典型四款直流穩壓電路原理

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典型四款直流穩壓電路原理

1、穩壓二極管穩壓電路

穩壓二極管，又叫齊納二極管，是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導體器件。在這臨界擊穿點(diǎn)上，反向電阻降低到一個(gè)很小的數值，在這個(gè)低阻區盡管流過(guò)二極管的電流變化很大，而其兩端的電壓卻變化極小，并且這種現象的重復性很好，從而起到穩壓作用。因為這種特性，穩壓管主要被作為穩壓器或電壓基準元件使用。

圖1為穩壓二極管穩壓電路，由限流電阻Rs和穩壓二極管Dz組成。

Us為未穩壓的輸入直流電壓，U。為經(jīng)過(guò)穩壓的直流電壓，Rs為Dz的限流保護電阻，又起電壓調整作用，D2為穩壓二極管，R為負載電阻。其工作原理是：此電路主要利用穩壓二極管的穩壓特性，即Dz反向導通后其兩端的壓降基本保持不變。當Us增大引起Rs，上的電流增大，但U。即D兩端的電壓保持恒定不變，這樣Us的增大量全部降在Rs上，以保持U。不變，反之亦然。在實(shí)際應用中R的特性和D2的特性對整個(gè)穩壓過(guò)程起關(guān)鍵作用。

這種穩壓電路的工作范圍受穩壓管最大功耗的限制，Iz不能超過(guò)一定數值。其關(guān)鍵是：在Us、R及U。均為給定的條件下，Rs值的選取應保證在輸入電壓為最大值Usmax時(shí)，穩定電流Iz和穩壓管允許的功耗不超過(guò)規定的最大值;在輸入電壓為最小值時(shí)，又能保證Iz不低于最小的穩定電流。

2、并聯(lián)晶體管穩壓電路

晶體管是一種固體半導體器件，可以用于檢波、整流、放大、開(kāi)關(guān)、穩壓、信號調制和許多其它功能。晶體管作為一種可變開(kāi)關(guān)，基于輸入的電壓，控制流出的電流，因此晶體管可做為電流的開(kāi)關(guān)。

圖2為并聯(lián)晶體管穩壓電路。其中T是調整管、D2是基準穩壓管，Rs是Dz的限流電阻，R。是負載。這個(gè)穩壓電路的輸出電壓約等于穩壓管Dz的穩壓值（實(shí)際上要加上T發(fā)射結電壓，一般鍺管取0.3V，硅管取0.7V）。這是由于電源在工作時(shí)，T發(fā)射結導通，發(fā)射極電壓與基極電壓連結一致，而基極電壓被Dz穩定在一個(gè)固定值。這個(gè)電路可以看作T將Dz的穩壓作用放大了B倍，相當于接入一個(gè)穩壓值為Dz穩壓值，穩壓效果為B倍D2穩壓效果的穩壓管。

并聯(lián)穩壓電路穩壓性能有所提高，線(xiàn)路也不復雜，其優(yōu)點(diǎn)是：有過(guò)載自保護性能，輸出斷路時(shí)調整管不會(huì )損壞;在負載變化小時(shí)，穩壓性能比較好;對瞬時(shí)變化的適應性較好。但并聯(lián)穩壓電路也有比較大的缺點(diǎn)：效率較低，特別是輕負載時(shí)，電能幾乎全部消耗在限流電阻和調整管上;輸出電壓調節范疇很小;穩定度不易做得很高。這些固有的缺點(diǎn)很難改進(jìn)，所以現在普遍利用的都是串聯(lián)穩壓電路。

3、串聯(lián)晶體管穩壓電路

圖3為簡(jiǎn)單的串聯(lián)晶體管穩壓電路。調整管T與負載電阻R。相串聯(lián)，當由于供電或用電發(fā)生變化引起電路輸出電壓波動(dòng)時(shí)，它都能及時(shí)地加以調節，使輸出電壓保持基本穩定，因此它被稱(chēng)做調整管。穩壓管Dz為調整管提供基準電壓，使調整管基極電位不變。R。是D2的保護電阻，限制通過(guò)D2的電流，起保護穩壓管的作用。

電路穩壓過(guò)程是這佯的：如果輸人電壓Us增大，使輸出電壓U。增大時(shí)，由于U.=U.固定不變，調整管基射集間電壓Uo=U-U：將減小，基極電流I。隨之減小，而管壓降U.隨之增大，從而抵消了Us增大的部分，使U�；�本穩定。如果負載電流I。增大，使輸出電壓U。減小時(shí)，由于U。固定，U》將增大，U。減小，也同樣地使U�；�本穩定。

從上面分析中可以看到，調整管既象是一個(gè)自動(dòng)的可變電阻：當輸出電壓增大時(shí)，它的“阻值”就增大，分擔了大出來(lái)的電壓;當輸出電壓減小時(shí)，它的“阻值”就減小，補足了小下去的電壓。無(wú)論是哪種情況，都使電路保持輸出一個(gè)穩定的電壓。這種穩壓電路也能輸出較大的電流，而且輸出電阻低，穩壓性能好;電路也易于制作，但其也有輸出電壓不可調等缺點(diǎn)。

4、開(kāi)關(guān)型穩壓電路

散熱器，體積和重量都大為減小，具有體積小，效率高的優(yōu)點(diǎn)。這種開(kāi)關(guān)型電路已在各種電子設備中獲得廣泛的應用。

開(kāi)關(guān)式穩壓電源接控制方式分為調寬式和調頻式兩種，在實(shí)際的應用中，調寬式使用得較多，在目前開(kāi)發(fā)和使用的開(kāi)關(guān)電源集成電路中，絕大多數也為脈寬調制型。

基于上述線(xiàn)性穩壓電路的線(xiàn)性穩壓電源雖然電路結構簡(jiǎn)單、工作可靠，但它存在著(zhù)效率低（只有30%-50%）、體積大、銅鐵消耗量大，工作溫度高及調整范圍小等缺點(diǎn)。為解決線(xiàn)性型穩壓電源功耗較大的缺點(diǎn)，研制了開(kāi)關(guān)型穩壓電源。開(kāi)關(guān)穩壓器的轉換率可達60%~85%以上，而且可以省去工頻變壓器和巨大的開(kāi)關(guān)式穩壓電源的基本電路框圖如圖4所示。交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動(dòng)成份的直流電壓，該電壓進(jìn)人高頻變換器被轉換成所需電壓值的方波，最后再將這個(gè)方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗�需要的直流電壓�？刂齐娐窞橐幻}沖寬度調制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調制及基準電壓等電路構成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開(kāi)關(guān)電源用集成電路�？刂齐娐酚脕�(lái)調整高頻開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)時(shí)間比例，以達到穩定輸出電壓的目的。

常用的實(shí)現開(kāi)關(guān)控制的方法;有自激式開(kāi)關(guān)穩壓器、脈寬調制式開(kāi)關(guān)穩壓器和直流變換式開(kāi)關(guān)穩壓器等。開(kāi)關(guān)型穩壓電路體積小，轉換效率高，但控制電路較復雜。隨著(zhù)自關(guān)斷電力電子器件和電力集成電路的迅速發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源已得到越來(lái)越廣泛的應用。

一款自激式穩壓電源原理分析

自激式直流穩壓源它具有體積小、重量輕、效率高、對電網(wǎng)電壓及頻率的變化適應性強、輸出電壓保持時(shí)間長(cháng)、有利于計算機信息保護等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應用于以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設備，是當今電子信息產(chǎn)業(yè)飛一款自激式直流穩壓電源原理分析。

開(kāi)關(guān)電源工作原理

開(kāi)關(guān)電源的工作原理如圖1所示，輸入電壓為AC220v，50Hz 的交流電，經(jīng)過(guò)濾波，再由整流橋整流后變?yōu)橹绷�，通過(guò)控制電路中開(kāi)關(guān)管的導通和截止使高頻變壓器的一次測產(chǎn)生低壓高頻電壓，經(jīng)由小功率高頻變壓器藕合到二次測，再經(jīng)整流濾波，得到直流電壓輸出。為了使輸出電壓穩定，用了TL431取樣，將誤差經(jīng)光耦合放大，通過(guò)PWM來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的導通與截止時(shí)間（即占空比），使得輸出電壓保持穩定。

開(kāi)關(guān)電源的設計

開(kāi)關(guān)電源電路圖如圖2所示。在此功率轉換電路中，采用單端反激式變換器，單端是因為其高頻變壓器的磁芯只工作在第一象限。按變壓器的副邊開(kāi)關(guān)整流器=極管的接線(xiàn)方式不同，單端變換器可分為兩種：正激式與反激式。原邊主功率開(kāi)關(guān)管與副邊整流管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)相反（開(kāi)關(guān)管導通時(shí)，副邊的整流=極管截止）稱(chēng)為單端反激式。當原邊加到高電平激勵脈沖使Q1導通，直流輸入高頻變壓器的原邊兩端，此時(shí)因副邊是。上負下正，使整流=極管截止;當驅動(dòng)脈沖為低電平使Q1截止，原邊兩端極性反向，使副邊繞組兩端變?yōu)樯险�下負，則整流二極管被正向導通，此后變壓器副邊的磁能向負載釋放。因此單端反激式變換器只是在原邊Q1導通時(shí)儲存能量，當它截止時(shí)才向負載釋放，故高頻變壓器在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，既起變壓隔離作用，又是電感儲能元件。

在交流電源的輸入端接入的電磁干擾濾波器，由共模扼流圈L1、C2和C3構成，C2和C3的中點(diǎn)應接地，用來(lái)抑制共模干擾。C1用來(lái)濾波，濾除串模千擾，電容量較大。鑒于開(kāi)關(guān)管BU508A在關(guān)斷的瞬間，高頻變壓器的漏感會(huì )產(chǎn)生尖峰電壓，利用C8、R3和D1組成鉗位電路，C9的作用是濾除開(kāi)關(guān)管集電極的尖峰電壓，決定自動(dòng)重啟動(dòng)頻率，C9和R4一起對控制回路進(jìn)行補償，同時(shí)C9和R4還起原邊快速復位的作用，能有效的保護開(kāi)關(guān)管不被損壞。

1、開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)控制部分

開(kāi)關(guān)電源其核心是開(kāi)關(guān)控制部分，主要工作過(guò)程是通過(guò)圖2中B點(diǎn)和C點(diǎn)電壓的高低來(lái)控制主功率開(kāi)關(guān)管Q1導通和截止的時(shí)間（即占空比的大�。�。當Q1截止時(shí)A點(diǎn)為高電平，C5對Q1放電，使B點(diǎn)電位迅速提高，使開(kāi)關(guān)管Q1基極電位高于發(fā)射極，因而Q1飽和導通，并對C5進(jìn)行充電。而此時(shí)的電流為變壓器原邊電流與Q1導通時(shí)的電流之和，所以流經(jīng)R5的電流值很大，C點(diǎn)電位升高，飽和導通使A點(diǎn)電位下降，Q1也就截止。

D2和D3作用是在Q1導通時(shí)，使C點(diǎn)電位不致很高，否則C5的放電時(shí)間過(guò)長(cháng)，使Q1關(guān)斷時(shí)間toff過(guò)大，而Q1導通時(shí)間ton保持不變，這樣頻率變低。若Q1導通時(shí)C點(diǎn)提升太高時(shí)，才將Q1變?yōu)榻刂�，此時(shí)D2和D3正向導通，C點(diǎn)的電位降低，使得C5放電時(shí)間很短就能將使Vb》Vc，使toff也很小，因而可以使頻率達到很高。

2、PWM調節部分

Q1導通時(shí)，繞組N2上正下負，C10吸收剛放電時(shí)的尖峰電壓，防止二極管D10正向導通損壞，D10正向導通，使B點(diǎn)電位升高，從而使Q1更快飽和導通。同時(shí)Q2導通，再使Q3也導通，B點(diǎn)電壓下降，原邊線(xiàn)圈電流減小至截止。這時(shí)N2邊為下正上負，D4和D5導通，Q4基極變?yōu)楦唠娢�，Q4導通，C點(diǎn)電位降低，截止時(shí)間變短，而TL431反饋電流使流入Q4基極的電流就會(huì )減小，C點(diǎn)電位就下降得慢，截止時(shí)間變長(cháng)。Q1導通時(shí)，TL431反饋電流決定C點(diǎn)電位升高的快慢來(lái)達到穩壓的目的。C12是用來(lái)保護Q3，在截止時(shí)反向峰值電壓過(guò)高，而損壞Q3。反饋控制就是將取樣電壓與基準電壓比較，轉化為電流，再經(jīng)電流放大來(lái)調節ton與toff來(lái)控制占空比從而達到穩壓的目的。

R12是輸出電壓的最小負載，防止負載空載時(shí)電壓太高，用于提高輕載時(shí)的電壓調整率。C17可適當的降低誤差放大器的高頻增益。TL431的基準電壓與輸出電壓Vo比較，在R14形成誤差電壓，從而使IC1的二極管產(chǎn)生不同的電流。R14是IC1二極管的限流電阻。誤差放大的頻率應由R13、R16、VR和C17訣定。由C14和R10構成的RC吸收網(wǎng)絡(luò )，能消除高頻自激振蕩，減小射頻干擾。

3、高頻變換器部分

由于高頻變壓器原邊在單位時(shí)間里提供的功率與ton的平方和頻率成正比、與輸入原邊直流電壓的平方成正比，與原邊繞組匝數成反比，若不考慮變壓器的消耗，由能量守恒可得變壓器副邊功率，即輸出的功率與變壓器副邊匝數，以及負載無(wú)關(guān)，只由原邊提供的功率決定。因此要得到不同的輸出功率，就只有靠改變高頻變壓器原邊的功率。改變ton對輸出功率的影響最大，但受到磁通復位條件的限制不宜較大的改變，要改變輸入原邊的直流電壓，只能改變前面電路的濾波電感與濾波電容等參數，還可以在前面加入一一個(gè)電位器，也能改變直流電壓，而頻率要受到功率開(kāi)關(guān)管本身條件的限制。所以改變原邊繞組匝數是一個(gè)比較好的方法，原邊線(xiàn)圈繞組寬度不要太長(cháng)，而將其分為多層，每一層的接入都用一個(gè)開(kāi)關(guān)控制，需要不同的繞組匝數接入不同的開(kāi)關(guān)就能很好的控制原邊上的功率，從而得到不同的輸出功率。但是，toff時(shí)間內要使高頻變壓器的原邊磁通復位，在ton時(shí)間內要使其副邊磁通復位，如果在開(kāi)關(guān)工作周期結束時(shí)，磁通沒(méi)有回到周期開(kāi)始的起點(diǎn)，則變壓器磁芯內的磁通就會(huì )逐漸增加，導致磁芯飽和而損壞功率開(kāi)關(guān)管。要滿(mǎn)足單端變換器的磁通復位條件，就要使Ton與Toff的時(shí)間適當，不能太長(cháng)，否則使開(kāi)關(guān)管的頻率變低，同時(shí)與高頻變壓器原邊與副邊繞組的匝數有關(guān)。