模擬電路103節(jié)

1、10.3開關(guān)型穩(wěn)壓電路開關(guān)型穩(wěn)壓電路1. 開關(guān)型穩(wěn)壓電路的特點開關(guān)型穩(wěn)壓電路的特點效率高。開關(guān)型穩(wěn)壓電路中的調(diào)整管工作在開關(guān)效率高。開關(guān)型穩(wěn)壓電路中的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，通過改變調(diào)整管導通時間實現(xiàn)穩(wěn)壓。由于調(diào)狀態(tài)，通過改變調(diào)整管導通時間實現(xiàn)穩(wěn)壓。由于調(diào)整管主要工作在截止和飽和兩種狀態(tài)，管耗很小，整管主要工作在截止和飽和兩種狀態(tài)，管耗很小，開關(guān)型穩(wěn)壓電路效率較高，可達開關(guān)型穩(wěn)壓電路效率較高，可達8090%。體積小重量輕。大多數(shù)開關(guān)型穩(wěn)壓電路不使用體積小重量輕。大多數(shù)開關(guān)型穩(wěn)壓電路不使用50Hz工頻變壓器，而且開關(guān)頻率在幾十幾百千赫，工頻變壓器，而且開關(guān)頻率在幾十幾百千赫，使濾波電感和電容的容量

2、減??；因調(diào)整管的功耗小，使濾波電感和電容的容量減??；因調(diào)整管的功耗小，散熱器也隨之減小。散熱器也隨之減小。10.3.1開關(guān)型穩(wěn)壓電路的特點和類型開關(guān)型穩(wěn)壓電路的特點和類型1、開關(guān)型穩(wěn)壓電路的特點、開關(guān)型穩(wěn)壓電路的特點對輸入直流電壓要求不高。由于開關(guān)型穩(wěn)壓電路對輸入直流電壓要求不高。由于開關(guān)型穩(wěn)壓電路的輸出電壓與調(diào)整管高通與截止時間的比例有關(guān)，的輸出電壓與調(diào)整管高通與截止時間的比例有關(guān)，而輸入直流電壓的幅度變化對其影響很小。而輸入直流電壓的幅度變化對其影響很小。調(diào)整管的控制電路復雜。為了使調(diào)整管工作在開調(diào)整管的控制電路復雜。為了使調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，需要增加復雜的控制電路。關(guān)狀態(tài)，需要增加復雜

3、的控制電路。輸出電壓中紋波和噪聲較大。因調(diào)整管工作在開輸出電壓中紋波和噪聲較大。因調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，將產(chǎn)生尖峰干擾和諧波信號，雖然經(jīng)過關(guān)狀態(tài)，將產(chǎn)生尖峰干擾和諧波信號，雖然經(jīng)過整流濾波，輸出電壓中的紋波和噪聲仍比線性穩(wěn)整流濾波，輸出電壓中的紋波和噪聲仍比線性穩(wěn)壓電路大。壓電路大。10.3.1開關(guān)型穩(wěn)壓電路的特點和類型開關(guān)型穩(wěn)壓電路的特點和類型10.3.1開關(guān)型穩(wěn)壓電路的特點和類型開關(guān)型穩(wěn)壓電路的特點和類型2、開關(guān)型穩(wěn)壓電路的分類、開關(guān)型穩(wěn)壓電路的分類開關(guān)型穩(wěn)壓電路種類很多，可以按不同方式來分類。開關(guān)型穩(wěn)壓電路種類很多，可以按不同方式來分類。按調(diào)整管與負載連接方式可分為串聯(lián)型和并聯(lián)型。在串聯(lián)

4、按調(diào)整管與負載連接方式可分為串聯(lián)型和并聯(lián)型。在串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路中，調(diào)整管與負載串聯(lián)，輸出電壓總開關(guān)型穩(wěn)壓電路中，調(diào)整管與負載串聯(lián)，輸出電壓總是小于輸入電壓，故稱為降壓型穩(wěn)壓電路。在并聯(lián)開是小于輸入電壓，故稱為降壓型穩(wěn)壓電路。在并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路中，調(diào)整管與負載并聯(lián)，具有升壓功能，關(guān)型穩(wěn)壓電路中，調(diào)整管與負載并聯(lián)，具有升壓功能，故稱為升壓型穩(wěn)壓電路。按穩(wěn)壓的控制方式可分為脈故稱為升壓型穩(wěn)壓電路。按穩(wěn)壓的控制方式可分為脈沖寬度調(diào)制沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulated，PWM)、脈沖頻、脈沖頻率調(diào)制型率調(diào)制型(Pulse Frequency Modulated, PFM)和混合調(diào)

5、和混合調(diào)制，其中脈沖寬度調(diào)制制，其中脈沖寬度調(diào)制PWM用得較多。按調(diào)整管是否用得較多。按調(diào)整管是否參與振蕩可分為自激式和他激式。按所用開關(guān)管的種參與振蕩可分為自激式和他激式。按所用開關(guān)管的種類分雙極性三極管、類分雙極性三極管、MOS場效應管和晶閘管等。場效應管和晶閘管等。1. 串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路：串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路：串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路，調(diào)整管與負載是串聯(lián)的，因此輸串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路，調(diào)整管與負載是串聯(lián)的，因此輸出電壓小于輸入電壓，也稱為降壓式變換器出電壓小于輸入電壓，也稱為降壓式變換器(Step-Down Regulator)，或者，或者Buck變換器變換器(Buck Regulator)。在

6、圖。在圖10-13中，中，VT為調(diào)整管為調(diào)整管(也稱開關(guān)管也稱開關(guān)管)，VD為續(xù)流二極管，為續(xù)流二極管，L、C構(gòu)成濾波器。當構(gòu)成濾波器。當uB為高電平時，調(diào)整管為高電平時，調(diào)整管VT飽和導通，飽和導通，輸入電壓輸入電壓UI經(jīng)濾波電感經(jīng)濾波電感L加在濾波電容加在濾波電容C和負載和負載RL兩端；兩端；在此期間，在此期間，iL增大，增大，L和和C儲能，續(xù)流二極管儲能，續(xù)流二極管VD反偏截反偏截止。當止。當uB為低電平時，調(diào)整管為低電平時，調(diào)整管VT由導通變?yōu)榻刂梗娪蓪ㄗ優(yōu)榻刂?，電感電流感電流iL不能突變，不能突變，iL經(jīng)經(jīng)RL和續(xù)流二極管和續(xù)流二極管VD衰減而釋衰減而釋放能量，此時放能量，此時C

7、也向也向RL放電，因此放電，因此RL兩端仍能獲得連續(xù)兩端仍能獲得連續(xù)的輸出電壓。的輸出電壓。10.3.2開關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理開關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理 調(diào)整管調(diào)整管VT驅(qū)動電壓驅(qū)動電壓uB一般為一般為PWM(Pulse Width Modulation, 脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制)信號，周期為信號，周期為T，頻率為，頻率為f=1/T，導通時間為，導通時間為ton，截止時間為，截止時間為toff，則周期，則周期T=ton+toff，占空比，占空比q= ton/T。通常。通常PWM信號頻率信號頻率f在在20kHz以上，頻率越高，所用的儲能元件以上，頻率越高，所用的儲能元件L、C的值越小，穩(wěn)壓電源的尺寸和

8、重量將會減小，成的值越小，穩(wěn)壓電源的尺寸和重量將會減小，成本降低；但是頻率增加將使開關(guān)管在單位時間內(nèi)本降低；但是頻率增加將使開關(guān)管在單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)換次數(shù)增加。轉(zhuǎn)換次數(shù)增加。10.3.2開關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理開關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理1. 串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路：串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路：0U t( U)ttI onVD offonUUqUIITT 由此可見，如果由此可見，如果UI值不變，通過調(diào)節(jié)占空比值不變，通過調(diào)節(jié)占空比q即即可調(diào)節(jié)輸出電壓可調(diào)節(jié)輸出電壓U0。10.3.2開關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理開關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理1. 串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路：串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路： 若保持控制信號的脈寬不變，只改變信號的

9、周若保持控制信號的脈寬不變，只改變信號的周期期T，同樣也能使輸出電壓，同樣也能使輸出電壓U0發(fā)生變化，這就是脈發(fā)生變化，這就是脈沖頻率調(diào)制型沖頻率調(diào)制型(PFM)開關(guān)穩(wěn)壓電路；若同時改變導通開關(guān)穩(wěn)壓電路；若同時改變導通時間時間ton和周期和周期T，稱為混合調(diào)制型開關(guān)穩(wěn)壓電路。，稱為混合調(diào)制型開關(guān)穩(wěn)壓電路。圖10-13 串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電源原理框圖10.3.2開關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理開關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理2. 并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路：并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路： 并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路，調(diào)整管與負載是并聯(lián)的，因并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路，調(diào)整管與負載是并聯(lián)的，因此輸出電壓大于輸入電壓，也稱為升壓式變換器此輸出電壓大于輸

10、入電壓，也稱為升壓式變換器(Step-Up Regulator)，或者或者Boost變換器變換器(Boost Regulator)。在圖。在圖10-15中中，VT為調(diào)整管為調(diào)整管(也稱開關(guān)管也稱開關(guān)管)，VD為續(xù)流二極管，為續(xù)流二極管，L、C構(gòu)成濾波器。當構(gòu)成濾波器。當uB為高電平為高電平時，調(diào)整管時，調(diào)整管VT飽和導通，使二極管飽和導通，使二極管VD反偏而截止，反偏而截止，輸入電壓輸入電壓UI經(jīng)電感經(jīng)電感L和調(diào)整管和調(diào)整管VT形成回路，通過電感形成回路，通過電感L中的電流中的電流iL在電感中儲能；同時電容在電感中儲能；同時電容C對負載放電，對負載放電，供給負載供給負載RL電流。當電流。當uB

11、為低電平時，調(diào)整管為低電平時，調(diào)整管VT截止，截止，由于電感電流由于電感電流iL不能突變而產(chǎn)生反極性的自感電動勢，不能突變而產(chǎn)生反極性的自感電動勢，使二極管使二極管VD導通，電感電流導通，電感電流iL經(jīng)續(xù)流二極管經(jīng)續(xù)流二極管VD向電向電容容C充電，同時給負載充電，同時給負載RL供電。因此，在輸出端能獲供電。因此，在輸出端能獲得平穩(wěn)的直流輸出電壓。得平穩(wěn)的直流輸出電壓。10.3.2開關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理開關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理2. 并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路：并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路： 圖圖10-16給出了開關(guān)管電壓給出了開關(guān)管電壓uB、開關(guān)管電流、開關(guān)管電流iVT、二極管電流二極管電流iVD、電感電流、電

12、感電流iL的波形。開關(guān)管的波形。開關(guān)管VT導通導通時間越長，向電感時間越長，向電感L儲能越多，當開關(guān)管截止時，儲能越多，當開關(guān)管截止時，L向負載釋放的能量越多，輸出電壓越大?？梢宰C明，向負載釋放的能量越多，輸出電壓越大?？梢宰C明，并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路的輸出電壓平均值為并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路的輸出電壓平均值為11oIUUq式中，調(diào)整管式中，調(diào)整管VT驅(qū)動電壓驅(qū)動電壓uB信號周期為信號周期為T，導通時，導通時間為間為ton，截止時間為，截止時間為toff，則周期，則周期T=ton+toff，占空，占空比比q= ton/T。由于占空比由于占空比q總是小于總是小于1，則，則UO總是大于總是大于UI。10.3

13、.2開關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理開關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理2. 并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路：并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路：圖10-15并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電源原理框圖圖10-16 Boost變換器的工作波形10.3.3 集成開關(guān)穩(wěn)壓器集成開關(guān)穩(wěn)壓器 目前，開關(guān)穩(wěn)壓電源所用的集成電路分為兩類，一類目前，開關(guān)穩(wěn)壓電源所用的集成電路分為兩類，一類是將脈沖產(chǎn)生、脈寬調(diào)制等控制電路集成在一個芯片上，是將脈沖產(chǎn)生、脈寬調(diào)制等控制電路集成在一個芯片上，稱為開關(guān)穩(wěn)壓控制器，一般需要外接開關(guān)功率調(diào)整管和快稱為開關(guān)穩(wěn)壓控制器，一般需要外接開關(guān)功率調(diào)整管和快速恢復功率二極管，主要用于自行設計制作的電路復雜、速恢復功率二極管，主要用于自行設計制作

14、的電路復雜、功能齊全的大型開關(guān)穩(wěn)壓電路系統(tǒng)；例如，功能齊全的大型開關(guān)穩(wěn)壓電路系統(tǒng)；例如，UC3846、UC3907等。另一類是將脈沖產(chǎn)生、脈寬調(diào)制、調(diào)整管等集等。另一類是將脈沖產(chǎn)生、脈寬調(diào)制、調(diào)整管等集成在一個芯片上，用戶只需外接二極管、電感、電容和電成在一個芯片上，用戶只需外接二極管、電感、電容和電阻就可以構(gòu)成開關(guān)穩(wěn)壓電源，稱為開關(guān)穩(wěn)壓器。開關(guān)穩(wěn)壓阻就可以構(gòu)成開關(guān)穩(wěn)壓電源，稱為開關(guān)穩(wěn)壓器。開關(guān)穩(wěn)壓器種類很多，有串聯(lián)型器種類很多，有串聯(lián)型(降壓型降壓型)開關(guān)穩(wěn)壓器、并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓器、并聯(lián)型(升壓升壓型型)開關(guān)穩(wěn)壓器、輸出電壓極性倒換型等。在降壓型穩(wěn)壓器開關(guān)穩(wěn)壓器、輸出電壓極性倒換型等。在降壓型

15、穩(wěn)壓器中，常用的有中，常用的有LM2575(輸出電流輸出電流1A，工作頻率，工作頻率52kHz)、LM2576(輸出電流輸出電流3A，工作頻率，工作頻率52kHz)、LM2596(輸出電輸出電流流3A，工作頻率工作頻率150kHz)等。等。10.3.3 集成開關(guān)穩(wěn)壓器集成開關(guān)穩(wěn)壓器 在升壓型穩(wěn)壓器中，常用的有在升壓型穩(wěn)壓器中，常用的有LM2577(輸出電流3A，工作頻率工作頻率52kHz)、LT1110(輸出電流1A，工作頻率70kHz)、LM3478(輸出電流1A，可調(diào)頻率可調(diào)頻率100kHz1MHz)等。輸出電壓極性倒換型常用的有等。輸出電壓極性倒換型常用的有ICL7660(輸輸入電壓入電

16、壓1.5V10V，輸出電壓輸出電壓-1.5V-10V)、MAX764(輸出電壓輸出電壓-5V)、MAX765(輸出電壓輸出電壓-12V)、MAX766(輸出電壓輸出電壓-15V)。下面介紹幾種常用的開關(guān)。下面介紹幾種常用的開關(guān)穩(wěn)壓器。穩(wěn)壓器。10.3.3 集成開關(guān)穩(wěn)壓器集成開關(guān)穩(wěn)壓器1. LM2576 Buck變換器及應用變換器及應用 LM2576系列是美國國家半導體公司生產(chǎn)的系列是美國國家半導體公司生產(chǎn)的3A電電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，也稱流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，也稱Buck變換器。變換器。它內(nèi)含固定頻率振蕩器它內(nèi)含固定頻率振蕩器(52kHz)和基準電壓和基準電壓(1.23V)，

17、并具有完善的保護電路，有電流限制、熱關(guān)斷電路等，并具有完善的保護電路，有電流限制、熱關(guān)斷電路等，如圖如圖10-17所示，所示，LM2576只需極少的外圍器件便可構(gòu)只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。成高效穩(wěn)壓電路。LM2576系列包括系列包括LM2576和和LM2576HV二個系列，其中二個系列，其中LM2576最高輸入電壓是最高輸入電壓是40V，LM2576HV最高輸入電壓是最高輸入電壓是60V。各系列產(chǎn)品各系列產(chǎn)品均提供有均提供有3.3V、5V、12V、15V及可調(diào)及可調(diào)(ADJ)等多個電等多個電壓檔次產(chǎn)品。壓檔次產(chǎn)品。10.3.3 集成開關(guān)穩(wěn)壓器集成開關(guān)穩(wěn)壓器1. LM2576 Bu

18、ck變換器及應用變換器及應用LM2576系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路的主要特性是：系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路的主要特性是：最大輸出電流：最大輸出電流：3A；最高輸入電壓：最高輸入電壓：LM2576為為40V，LM2576HV為為60V；輸出電壓：輸出電壓：3.3V、5V、12V、15V和ADJ(可調(diào)可調(diào))等可可選；選；振蕩頻率：振蕩頻率：52kHz；轉(zhuǎn)換效率：轉(zhuǎn)換效率：7588 (不同電壓輸出時的效率不不同電壓輸出時的效率不同同)；控制方式：控制方式：PWM；工作溫度范圍：工作溫度范圍：-40C+125C；封裝形式：封裝形式：TO-220(圖10-18)或TO-263。10.3.3 集成開關(guān)穩(wěn)壓器集成開關(guān)穩(wěn)

19、壓器圖10-17 LM2576內(nèi)部框圖和5V固定輸出應用圖10-18 TO-220封裝的LM2576引腳圖10.3.3 集成開關(guān)穩(wěn)壓器集成開關(guān)穩(wěn)壓器 LM2576的的5V固定輸出應用電路如圖固定輸出應用電路如圖10-17所示，所示，其中其中IN5822是開關(guān)特性好的肖特基二極管?？烧{(diào)輸是開關(guān)特性好的肖特基二極管?？烧{(diào)輸出應用電路如圖出應用電路如圖10-19所示，要求輸入電壓高于輸出所示，要求輸入電壓高于輸出電壓。輸出電壓與取樣電阻之間的關(guān)系如下：電壓。輸出電壓與取樣電阻之間的關(guān)系如下：121.23 (1)ORUR圖10-19 LM2576可調(diào)輸出電路10.3.3 集成開關(guān)穩(wěn)壓器集成開關(guān)穩(wěn)壓器2. LM2577 Boost變換器及應用變換器及應用 LM2577系列是美國國家半導體公司生產(chǎn)的系列是美國國家半導體公司生產(chǎn)的3A電電流輸出升壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，也稱流輸出升壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，也稱Boost變換器。變換器。它內(nèi)含固定