開關(guān)型穩(wěn)壓電路

1、9.3 9.3 開關(guān)型穩(wěn)壓電路開關(guān)型穩(wěn)壓電路9.3.1 9.3.1 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9.3.2 9.3.2 集成開關(guān)穩(wěn)壓器的應用集成開關(guān)穩(wěn)壓器的應用 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)，因此在負載電流串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路由于調(diào)整管工作在線性放大區(qū)，因此在負載電流較大時，調(diào)整管的集電極損耗較大時，調(diào)整管的集電極損耗 (PC= U UCEIO)相當大，電源效率較低（相當大，電源效率較低（40%60%），有時還要配備龐大的散熱裝置。為了克服上述缺點，可采，有時還要配備龐大的散熱裝置。為了克服上述缺點，可采用用開關(guān)開關(guān)式穩(wěn)壓電路，式穩(wěn)壓電路，該該電路中的調(diào)整管工

2、作在開關(guān)狀態(tài)電路中的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)（飽和導通和截止飽和導通和截止）。由。由于管子飽和導通時管壓降于管子飽和導通時管壓降U UCES和截止時管子的電流和截止時管子的電流ICEO都很小，管耗主要發(fā)都很小，管耗主要發(fā)生在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，電源效率可提高到生在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，電源效率可提高到80%90%。它的造價低，體積。它的造價低，體積小。其小。其主要缺點是輸出電壓中所含紋波較大。主要缺點是輸出電壓中所含紋波較大。現(xiàn)在開關(guān)型穩(wěn)壓電源被廣泛現(xiàn)在開關(guān)型穩(wěn)壓電源被廣泛應用于各種電子電路之中。應用于各種電子電路之中。 開關(guān)電源按開關(guān)管連接方式分為：串聯(lián)型、并聯(lián)型和脈沖變壓器開關(guān)電源按開關(guān)管連接方式分為：

3、串聯(lián)型、并聯(lián)型和脈沖變壓器（高頻變壓器）耦合型。（高頻變壓器）耦合型。9.3.1 開關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理開關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電源原理圖如圖串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電源原理圖如圖9-21所示。所示。 圖中圖中U UI I是未經(jīng)穩(wěn)壓的的直流輸入電壓，晶體管是未經(jīng)穩(wěn)壓的的直流輸入電壓，晶體管VT為開關(guān)管，為開關(guān)管，u uB B為矩形為矩形波，控制開關(guān)管的工作狀態(tài)；波，控制開關(guān)管的工作狀態(tài)；A1 1是是誤差誤差放大器；放大器；A2 2是電壓比較器；電感是電壓比較器；電感L和和電容電容C2 2組成濾波電路，組成濾波電路，VD為續(xù)流二極管；為續(xù)流二極管；R1、R2為為取樣電路取樣電路；它與；它與

4、基準電基準電壓電路、誤差放大器、三角波發(fā)生器和電壓比較器組成驅(qū)動電路壓電路、誤差放大器、三角波發(fā)生器和電壓比較器組成驅(qū)動電路。1. 開關(guān)管和濾波電路的工作原理開關(guān)管和濾波電路的工作原理 開關(guān)開關(guān)管管VT在電路中與負載電路呈串聯(lián)結(jié)構(gòu)在電路中與負載電路呈串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其工作狀態(tài)受其基極電，其工作狀態(tài)受其基極電壓壓u uB B的控制。的控制。 當當u uB B為高電平時，開關(guān)管為高電平時，開關(guān)管VT工作于飽和導通狀態(tài)，電流經(jīng)調(diào)整管工作于飽和導通狀態(tài)，電流經(jīng)調(diào)整管流向電感，電感流向電感，電感L開始存儲能量，電容開始存儲能量，電容C2 2開始充電，二極管開始充電，二極管VD截止，此截止，此時，時，uE=UI

5、-UCESUI。 當當u uB B為低電平時，開關(guān)管為低電平時，開關(guān)管VT工作于截止狀態(tài)，此時雖然開關(guān)管的工作于截止狀態(tài)，此時雖然開關(guān)管的射極電流為零，但是電感射極電流為零，但是電感L開始釋放能量，其感生電勢使開始釋放能量，其感生電勢使二極管二極管VD導通，導通，給電感中的電流一個通路，所以這個二極管給電感中的電流一個通路，所以這個二極管VD稱為續(xù)流二極管。同時電稱為續(xù)流二極管。同時電容容C2 2開始放電，維持負載上的電流不變，此時，開始放電，維持負載上的電流不變，此時，uE= - -UD D0 0 。 當電路中當電路中L和和C2 2的取值足夠大，可以保證在開關(guān)管截止期間，電感的的取值足夠大，

6、可以保證在開關(guān)管截止期間，電感的能量不能放盡，輸出電壓含有的交流分量能被電容能量不能放盡，輸出電壓含有的交流分量能被電容C2 2濾除，此時電路的輸濾除，此時電路的輸出電壓出電壓u uO O和負載電流和負載電流i iL L均為連續(xù)均為連續(xù)的。圖的。圖9-22顯示了電路中各點的波形，其中顯示了電路中各點的波形，其中ton是調(diào)整管導通時間，是調(diào)整管導通時間，toff是截止時間，是截止時間，T是開關(guān)轉(zhuǎn)換周期。是開關(guān)轉(zhuǎn)換周期。 若將若將u uE視為直流分量和交流分量之和，在忽略濾波電感視為直流分量和交流分量之和，在忽略濾波電感L的直流壓的直流壓降的情況下，則輸出電壓平均值等于降的情況下，則輸出電壓平均值

7、等于u uE的直流分量，即的直流分量，即IonIoffDCESIonOqVTtVTtVVVTtV)()(定義定義q =ton/T圖圖9-22 開關(guān)穩(wěn)壓電源的電壓、電流波形開關(guān)穩(wěn)壓電源的電壓、電流波形 由由Uo式可知，當電路的輸入電壓波動或者電路的負載發(fā)生變化而引起輸式可知，當電路的輸入電壓波動或者電路的負載發(fā)生變化而引起輸出電壓的變化時，如果能在出電壓的變化時，如果能在U UO增大時，減小控制電壓增大時，減小控制電壓u uB的占空比或在的占空比或在U UO減減小時，增大小時，增大u uB的占空比，那么輸出電壓就可以獲得穩(wěn)定。的占空比，那么輸出電壓就可以獲得穩(wěn)定。 驅(qū)動電路的工作原理驅(qū)動電路的工

8、作原理是是：取樣電路通過取樣電路通過R1、R2對對U UO分壓得到反饋電分壓得到反饋電壓壓U UF F，基準電壓電路輸出穩(wěn)定的電壓，基準電壓電路輸出穩(wěn)定的電壓U UREF，兩個信號之差經(jīng)，兩個信號之差經(jīng)A1放大后，作為放大后，作為由由A2組成的電壓比較器的閾值電壓組成的電壓比較器的閾值電壓U UP P，將三角波發(fā)生器的輸出，將三角波發(fā)生器的輸出u uS S與與U UP P比較，比較，得到開關(guān)管的控制信號得到開關(guān)管的控制信號u uB。 當當U UO升高時，反饋電壓升高時，反饋電壓U UF F隨之增大，與基準電壓隨之增大，與基準電壓U UREF之間的差值減小，之間的差值減小，因而誤差放大器因而誤差

9、放大器A1的輸出電壓的輸出電壓U UP P減小，經(jīng)電壓比較器使減小，經(jīng)電壓比較器使u uB的高電平變小，占的高電平變小，占空比空比q q變小，因此輸出電壓隨之減小，調(diào)節(jié)的結(jié)果令變小，因此輸出電壓隨之減小，調(diào)節(jié)的結(jié)果令U UO基本不變。其調(diào)節(jié)控基本不變。其調(diào)節(jié)控制過程簡述如下：制過程簡述如下：2. 驅(qū)動電路的工作原理驅(qū)動電路的工作原理UOUFUP( UP=A1(VREF-UF) )DUOqVVAVVVVFREFPPFO)(1 當當U UO減小時，與上述變化過程相反。值得注意的是，負載電阻減小時，與上述變化過程相反。值得注意的是，負載電阻變化時會影響變化時會影響LCLC2 2濾波電路的濾波效果，因

10、而開關(guān)型穩(wěn)壓電路不適濾波電路的濾波效果，因而開關(guān)型穩(wěn)壓電路不適用于負載變化較大的場合。用于負載變化較大的場合。 由以上分析可知，通過調(diào)節(jié)控制信號的占空比來改變開關(guān)管的導通由以上分析可知，通過調(diào)節(jié)控制信號的占空比來改變開關(guān)管的導通時間時間ton，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓的目的，但是開關(guān)管的開關(guān)周期，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓的目的，但是開關(guān)管的開關(guān)周期T保持不變保持不變。這種這種控制方式稱為脈沖寬度調(diào)制控制方式稱為脈沖寬度調(diào)制(PWM，Pulse Width Modulation)。由此實現(xiàn)。由此實現(xiàn)穩(wěn)壓目的的開關(guān)電源，稱為脈寬調(diào)制型開關(guān)型電源。穩(wěn)壓目的的開關(guān)電源，稱為脈寬調(diào)制型開關(guān)型電源。 開關(guān)型穩(wěn)壓電源的最低開關(guān)頻率

11、開關(guān)型穩(wěn)壓電源的最低開關(guān)頻率fT一般在一般在10100kHz之間。之間。fT越高，需越高，需要使用的要使用的L、C2 2值越小值越小，這樣，系統(tǒng)的尺寸和重量將會減小，成本將隨之這樣，系統(tǒng)的尺寸和重量將會減小，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)整管單位時間轉(zhuǎn)換的次數(shù)增降低。另一方面，開關(guān)頻率的增加將使開關(guān)調(diào)整管單位時間轉(zhuǎn)換的次數(shù)增加，使開關(guān)調(diào)整管的管耗增加，而效率將降低。加，使開關(guān)調(diào)整管的管耗增加，而效率將降低。9.3.2 集成開關(guān)穩(wěn)壓器的應用集成開關(guān)穩(wěn)壓器的應用 圖圖9-23是脈寬調(diào)制型串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電源電路。它的開關(guān)調(diào)整管與負是脈寬調(diào)制型串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電源電路。它的開關(guān)調(diào)整管

12、與負載串聯(lián)，輸出電壓總是小于輸入電壓載串聯(lián)，輸出電壓總是小于輸入電壓，故稱為降壓型穩(wěn)壓電路。，故稱為降壓型穩(wěn)壓電路。 開關(guān)管開關(guān)管VT的工作狀態(tài)受的工作狀態(tài)受PWM電路輸出的矩形波電路輸出的矩形波u uB B的控制。的控制。 當當u uB B為高電平時，為高電平時，VT飽和導通，飽和導通，U UI I通過通過VTVT給電感給電感L充電儲能，充電電充電儲能，充電電流幾乎線性增大，二極管流幾乎線性增大，二極管VD因承受反壓而截止，濾波電容因承受反壓而截止，濾波電容C對負載對負載RL L放電，放電，輸出電壓輸出電壓U UO O極性上正下負。極性上正下負。 當當u uB B為低電平時，為低電平時，VT

13、截止，截止，L產(chǎn)生感生電動勢阻止電流的變化，其方向產(chǎn)生感生電動勢阻止電流的變化，其方向在在L上是左負右正，使二極管上是左負右正，使二極管VD導通。導通。L上的感生電動勢與上的感生電動勢與U UI I相加后通過二相加后通過二極管極管VD對電容對電容C充電，同時有電流流過負載，負載電流的方向不變，輸出電充電，同時有電流流過負載，負載電流的方向不變，輸出電壓壓U UO O極性仍是上正下負。極性仍是上正下負。 由此可以看出，并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路通過電感的儲能作用，將感生由此可以看出，并聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路通過電感的儲能作用，將感生電動勢與輸入電壓相疊加后作用于負載，因而可以使電動勢與輸入電壓相疊加后作用于負載，因而可以使U UO OUUI I（L足夠大足夠大時），故該電路也稱為升壓型穩(wěn)壓電路。時），故該電路