳压电源了。正电压输出的78系列TO-220封装外型（塑料封装）TO-3封装外型（金属封装）负电压输出的79系列其中表示固定电压输出的数值。如：7805、7806、7809、7812、7815、7818、7824等，指输出电压是+5V、+6V、+9V、+12V、+15V、+18V、+24V。79系列也与之对应，只不过是负电压输出。

16、这类稳压器的最大输出电流为1.5A，塑料封装(TO-220)最大功耗为10W(加散热器)；金属壳封装(TO-3)外形，最大功耗为20W(加散热器)。2.78系列三端集成稳压器内部电路框图 3.三端集成稳压器的典型应用 固定输出连接78系列正固定输出连接79系列负固定输出连接 在使用时必须注意：之间的关系，以W7805为例，该三端稳压器的固定输出电压是5V，而输入电压至少大于8V，这样输入/输出之间有3V的压差。使调整管保证工作在放大区。但压差取得大时，又会增加集成块的功耗，所以，两者OIVV 和应兼顾，即既保证在最大负载电流时调整管不进入饱和，又不致于功耗偏大。固定双组输出连接 扩大输出电流连

17、接 78inVoVRLR1C2C3CTDLIBIOIRI二极管D以低消T管VBE压降而设置，扩大的输出电流为：)(RoBLIIII原输出电流是IO，现可以近似扩大 倍。扩大输出电压范围 78inVoVA1oV1R2R3R4R1CVooooVRRVRRRRRVVVV34212341)(1()1)(12433RRRRRVVo所以有：连接成恒流源电路RVIXXL 三端可调式集成稳压电路 型号有正输出三端可调式、负输出三端可调式两种。如LM317型是正电压输出型，LM337是负电压输出可调式。其输出电压可在1.2540V之间调节。78inVVRLR1C2CDLI222)1()(RIRRVRIRVVVadjREFadjREFREFO LM317inV0VR2R1C2CinoutADJADJIREFV其中，VREF=1.25V，而IADJ很小，通常略去，所以，由公式可得，只要调节R2就能在一定范围调节输出电压的大小。具有正负输出的实际应用电路如下页中的图所示。该电路输入电压VI分别为25V，则输出电压可调范围为(1.220)V。