典型四款直流穩(wěn)壓電路原理

　　1、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路

　　穩(wěn)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(dǎo)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(shù)值，在這個(gè)低阻區(qū)盡管流過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(xiàn)象的重復(fù)性很好，從而起到穩(wěn)壓作用。因?yàn)檫@種特性，穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準(zhǔn)元件使用。

　　圖1為穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路，由限流電阻Rs和穩(wěn)壓二極管Dz組成。

　　Us為未穩(wěn)壓的輸入直流電壓，U。為經(jīng)過穩(wěn)壓的直流電壓，Rs為Dz的限流保護(hù)電阻，又起電壓調(diào)整作用，D2為穩(wěn)壓二極管，R為負(fù)載電阻。其工作原理是：此電路主要利用穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓特性，即Dz反向?qū)ê笃鋬啥说膲航祷颈３植蛔?。?dāng)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(yīng)用中R的特性和D2的特性對(duì)整個(gè)穩(wěn)壓過程起關(guān)鍵作用。

　　這種穩(wěn)壓電路的工作范圍受穩(wěn)壓管最大功耗的限制，Iz不能超過一定數(shù)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(yīng)保證在輸入電壓為最大值Usmax時(shí)，穩(wěn)定電流Iz和穩(wěn)壓管允許的功耗不超過規(guī)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(wěn)定電流。

　　2、并聯(lián)晶體管穩(wěn)壓電路

　　晶體管是一種固體半導(dǎo)體器件，可以用于檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號(hào)調(diào)制和許多其它功能。晶體管作為一種可變開關(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關(guān)。

　　圖2為并聯(lián)晶體管穩(wěn)壓電路。其中T是調(diào)整管、D2是基準(zhǔn)穩(wěn)壓管，Rs是Dz的限流電阻，R。是負(fù)載。這個(gè)穩(wěn)壓電路的輸出電壓約等于穩(wěn)壓管Dz的穩(wěn)壓值（實(shí)際上要加上T發(fā)射結(jié)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(jié)導(dǎo)通，發(fā)射極電壓與基極電壓連結(jié)一致，而基極電壓被Dz穩(wěn)定在一個(gè)固定值。這個(gè)電路可以看作T將Dz的穩(wěn)壓作用放大了B倍，相當(dāng)于接入一個(gè)穩(wěn)壓值為Dz穩(wěn)壓值，穩(wěn)壓效果為B倍D2穩(wěn)壓效果的穩(wěn)壓管。

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

　　3、串聯(lián)晶體管穩(wěn)壓電路

　　圖3為簡(jiǎn)單的串聯(lián)晶體管穩(wěn)壓電路。調(diào)整管T與負(fù)載電阻R。相串聯(lián)，當(dāng)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(diào)節(jié)，使輸出電壓保持基本穩(wěn)定，因此它被稱做調(diào)整管。穩(wěn)壓管Dz為調(diào)整管提供基準(zhǔn)電壓，使調(diào)整管基極電位不變。R。是D2的保護(hù)電阻，限制通過D2的電流，起保護(hù)穩(wěn)壓管的作用。

　　電路穩(wěn)壓過程是這佯的：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(diào)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?；痉€(wěn)定。如果負(fù)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?；痉€(wěn)定。

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

　　4、開關(guān)型穩(wěn)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)。這種開關(guān)型電路已在各種電子設(shè)備中獲得廣泛的應(yīng)用。

　　開關(guān)式穩(wěn)壓電源接控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式兩種，在實(shí)際的應(yīng)用中，調(diào)寬式使用得較多，在目前開發(fā)和使用的開關(guān)電源集成電路中，絕大多數(shù)也為脈寬調(diào)制型。

　　基于上述線性穩(wěn)壓電路的線性穩(wěn)壓電源雖然電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，但它存在著效率低（只有30%-50%）、體積大、銅鐵消耗量大，工作溫度高及調(diào)整范圍小等缺點(diǎn)。為解決線性型穩(wěn)壓電源功耗較大的缺點(diǎn)，研制了開關(guān)型穩(wěn)壓電源。開關(guān)穩(wěn)壓器的轉(zhuǎn)換率可達(dá)60%~85%以上，而且可以省去工頻變壓器和巨大的開關(guān)式穩(wěn)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(zhuǎn)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枰闹绷麟妷骸?a href="http://m.hljzzgx.com/soft/data/4-10/" target="_blank">控制電路為一脈沖寬度調(diào)制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關(guān)電源用集成電路?？刂齐娐酚脕碚{(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時(shí)間比例，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

　　常用的實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制的方法;有自激式開關(guān)穩(wěn)壓器、脈寬調(diào)制式開關(guān)穩(wěn)壓器和直流變換式開關(guān)穩(wěn)壓器等。開關(guān)型穩(wěn)壓電路體積小，轉(zhuǎn)換效率高，但控制電路較復(fù)雜。隨著自關(guān)斷電力電子器件和電力集成電路的迅速發(fā)展，開關(guān)電源已得到越來越廣泛的應(yīng)用。

　　一款自激式穩(wěn)壓電源原理分析

　　自激式直流穩(wěn)壓源它具有體積小、重量輕、效率高、對(duì)電網(wǎng)電壓及頻率的變化適應(yīng)性強(qiáng)、輸出電壓保持時(shí)間長(zhǎng)、有利于計(jì)算機(jī)信息保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于以電子計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛一款自激式直流穩(wěn)壓電源原理分析。

　　開關(guān)電源工作原理

　　開關(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)過濾波，再由整流橋整流后變?yōu)橹绷?，通過控制電路中開關(guān)管的導(dǎo)通和截止使高頻變壓器的一次測(cè)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(cè)，再經(jīng)整流濾波，得到直流電壓輸出。為了使輸出電壓穩(wěn)定，用了TL431取樣，將誤差經(jīng)光耦合放大，通過PWM來控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止時(shí)間（即占空比），使得輸出電壓保持穩(wěn)定。

　　開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

　　開關(guān)電源電路圖如圖2所示。在此功率轉(zhuǎn)換電路中，采用單端反激式變換器，單端是因?yàn)槠涓哳l變壓器的磁芯只工作在第一象限。按變壓器的副邊開關(guān)整流器=極管的接線方式不同，單端變換器可分為兩種：正激式與反激式。原邊主功率開關(guān)管與副邊整流管的開關(guān)狀態(tài)相反（開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，副邊的整流=極管截止）稱為單端反激式。當(dāng)原邊加到高電平激勵(lì)脈沖使Q1導(dǎo)通，直流輸入高頻變壓器的原邊兩端，此時(shí)因副邊是。上負(fù)下正，使整流=極管截止;當(dāng)驅(qū)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仑?fù)，則整流二極管被正向?qū)?，此后變壓器副邊的磁能向?fù)載釋放。因此單端反激式變換器只是在原邊Q1導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存能量，當(dāng)它截止時(shí)才向負(fù)載釋放，故高頻變壓器在開關(guān)過程中，既起變壓隔離作用，又是電感儲(chǔ)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(gòu)成，C2和C3的中點(diǎn)應(yīng)接地，用來抑制共模干擾。C1用來濾波，濾除串模千擾，電容量較大。鑒于開關(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(duì)控制回路進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)C9和R4還起原邊快速復(fù)位的作用，能有效的保護(hù)開關(guān)管不被損壞。

　　1、開關(guān)電源的開關(guān)控制部分

　　開關(guān)電源其核心是開關(guān)控制部分，主要工作過程是通過圖2中B點(diǎn)和C點(diǎn)電壓的高低來控制主功率開關(guān)管Q1導(dǎo)通和截止的時(shí)間（即占空比的大?。?。當(dāng)Q1截止時(shí)A點(diǎn)為高電平，C5對(duì)Q1放電，使B點(diǎn)電位迅速提高，使開關(guān)管Q1基極電位高于發(fā)射極，因而Q1飽和導(dǎo)通，并對(duì)C5進(jìn)行充電。而此時(shí)的電流為變壓器原邊電流與Q1導(dǎo)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(dǎo)通使A點(diǎn)電位下降，Q1也就截止。

　　D2和D3作用是在Q1導(dǎo)通時(shí)，使C點(diǎn)電位不致很高，否則C5的放電時(shí)間過長(zhǎng)，使Q1關(guān)斷時(shí)間toff過大，而Q1導(dǎo)通時(shí)間ton保持不變，這樣頻率變低。若Q1導(dǎo)通時(shí)C

　　點(diǎn)提升太高時(shí)，才將Q1變?yōu)榻刂梗藭r(shí)D2和D3正向?qū)?，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(dá)到很高。

　　2、PWM調(diào)節(jié)部分

　　Q1導(dǎo)通時(shí)，繞組N2上正下負(fù)，C10吸收剛放電時(shí)的尖峰電壓，防止二極管D10正向?qū)〒p壞，D10正向?qū)?，使B點(diǎn)電位升高，從而使Q1更快飽和導(dǎo)通。同時(shí)Q2導(dǎo)通，再使Q3也導(dǎo)通，B點(diǎn)電壓下降，原邊線圈電流減小至截止。這時(shí)N2邊為下正上負(fù)，D4和D5導(dǎo)通，Q4基極變?yōu)楦唠娢?，Q4導(dǎo)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(zhǎng)。Q1導(dǎo)通時(shí)，TL431反饋電流決定C點(diǎn)電位升高的快慢來達(dá)到穩(wěn)壓的目的。C12是用來保護(hù)Q3，在截止時(shí)反向峰值電壓過高，而損壞Q3。反饋控制就是將取樣電壓與基準(zhǔn)電壓比較，轉(zhuǎn)化為電流，再經(jīng)電流放大來調(diào)節(jié)ton與toff來控制占空比從而達(dá)到穩(wěn)壓的目的。

　　R12是輸出電壓的最小負(fù)載，防止負(fù)載空載時(shí)電壓太高，用于提高輕載時(shí)的電壓調(diào)整率。C17可適當(dāng)?shù)慕档驼`差放大器的高頻增益。TL431的基準(zhǔn)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(yīng)由R13、R16、VR和C17訣定。由C14和R10構(gòu)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(shù)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(shù)，以及負(fù)載無關(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(duì)輸出功率的影響最大，但受到磁通復(fù)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(shù)，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關(guān)管本身?xiàng)l件的限制。所以改變?cè)吚@組匝數(shù)是一個(gè)比較好的方法，原邊線圈繞組寬度不要太長(zhǎng)，而將其分為多層，每一層的接入都用一個(gè)開關(guān)控制，需要不同的繞組匝數(shù)接入不同的開關(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(nèi)要使高頻變壓器的原邊磁通復(fù)位，在ton時(shí)間內(nèi)要使其副邊磁通復(fù)位，如果在開關(guān)工作周期結(jié)束時(shí)，磁通沒有回到周期開始的起點(diǎn)，則變壓器磁芯內(nèi)的磁通就會(huì)逐漸增加，導(dǎo)致磁芯飽和而損壞功率開關(guān)管。要滿足單端變換器的磁通復(fù)位條件，就要使Ton與Toff的時(shí)間適當(dāng)，不能太長(zhǎng)，否則使開關(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(shù)有關(guān)。