自主閱讀：開關(guān)集成穩(wěn)壓電源的簡(jiǎn)介

1、5.5自主閱讀：開關(guān)集成穩(wěn)壓電源的簡(jiǎn)介介紹1. 開關(guān)穩(wěn)壓電路的工作原理 前述的串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路由于調(diào)整管工作在線性放大區(qū)，因此在負(fù)載電流較大時(shí)，調(diào)整管的集電極損耗（PC=UCEIO）相當(dāng)大，電源效率(=PO/PI=UOIO/UIIO)較低，一般為 4060，有時(shí)還要配備龐大的散熱裝置。為了克服上述缺點(diǎn)，可采用串聯(lián)開關(guān)式穩(wěn)壓電路，電路中的串聯(lián)調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，即調(diào)整管主要工作在飽和導(dǎo)通和截止導(dǎo)通狀態(tài)。由于管子飽和導(dǎo)通時(shí)管壓降UCES和截止時(shí)管子的電流ICEO都很小，管耗主要發(fā)生在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，電源效率可提高到8090，所以其體積小、重量輕，且適應(yīng)交流電網(wǎng)電壓波動(dòng)的性能好，適應(yīng)范圍可達(dá)15

2、0280V。它的主要缺點(diǎn)是輸出電壓中所含紋波較大，對(duì)電子設(shè)備的干擾較大，而且電路比較復(fù)雜，對(duì)元器件要求較高。目前正尋求克服這些缺點(diǎn)的方法。但由于優(yōu)點(diǎn)突出，已成為宇航、計(jì)算機(jī)、通信和功率較大電子設(shè)備中電源的主流，應(yīng)用日趨廣泛。 開關(guān)型穩(wěn)壓電路原理框圖如圖5.5.1所示。它與串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路相比，增加了LC濾波電路及產(chǎn)生固定頻率的三角波電壓（uT）發(fā)生器和比較器C組成的控制電路。 圖5.5.1 串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路原理圖 工作原理：電路中，UI是整流濾波電路的輸出電壓，uB是比較器的輸出電壓。該電路利用uB控制調(diào)整管T，將uI變成斷續(xù)的矩形波電壓uE（uD）。當(dāng)比較放大器輸出電壓uAuT時(shí)，uB為

3、高電平，T飽和導(dǎo)通，輸入電壓uI經(jīng)T加到二極管 D的兩端，電壓uE等于UD（忽略管T和飽和壓降），此時(shí)二極管D承受反向電壓而截止，負(fù)載中有電流iD流過，電感L儲(chǔ)存能量，同時(shí)向電容器C充電。輸出電壓uO略有增加。當(dāng)uAuT時(shí)，uB為低電平，T由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?，濾波電感產(chǎn)生自感電勢(shì)（極性如圖5.5.1中所示），使二極管D導(dǎo)通，于是電感中儲(chǔ)存的能量通過D向負(fù)載RL繼續(xù)提供電流，因而常稱D為續(xù)流二極管。此時(shí)電壓uE等于UD（二極管正向壓降）。由此可見，雖然調(diào)整管處于開關(guān)工作狀態(tài)，但由于二極管D的續(xù)流作用和LC的濾波作用，輸出電壓是比較平穩(wěn)的。圖5.5.2畫出了電流iL、電壓uT、uA、uB、uE（uD）

4、和uO的波形。圖中ton是調(diào)整管T的導(dǎo)通時(shí)間，toff是調(diào)整管T的截止時(shí)間，T=ton十toff是開關(guān)轉(zhuǎn)換周期。顯然，在忽略濾波電感L的直流壓降的情況下，輸出電壓的平均值為 (5.5.1)式中q=ton/T稱為脈沖波形的占空比。由式（5.5.1）可見，對(duì)于一定的UI值，通過調(diào)節(jié)占空比即可調(diào)節(jié)輸出電壓UO，故稱脈寬調(diào)制（PWM）式開關(guān)穩(wěn)壓電源。 圖5.5.2開關(guān)式穩(wěn)壓電路的電壓電流波形 圖5.5.3 UI、UO變化時(shí)各電壓波形 在閉環(huán)情況下，電路能自動(dòng)地調(diào)整輸出電壓。設(shè)在某一正常工作狀態(tài)時(shí)，輸出電壓為某一預(yù)定值Uset，反饋電壓UF=FuUset=UREF，比較放大器輸出電壓uA為零，比較器C輸

5、出脈沖電壓uB的占空比q=50，uT、uB、uE的波形如圖5.5.3(a)所示。當(dāng)輸入電壓UI增加致使輸出電壓UO增加時(shí)，UFUREF，uA為負(fù)值，uA與固定頻率三角波電壓uT相比較，得到uB的波形，其占空比q50，使輸出電壓下降到預(yù)定的穩(wěn)壓值Uset，此時(shí)，uA、uT、uB、uE的波形如圖5.5.3(b)所示。同理，UI下降時(shí)，UO也下降，UFUREF，uA為正值，uB的占空地q50，輸出電壓UO上升到預(yù)定值?？傊?dāng)UI或負(fù)載RL變化使UO變化時(shí)，可自動(dòng)調(diào)整脈沖波形的占空比，使輸出電壓維持恒定。 為了提高開關(guān)穩(wěn)壓電源的效率，開關(guān)調(diào)整管應(yīng)選取飽和壓降UCES及穿透電流ICEO均小的功率三極管

6、，而且為減小管耗，通常要求開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間tS0.01 T，開關(guān)調(diào)整管一般選用fT10fK（fK=lT，稱為開關(guān)頻率）的高頻功率三極管；續(xù)流二極管D的選擇也要考慮導(dǎo)通、截止和轉(zhuǎn)換三部分的損耗，所以選用正向壓降小、反向電流小及存儲(chǔ)時(shí)間短的開關(guān)二極管，一般選用肖特基二極管；輸出端的濾波電容使用高頻電解電容。 開關(guān)穩(wěn)壓電源的控制電路一般用“電壓脈沖寬度調(diào)制器（簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制器）”。 開關(guān)頻fK的選擇對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓器的性能影響也很大。fK越高，需要使用的L、C值越小，這樣，系統(tǒng)的尺寸和重量將會(huì)減小，成本將隨之降低；另一方面，開關(guān)頻率的增加將使開關(guān)調(diào)整管單位時(shí)間轉(zhuǎn)換的次數(shù)增加，使開關(guān)調(diào)整管的功耗增加而效率將降低。

7、目前，隨著開關(guān)三極管、電容、電感材料及工藝性能的改進(jìn)，fK可提高到（15500）kHz。 實(shí)際的開關(guān)式穩(wěn)壓電源電路通常還有過流、過壓等保護(hù)電路，并備輔助電源為控制電路提供低壓電源等。與線性電源相同，開關(guān)電源也是用電路本身形成的反饋回路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)的，但在開關(guān)電源電路中，除有采樣環(huán)節(jié)、基準(zhǔn)電源、比較放大電路以外，還必須有把比較放大器的輸出電壓轉(zhuǎn)換成脈沖寬度的脈寬調(diào)制器和一個(gè)固定頻率的脈沖振蕩器，即電壓一脈寬轉(zhuǎn)換電路。圖5.5.4就是PWM型開關(guān)電源的線路圖之一。圖中IS是恒流源；V1是調(diào)整開關(guān)；V2是驅(qū)動(dòng)管；D是續(xù)流二極管；L是儲(chǔ)能器并與C組成濾波器；R和DZ是基準(zhǔn)電源；R1，Rp，R2組成采樣

8、電路；A是比較放大器；PWM是電壓一脈寬轉(zhuǎn)換電路，其輸出的脈沖頻率固定，而脈沖寬度受電壓比較器A的輸出電壓控制，簡(jiǎn)稱為脈寬調(diào)制器。圖5.5.4 脈寬調(diào)制型開關(guān)電源脈寬調(diào)制器產(chǎn)生一系列脈沖波，通過驅(qū)動(dòng)器T2激勵(lì)調(diào)整開關(guān)T1。當(dāng)脈沖系列使T2截止時(shí)，T1因基極得到全部IS而被激勵(lì)到飽和導(dǎo)通，UAUI，二極管D反偏截止，電壓UI對(duì)L及C充電，同時(shí)供給負(fù)載能量。電感L在T1飽和期間儲(chǔ)存能量、電感中的電流線性上升。當(dāng)脈沖系列使T2飽和時(shí)，電流IS被T2吸收，T1截止關(guān)斷，續(xù)流二極管D導(dǎo)通，UA0，電感L在T1截止期間經(jīng)二極管D及負(fù)載釋放能量、電感中電流線性減小。在脈沖系列再次使T2截止時(shí)，T1又飽和導(dǎo)通

9、，二極管D又截止，電感電流又開始線性增長(zhǎng)，重復(fù)上述過程。由于在T1關(guān)斷期間，電感中能量經(jīng)續(xù)流二極管及負(fù)載釋放，因而使負(fù)載電流在T1關(guān)斷期間仍然連續(xù)。如果LC組成的濾波器滿足XL>>RL，XC<< RL，則負(fù)載上的脈沖列及其全部諧波都被濾去，剩下平均值，為 式中T為脈沖系列的周期，ton為V1導(dǎo)通的時(shí)間，q為占空比（0ql）。在圖5.5.4中，設(shè)采樣電路分壓系數(shù)為K，比較放大器的放大倍數(shù)為AU，基準(zhǔn)電壓為Uz,則比較放大器的輸出電壓UO1為 UO1=AU（UzKUO） （5.5.2）設(shè)PWM的脈沖寬度調(diào)制是線性的，調(diào)制系數(shù)為km，則占空比為qkmUO1kmAU（UzKUO

10、） （5.5.3）將式（5.5.3）代入式（5.5.1）,并假定kmAUUI>>l時(shí)，整理得 （5.5.4）上式說明，開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓與線性穩(wěn)壓電源的輸出電壓有相同的表達(dá)關(guān)系，即僅與基準(zhǔn)電壓和分壓系數(shù)有關(guān)，因而其值非常穩(wěn)定。開關(guān)穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓過程如下：當(dāng)負(fù)載或輸入電壓變化引起輸出電壓UO增加時(shí)，采樣電壓KUO也增加，經(jīng)比較放大電路后的輸出電壓UO1減少，使占空比q減少，進(jìn)而使輸出電壓減少，補(bǔ)償了輸出電壓的增加，使輸出電壓穩(wěn)定。上述穩(wěn)壓過程可表示為UOKUOUO1qUO同理，當(dāng)輸出電壓減少時(shí)，也有與上述過程相似的反饋過程，使輸出電壓穩(wěn)定。介紹2. CW152425243524系

11、列集成開關(guān)穩(wěn)壓器的介紹目前常用的集成開關(guān)穩(wěn)壓器通常分為兩類。一類是單片的脈寬調(diào)制器，其代表產(chǎn)品有CW1524等，這類脈寬調(diào)制器需要外接開關(guān)功率管，電路較復(fù)雜，但應(yīng)用靈活。另一類是脈寬調(diào)制器和開關(guān)功率管制作在同一芯片上，構(gòu)成單片集成開關(guān)穩(wěn)壓器，其代表產(chǎn)品有CW49604962等，這類集成開關(guān)穩(wěn)壓器集成度更高，使用方便。CW1524系列是采用雙極型工藝制作的模擬、數(shù)字混合集成電路，內(nèi)部電路包括：基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器、振蕩器、脈寬調(diào)制器、觸發(fā)器、兩只輸出功率晶體管及過流過熱保護(hù)電路等。CW152425243524的區(qū)別在于工作結(jié)溫不同（CW15241作結(jié)溫為55150，CW25243524工作結(jié)溫

12、為0125），其最大輸入電壓為40V，最高工作頻率為100kHz，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為5V，能承受的負(fù)載電流為50mA。每路輸出電流為100mA。CW1524系列采用直插式16腳封裝，引腳排列如圖5.5.5所示，各腳的功能為： 1、2腳分別為誤差放大器的反相和同相輸入端，即1腳接取樣電壓，2腳接基準(zhǔn)電壓。3腳為振蕩器輸出端，可輸出方波電壓，6、7腳分別為振蕩器外接定時(shí)電阻RT端和定時(shí)電容CT端。振蕩頻率fo=115RTCT，一般取RT=1.8100k，CT0.0101F。4、5腳為外接限流取樣端，8腳是地端，9腳是補(bǔ)償端，10 腳為關(guān)閉控制端，控制10腳電位可以控制脈寬調(diào)制器的輸出，直至使輸出電壓為

13、零。11、12腳分別為輸出管A的發(fā)射極和集電極，13、14腳分別是輸出管B的集電極和發(fā)射極。輸出管A和B內(nèi)均設(shè)限流保護(hù)電路，峰值電流限制在約100mA。15腳是輸入電壓端。16腳是基準(zhǔn)電壓端，可提供電流50mA、電壓為5V的穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓源，該電源具有短路電流保護(hù)。 圖5.5.5 CW1524系列引腳排列 圖5.5.6所示為采用CW1524構(gòu)成的開關(guān)穩(wěn)壓電源實(shí)例，通過外接開關(guān)調(diào)整管V1、V2，可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)流。12和13腳、11和14腳連接在一起，將芯片內(nèi)輸出管A和B并聯(lián)作為外接復(fù)合調(diào)整管V1、V2的驅(qū)動(dòng)級(jí)。6、7腳分別接入R5和C2，故振蕩器的振蕩頻率fo=1.15(3×103×

14、0.02×106)=19.2kHz。由16腳輸出的5V基準(zhǔn)電壓經(jīng)R3、R4的分壓得UREF= 5V×R4(R3R4)25V，送到誤差放大器的同相輸入端2腳。穩(wěn)壓電源的輸出電壓UO經(jīng)取樣電路R1、R2的分壓，獲得 UFUO R2(R1R2)，送到誤差放大器反相輸入端 1腳。根據(jù)UFUREF，則可求得輸出電壓UO為 （5.5.5）4與5腳之間外接電阻R0為限流保護(hù)取樣電阻，以防止T1、T2管過載損壞，其阻值決定于芯片內(nèi)所需限流信號(hào)電壓（為0.1V）與限定最大輸出電流的比值，本電源要求輸出最大電流為1A，所以R00l。9腳外接R6、C3用于防止電路產(chǎn)生寄生振蕩。輸入電壓28V由1

15、5腳接入。圖5.5.6 CW1524降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源 介紹3. CW49604962系列集成開關(guān)穩(wěn)壓器的介紹 CW49604962已將開關(guān)功率管集成在芯片內(nèi)部，所以構(gòu)成電路時(shí)，只需少量外圍元件。最大輸入電壓50V，輸出電壓范圍為5.140V連續(xù)可調(diào)，變換效率為90。脈沖占空比也可以在0100內(nèi)調(diào)整。該器件具有慢起動(dòng)、過流。過熱保護(hù)功能。工作頻率高達(dá)100kHz。CW4960額定輸出電流為2.5A，過流保護(hù)電流為34.5A，用很小的散熱片，它采用單列7腳封裝形式，如圖5.5.7（a）所示。CW4962額定輸出電流為1.5A，過流保護(hù)電流為2.53.5A，不用散熱片，它采用雙列直插式16腳封裝，

16、如圖5.5.7（b）所示。 圖5.5.7 CW4960/4962引腳排列CW49604962內(nèi)部電路完全相同，主要由基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器、脈沖寬度調(diào)制器、功率開關(guān)管(內(nèi)接)以及軟啟動(dòng)電路、輸出過流限制電路、過熱保護(hù)電路等組成。CW49624960的典型應(yīng)用電路如圖5.4.8所示（有括號(hào)的為CW4960的管腳標(biāo)號(hào)），它為串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電路。輸入端所接電容C1可以減小輸出電壓的紋波，R1、R2為取樣電阻，輸出電壓為 （5.5.6）R1、R2的取值范圍為50010k。 圖5.5.8 CW4960/4962典型應(yīng)用電路如圖5.5.8所示，RT、CT用以決定開關(guān)電源的工作頻率flRTCT，一般 RT=

17、127k，CT= l3.3nF，工作頻率為106kHz，RP、CP為頻率補(bǔ)償電路，用以防止產(chǎn)生寄生振蕩，V為續(xù)流二極管，采用4A50V的肖特基或快恢復(fù)二極管，C3為軟啟動(dòng)電容，一般C3=14.7F。 介紹4. 集成開關(guān)穩(wěn)壓器的應(yīng)用一例TDA4605是飛利浦公司開發(fā)的一種驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)穩(wěn)壓控制集成電路。集成電路內(nèi)含啟動(dòng)脈沖發(fā)生器、參考電壓發(fā)生器、誤差放大器、恒流源與電流控制輸出器，以及各種電壓檢測(cè)器，過流、過壓、欠壓等保護(hù)電路。TDA4605經(jīng)常應(yīng)用在家電中的一種穩(wěn)壓開關(guān)穩(wěn)壓器。圖5.5.9是用在某一彩色電視機(jī)中的開關(guān)電源。首先介紹一下芯片的功能，然后簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單說明電路具有的功能。該芯片共有8

18、只引腳，各引腳功能如下。 P1腳是取樣電壓反饋輸入端，通過對(duì)輸出電壓取樣，控制開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，使輸出電壓保持穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)壓。 P2腳是定時(shí)端，外接RC積分電路，當(dāng)對(duì)電容C充電使其電壓達(dá)到3V時(shí)，則內(nèi)部電路翻轉(zhuǎn)，電容C通過內(nèi)部閉合的等效開關(guān)很快放電至1V，并在1V上維持一定時(shí)間。對(duì)電容C何時(shí)再啟動(dòng)充電由P8腳決定，當(dāng)P8腳上的信號(hào)極性由正向負(fù)跳變時(shí)，P2腳內(nèi)部電路翻轉(zhuǎn)，等效開關(guān)斷開，開始對(duì)電容C充電。 P3腳是過小輸入保護(hù)端，一般連接到整流濾波輸出端。當(dāng)電路處于處于保護(hù)狀態(tài)時(shí)，P5腳無驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，開關(guān)管截止，P3腳電壓約為1V；若P3腳電壓超過1.7V，P2腳產(chǎn)生一額外電流對(duì)外接的電容C充

19、電，P3腳電壓越高，P2腳輸出的電流也越大，這樣使電容C充電至3V的時(shí)間縮短，相應(yīng)的開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間也縮短，起到穩(wěn)定輸出電壓的作用，使因輸入電壓變化而引起輸出電壓變化的趨勢(shì)得到抑制。 P4腳為地端。 P5腳為開關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖輸出端，在P2腳電容C充電期間，輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，使開關(guān)管導(dǎo)通。這種驅(qū)動(dòng)適合于場(chǎng)效應(yīng)管。 P6腳是電源端，它內(nèi)部設(shè)有監(jiān)視電路，只有P6腳電壓達(dá)到12V時(shí)，該集成電路才啟動(dòng)工作。啟動(dòng)后，P6腳需6.9V以上的電壓維持工作，當(dāng)電壓降至6.9V以下時(shí)，集成電路停止工作。 P7腳是軟啟動(dòng)端，外接啟動(dòng)電容，在內(nèi)部3V基準(zhǔn)電壓對(duì)電容充電期間，控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間。 P8腳是過零檢測(cè)控制信號(hào)輸入

20、端。圖5.5.9所示的電源電路功能描述如下： 市電220V交流電經(jīng)L801、L802兩級(jí)濾波后濾除電網(wǎng)中的干擾信號(hào)，然后送到BD801全波整流，經(jīng)C808、C809濾波后得到300V左右的直流電壓，作為開關(guān)電源的工作電壓。L801和L802及輸入電路中的電容，同時(shí)還有防止開關(guān)電源的脈沖信號(hào)串入電網(wǎng)而污染電源的作用。 圖5.5.9 集成開關(guān)穩(wěn)壓電源應(yīng)用實(shí)例之一 開關(guān)電源的振蕩：開關(guān)電源的振蕩芯片采用TDA4605-2，該電路能完成開關(guān)電源的振蕩、穩(wěn)壓及各種保護(hù)。 220V交流電壓經(jīng)BD801整流、R804限流、C810濾波后，得到10V左右的電壓，加到IC801的（6）腳，作為開關(guān)電源的起動(dòng)電壓

21、。IC801開始振蕩，從（5）腳輸出振蕩脈沖，經(jīng)R813加到開關(guān)管Q801的柵極，開關(guān)變壓器各繞組開始輸出電壓，完成起動(dòng)過程。IC801（5）腳輸出的振蕩脈沖頻率，與負(fù)載的輕重有關(guān)。 開關(guān)電源的穩(wěn)壓：TDA4605-2的（1）腳為誤差放大取樣電流輸入端。開關(guān)變壓器的（5）腳繞組輸出的電壓，其中一路經(jīng)D802整流、C815濾波，再經(jīng)R824+R812與R810分壓后送到IC801的（1）腳，同時(shí)光耦I(lǐng)C803內(nèi)部的三極管的C、E極是并聯(lián)在R824上的，因而IC803內(nèi)部的三極管的導(dǎo)通程度影響了（1）腳輸入電流的大小，而光耦內(nèi)部的發(fā)光二極管是經(jīng)RR825、VR801、R826、R827，在主電源輸出電壓120V上取樣的，這樣就構(gòu)成了一個(gè)穩(wěn)壓控制回路，調(diào)節(jié)VR801，可使輸出電壓控制在120V上。 保護(hù)電路有： 市電過壓保護(hù)：IC801的（2）腳經(jīng)R807+R808與300V直接相連，若電網(wǎng)電壓太高，則300V也必然升高，一旦IC801的（2）腳電壓大于3V，則內(nèi)部保護(hù)電路動(dòng)作，（5）腳無激勵(lì)脈沖輸出，開關(guān)電源停振。 市電欠壓保護(hù)：若電網(wǎng)電壓太低，則C808、C809正極的電壓也低，經(jīng)R840+R805與R806分壓后的電壓也低，一旦IC801的（3）腳電壓低于1.7V，則內(nèi)部欠壓保護(hù)電路動(dòng)作，（5）腳無激