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6.3.1 穩(wěn)壓電路概述
1. 引起輸出電壓不穩(wěn)定的原因
引起輸出電壓變化的原因是負載電流的變化和輸入電壓的變化,，參見圖16.01,。
負載電流的變化會在整流電源的內(nèi)阻上產(chǎn)生電壓降，從而使輸入電壓發(fā)生變化,。
即
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| 圖16.01
穩(wěn)壓電源方框圖 |
2. 穩(wěn)壓電路的技術(shù)指標
用穩(wěn)壓電路的技術(shù)指標去衡量穩(wěn)壓電路性能的高低,。 DVI和DIO引起的DVO可用下式表示,。
⑴.穩(wěn)壓系數(shù)Sr
穩(wěn)壓系數(shù)的定義為
⑵.電壓調(diào)整率SV
電壓調(diào)整率是特指ΔVI/VI＝±10%時的Sr。
⑶.輸出電阻Ro
⑷.電流調(diào)整率SI
電流調(diào)整率SI的定義是當輸出電流從零變化到最大額定值時,，輸出電壓的相對變化值,。
⑸.紋波抑制比Srip
Srip定義為輸入電壓交流紋波峰峰值與輸出電壓交流紋波峰峰值之比的分貝數(shù)。
⑹.輸出電壓的溫度系數(shù)ST
如果考慮溫度對輸出電壓的影響,
則輸出電壓是輸入電壓,、負載電流和溫度的函數(shù),。
6.3.2 硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路
1. 硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的原理
硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的電路圖如圖16.02所示。它是利用穩(wěn)壓二極管的反向擊穿特性穩(wěn)壓的,，由于反向特性陡直,，較大的電流變化，只會引起較小的電壓變化,。
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| 圖16.02
硅穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路 |
⑴. 當輸入電壓變化時如何穩(wěn)壓
根據(jù)電路圖可知
輸入電壓VI的增加,，必然引起VO的增加，即VZ增加,，從而使IZ增加,，IR增加，使VR增加,，從而使輸出電壓VO減小,。這一穩(wěn)壓過程可概括如下：
這里VO減小應理解為，由于輸入電壓VI的增加,，在穩(wěn)壓二極管的調(diào)節(jié)下,，使VO的增加沒有那么大而已。VO還是要增加一點的,，這是一個有差調(diào)節(jié)系統(tǒng),。
⑵.
當負載電流變化時如何穩(wěn)壓
負載電流IO的增加，必然引起IR的增加,，即VR增加,，從而使VZ＝VO減小，IZ減小,。IZ的減小必然使IR減小,，VR減小，從而使輸出電壓＝VO增加,。這一穩(wěn)壓過程可概括如下：
2. 穩(wěn)壓電阻的計算
穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓性能與穩(wěn)壓二極管擊穿特性的動態(tài)電阻有關(guān),，與穩(wěn)壓電阻R
的阻值大小有關(guān)。穩(wěn)壓二極管的動態(tài)電阻越小,，穩(wěn)壓電阻R
越大,，穩(wěn)壓性能越好。
穩(wěn)壓電阻R
的作用是將穩(wěn)壓二極管電流的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，從而起到調(diào)節(jié)作用,，同時R 也是限流電阻,。顯然，R
的數(shù)值越大,，較小IZ的變化就可引起足夠大的VR變化,，就可達到足夠的穩(wěn)壓效果。但R
的數(shù)值越大,，就需要較大的輸入電壓VI值,，損耗就要加大。穩(wěn)壓電阻的計算如下,。
（1）當輸入電壓最小,，負載電流最大時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最小,。此時IZ不應小于IZmin,，由此計算出來穩(wěn)壓電阻的最大值，實際選用的穩(wěn)壓電阻應小于最大值,。即
（2）當輸入電壓最大,，負載電流最小時，流過穩(wěn)壓二極管的電流最大,。此時IZ不應超過IZmax,，由此可計算出來穩(wěn)壓電阻的最小值。即
穩(wěn)壓二極管在使用時,，一定要串入限流電阻,，不能使它的功耗超過規(guī)定值，否則會造成損壞,！
3. 基準源
基準源一般是指擊穿電壓十分穩(wěn)定,，電壓溫度系數(shù)經(jīng)過補償了的穩(wěn)壓二極管?；鶞试匆卜Q為參考源,。這種穩(wěn)壓二極管采用一種埋層工藝，穩(wěn)壓性能優(yōu)良,，有的還加有溫度控制電路,，使其溫度系數(shù)可小到幾個10－6/℃。典型的基準源見下表,。
基準源
| 型號 |
穩(wěn)定電壓(V) |
工作電流(mA) |
電壓溫度系數(shù)(10－6/℃) |
| MC1403 |
2.5±1％ |
1.2 |
10～100 |
| LM136/236/336 |
2.5
5.0 |
10
10 |
30
30 |
| TL431 |
2.5～36 |
0.4～100 |
50 |
| LM3999 |
±6.95±5％ |
10 |
5 |
| AD2710K/L |
10.000±1mV |
10 |
2/1 |
MAX676
677
678 |
4.096±0.01％
5.000±0.01％ 10.000±0.01％ |
5
5
5 |
1
1
1 |
6.3.3 線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源
穩(wěn)壓二極管的缺點是工作電流較小,，穩(wěn)定電壓值不能連續(xù)調(diào)節(jié)。線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源工作電流較大,，輸出電壓一般可連續(xù)調(diào)節(jié)，穩(wěn)壓性能優(yōu)越。目前這種穩(wěn)壓電源已經(jīng)制成單片集成電路,，廣泛應用在各種電子儀器和電子電路之中,。線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的缺點是損耗較大、效率低,。
1. 線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理
⑴. 線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的構(gòu)成
線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的工作原理可以用圖16.03加以說明,。
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| 圖16.03
串聯(lián)穩(wěn)壓電源示意圖 |
顯然，VO ＝ VI －
VR,，當VI增加時,，R
受控制而增加，使VR增加,，從而在一定程度上抵消了VI增加對輸出電壓的影響,。若負載電流IL增加，R
受控制而減小,，使VR減小,，從而在一定程度上抵消了因IL增加，使VI減小,，對輸出電壓減小的影響,。
在實際電路中，可變電阻 R
是用一個三極管來替代的,，控制基極電位,，從而就控制了三極管的管壓降VCE，VCE相當于VR,。要想輸出電壓穩(wěn)定,，必須按電壓負反饋電路的模式來構(gòu)成串聯(lián)型穩(wěn)壓電路,。典型的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖16.04所示,。它由調(diào)整管,、放大環(huán)節(jié),、比較環(huán)節(jié),、基準電壓源幾個部分組成,。
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| 圖16.04
串聯(lián)型穩(wěn)壓電路方框圖 |
⑵.
線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的工作原理
根據(jù)圖16.04,，分兩種情況來加以討論,。
1．輸入電壓變化,，負載電流保持不變
輸入電壓VI的增加,，必然會使輸出電壓VO有所增加，輸出電壓經(jīng)過取樣電路取出一部分信號VF與基準源電壓VREF比較,，獲得誤差信號ΔV,。誤差信號經(jīng)放大后，用VO1去控制調(diào)整管的管壓降VCE增加,，從而抵消輸入電壓增加的影響,。
2．負載電流變化,，輸入電壓保持不變
負載電流IL的增加，必然會使輸入電壓VI有所減小,，輸出電壓VO必然有所下降,，經(jīng)過取樣電路取出一部分信號VF與基準電壓源VREF比較，獲得的誤差信號使VO1增加,，從而使調(diào)整管的管壓降VCE下降,，從而抵消因IL增加使輸入電壓減小的影響。
3．輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的計算
根據(jù)圖16.04可知
VF≈VREF
調(diào)節(jié)R2顯然可以改變輸出電壓,。
2. 穩(wěn)壓電路的保護環(huán)節(jié)
串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的內(nèi)阻很小,，如果輸出端短路，則輸出短路電流很大,。同時輸入電壓將全部降落在調(diào)整管上,，使調(diào)整管的功耗大大增加，調(diào)整管將因過損耗發(fā)熱而損壞,，為此必須對穩(wěn)壓電源的短路進行保護,。過載也會造成損壞。
保護的方法有反饋保護型和溫度保護型兩種,。反饋保護型又分截流型和限流型兩種,，它們的保護特性如圖16.05和圖16.06所示。溫度保護型是利用集成電路制造工藝,，在調(diào)整管旁制作PN結(jié)溫度傳感器,，當溫度超標時，啟動保護電路工作,，工作原理與反饋保護型相同,。
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| 圖16.05 截流型特性 |
圖16.06
限流型特性 | 截流型是當發(fā)生短路時，通過保護電路使調(diào)整管截止,，從而限制了短路電流,，使之接近為零。截流特性如圖16.05所示,。
限流型是當發(fā)生短路時,，通過電路中取樣電阻的反饋作用，使輸出電流得以限制,。限流特性如圖16.06所示,。
3. 三端集成穩(wěn)壓器
⑴.概述
將線性串聯(lián)穩(wěn)壓電源和各種保護電路集成在一起就得到了集成穩(wěn)壓器。早期的集成穩(wěn)壓器外引線較多,，現(xiàn)在的集成穩(wěn)壓器只有三個外引線：輸入端,、輸出端和公共端。它的電路符號如圖16.07所示,，外形如圖16.08所示,。
要特別注意,，不同型號，不同封裝的集成穩(wěn)壓器,它們?nèi)齻€電極的位置是不同的,，要查手冊確定,。
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| 圖16.07 集成穩(wěn)壓器符號 |
圖16.08
外形圖 |
⑵.
線性三端集成穩(wěn)壓器的分類
三端集成穩(wěn)壓器有如下幾種：
1.
三端固定正輸出集成穩(wěn)壓器，國標型號為 CW78－－/CW78M－－/CW78L－－
2.
三端固定負輸出集成穩(wěn)壓器,，國標型號為 CW79－－/CW79M－－/CW79L－－
3.
三端可調(diào)正輸出集成穩(wěn)壓器，國標型號為
CW117－－/CW117M－－/CW117L－－
CW217－－/CW217M－－/CW217L－－
CW317－－/CW317M－－/CW317L－－
4.
三端可調(diào)負輸出集成穩(wěn)壓器,，國標型號為
CW137－－/CW137M－－/CW137L－－
CW237－－/CW237M－－CW237L－－
CW337－－/CW337M－－/CW337L－－
5.
三端低壓差集成穩(wěn)壓器
6. 大電流三端集成穩(wěn)壓器
以上1－－為軍品級,；2－－為工業(yè)品級；3－－為民品級,。
軍品級為金屬外殼或陶瓷封裝,，工作溫度范圍－55℃～150℃；
工業(yè)品級為金屬外殼或陶瓷封裝,，工作溫度范圍－25℃～150℃,；
民品級多為塑料封裝，工作溫度范圍0℃～125℃,。
⑶.應用電路
三端固定輸出集成穩(wěn)壓器的典型應用電路如圖16.09所示,
三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器的典型應用電路如圖16.10所示,。
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| 圖16.09 三端固定輸出穩(wěn)壓器應用電路 |
圖16.10
三端可調(diào)輸出穩(wěn)壓器應用電路 |
可調(diào)輸出三端集成穩(wěn)壓器的內(nèi)部，在輸出端和公共端之間是1.25V的參考源,，因此輸出電壓可通過電位器調(diào)節(jié),。
⑷.利用三端集成穩(wěn)壓器組成恒流源
三端集成穩(wěn)壓器可做恒流源使用，電路如圖16.11和圖16.12所示,。
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| 圖16.11
穩(wěn)壓器作恒流源 |
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| (a)小電流恒流源 |
(b)大電流恒流源 |
| 圖16.12
可調(diào)穩(wěn)壓器作恒流源電路 |
6.3.4 開關(guān)型穩(wěn)壓電源
為解決線性穩(wěn)壓電源功耗較大的缺點,，研制了開關(guān)型穩(wěn)壓電源。開關(guān)型穩(wěn)壓電源效率可達90%以上,，造價低,，體積小。現(xiàn)在開關(guān)型穩(wěn)壓電源已經(jīng)比較成熟,，廣泛應用于各種電子電路之中,。開關(guān)型穩(wěn)壓電源的缺點是紋波較大，用于小信號放大電路時,，還應采用第二級穩(wěn)壓措施,。
1. 開關(guān)型穩(wěn)壓電路的工作原理
開關(guān)型穩(wěn)壓電源的原理可用圖16.13的電路加以說明。它由調(diào)整管,、濾波電路,、比較器、三角波發(fā)生器,、比較放大器和基準源等部分構(gòu)成,。
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| 圖16.13
開關(guān)型穩(wěn)壓電源原理圖 |
三角波發(fā)生器通過比較器產(chǎn)生一個方波vB,，去控制調(diào)整管的通斷。當調(diào)整管導通時,，向電感充電,。當調(diào)整管截止時，必須給電感中的電流提供一個泄放通路,。續(xù)流二極管 D
即可起到這個作用,，有利于保護調(diào)整管。根據(jù)電路圖的接線,，當三角波的幅度小于比較放大器的輸出時,，比較器輸出高電平，（輸出波形中電位水平高于高電平最小值的部分,，對方波而言,，相當方波存在的部分）。對應調(diào)整管的導通時間為ton,；反之為低電平,，（輸出波形中電位水平低于低電平最大值的部分，對方波而言,，相當方波不存在的部分）,。對應調(diào)整管的截止時間為toff 。
為了穩(wěn)定輸出電壓,，應按電壓負反饋方式引入反饋,，以確定基準源和比較放大器的連線。設輸出電壓增加,，FVO增加,，比較放大器的輸出VF減小，比較器方波輸出toff增加,，調(diào)整管導通時間減小,，輸出電壓下降。起到了穩(wěn)壓作用,。
各點波形見圖16.14,。由于調(diào)整管發(fā)射極輸出為方波，有濾波電感的存在,，使輸出電流iL為鋸齒波,，趨于平滑。輸出則為帶紋波的直流電壓,。
忽略電感的直流電阻,，輸出電壓VO即為vE的平均分量。于是有
q
稱為占空比,，方波高電平的時間占整個周期的百分比,。在輸入電壓一定時,，輸出電壓與占空比成正比，可以通過改變比較器輸出方波的寬度（占空比）來控制輸出電壓值,。這種控制方式稱為脈沖寬度調(diào)制（PWM）,。
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| 圖16.14
開關(guān)電源波形圖 |
由以上分析可以得出如下結(jié)論：
1．
調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，功耗大大降低,，電源效率大為提高,；
2．
調(diào)整管在開關(guān)狀態(tài)下工作，為得到直流輸出,，必須在輸出端加濾波器,；
3．
可通過脈沖寬度的控制方便地改變輸出電壓值；
4．
在許多場合可以省去電源變壓器,；
5．
由于開關(guān)頻率較高，濾波電容和濾波電感的體積可大大減小,。
2. 集成開關(guān)型穩(wěn)壓器
⑴.開關(guān)穩(wěn)壓電源概述
集成開關(guān)穩(wěn)壓器,，一般有兩大類型。一類是包括調(diào)整管在內(nèi)的集成開關(guān)穩(wěn)壓器;另一類稱為開關(guān)電源控制器,，它不包括調(diào)整管,。開關(guān)電源控制器實際上就是一個脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制器，經(jīng)常也用于其它脈寬調(diào)制場合,。
典型的開關(guān)電源控制器和開關(guān)電源見下表,。
| 型號 |
電源范圍/V |
最大輸出電流/A |
內(nèi)部參考源/V |
輸出級形式 |
TL494
SG3524
SG3525
LM2575 |
7～40
8～35
8～35
3.5～35 |
0.2
0.1
0.5
1 |
5
5
5
1.23 |
推挽
推挽
推挽
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表中前三個是開關(guān)電源控制器，后一個是單片開關(guān)電源穩(wěn)壓器,。
⑵.開關(guān)穩(wěn)壓電源控制器
SG3524
利用開關(guān)電源控制器可以方便地構(gòu)成開關(guān)電源,。
SG3524是一個典型的性能優(yōu)良的開關(guān)電源控制器，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)框圖如圖16.15所示,。它的內(nèi)部包括誤差放大器,、限流保護環(huán)節(jié)、比較器,、振蕩器,、觸發(fā)器、輸出邏輯控制電路和輸出三極管等環(huán)節(jié),。
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| 圖16.15
SG3524的內(nèi)部方框圖 |
SG3524構(gòu)成開關(guān)穩(wěn)壓電源的典型電路如圖16.16所示,。3524從11和14腳輸出在時間上互相錯開的兩路控制信號，其開關(guān)頻率由6和7腳外接的R5和C2決定,。1和2腳是內(nèi)部運算放大器的輸入端,，R1和R2構(gòu)成反饋回路。16腳是基準源,，由R3和R4給誤差運算放大器提供一個與反饋信號比較的給定電壓,。V3和V4是或非門的輸出,，只要或非門的輸入端有高電平，它的輸出即為低電平,。
V3和V4的輸出由V2,、CP、Q 或
Q 決定,。因 Q 和 Q
只能有一個是高電平,，T2和T1不可能同時導通。T1和T2只能按推挽方式工作,，輪流交替導通,。
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| 圖16.16
開關(guān)穩(wěn)壓電源應用電路 |
SG3524電路控制過程的波形如圖16.17所示。鋸齒波由振蕩器提供,，V1是誤差放大器的輸出,，它們一起加到比較器上。V2是比較器的輸出,。振蕩器輸出的時鐘驅(qū)動T'觸發(fā)器,，CP、Q
和V2 的或非是V3,，決定T1的通斷,。CP、Q 和V2
的或非是V4,，決定T2的通斷,。由于Q 和 Q
等寬，加上V2的存在,，所以V3和V4這兩路信號之間有一定的死區(qū),，以保證T1和T2管不會同時導通。當V1降低時,，V2加寬,，T1和T2的寬度變窄，導通時間減小,。反之,，當V1增加時，T1和T2的導通時間增加,。
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| 圖16.17
SG3524的波形圖 |
⑶. SG3524構(gòu)成的開關(guān)穩(wěn)壓電源
現(xiàn)在來討論3524構(gòu)成的開關(guān)穩(wěn)壓電源的工作原理,，原理電路圖如圖16.16所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖16.15所示,。設負載電流加大,，Vo下降，反饋電壓減小，誤差放大器的輸出V1增加,，T1和T2的導通時間增加,，輸出電壓Vo增加。反之,，當Vo增加時,，反饋電壓增加，V1輸出減小,，T1和T2的導通時間減小,，輸出電壓Vo減小。當三極管的電流過大時,，電阻R9上的壓降增加到使限流運算放大器的輸出為低,，即V1在大大下降，使T1和T2關(guān)斷,。SG3524的10腳也有保護功能,，當10腳加高電平時，可以強迫V1下降,，T1和T2關(guān)斷,。10腳與4腳可實現(xiàn)雙重保護。由于SG3524可在較高的頻率下工作,，T1和T2應選用高頻開關(guān)管。變壓器應采用高頻變壓器,，濾波電感和濾波電容都可以選用較小的數(shù)值,。
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