第10章_直流电源电路

第10章直流电源电路内容：线性串联稳压(二极管稳压、三端集成稳压、基准稳压)、开关稳压、DC-DC稳压10.1 直流电源组成直流电源是电子设备重要组成部分，直流电源电路是电子设备基本电路之一，其作用是把市电(220V或380V交流电压)转换成电子电路内部元器件所需的低压直流稳定电源。

对电源电路总的要求是：稳定度高(即负载调整率、输入电压调整率小，且纹波系数小)、效率高、体积小、成本低，具有完善的保护功能（过流保护、过热保护、输出过压保护、输入欠压保护等），稳定性好、可长时间连续工作。

根据电源电路工作原理，可以将电源电路分为线性稳压和开关稳压两大类。

大致由电源变压器（也称为工频变压器，开关稳压电路一般不需要工频变压器）、整流、滤波、稳压电路等部分组成，如图10-X所示。

工频变压器在线性稳压电源电路中，起变压（将220V交流电压变为几伏、十几伏、几十伏的交流低压）和隔离双重作用，使变压器次级后的电路与电网实现电气上隔离，成为不带电的“冷板”。

由于市电频率低（50Hz或60Hz），工频变压器初级绕组多，绕线寄生电阻大，铜损偏高；另一方面，硅钢片构成的磁芯材料电阻率低，涡流损耗也较大，即工频变压器效率不高。

此外，还存在体积大、重量重、成本高的缺点。

工频变压器体积、重量严重制约了线性稳压电源的小型和微型化。

整流电路一般由二极管组成，利用二极管的单向导电性将交流电压变为单向脉动直流电压，图10-X给出了常用半波整流、全波整流(包括桥式整流)电路的输出波形。

为使稳压电路输入电压的脉动性尽可能小，借助电容或电容-电感构成的无源低通滤波器对整流输出电压进行低通滤波。

从图10-X中可以看出滤波后，输出电压脉动性已大大下降，某些对电源稳定性要求不高的电路(如音响的功放级)，可直接使用滤波后的电压作电源电压。

滤波后的直流电压脉动性尽管已较低，但还不能作为对电源稳定性较敏感的电路，如AD转换电路、微弱信号放大电路、TTL逻辑电路等的工作电源，还必须经过稳压电路稳压后才能获得不受电网电压波动、负载变动、温度变动等因素影响的高稳定性的直流电源。

10.2 整流电路所谓“整流”电路就是利用二极管的单向导电性，将交流电变为单向脉动直流电。

常用的整流电路有半波整流、全波整流和桥式整流等形式，电路结构及波形如图10-X 所示。

图10-X 常见的二极管整流电路10.2.1 工作原理与输出电压波形半波整流电路最简单，只用一只二极管。

在2u 的正半周二极管D 导通，如果忽略二极管D 上的压降，在纯电阻负载L R 上电压o u 的波形与2u 相同；而在2u 负半周，二极管D 反偏，处于截止状态，如果忽略二极管反向漏电流，没有电流流过负载电阻L R ，输出电压o u 为零。

半波整流电路输出波形如图10-X(a)所示，可见半波整流输出电压脉动很大。

变压器次级线圈只在半个周期工作，利用率低，只用于输出功率较小电源电路中（在工频电路中，用普通整流二极管；在低压开关电源电路中一般采用导通电阻较低的肖特基二极管）。

在全波整流电路中，由次级带有中心抽头的变压器和两只二极管组成。

在2u 正半周，二极管D1导通、D2截止，如果忽略二极管D1上的压降，纯电阻负载L R 上获得的输出电压o u 极性上正下负，波形与2u 相同，电流方向如图(b)中的实线所示；而在2u 的负半周，二极管D2导通、D1截止，如果忽略二极管D2上的压降，纯电阻负载L R 上获得的输出电压o u 极性也是上正下负，波形与2u 也相同，电流方向如图(b)中的虚线所示。

全波整流电路输出波形如图10-X(b)所示，可见全波整流输出电压脉动比半波整流小。

尽管全波整流在2u 正、负半周均能向负载提供电流，但变压器两个次级线圈总是处于交替工作状态，利用率并不高(与半波整流相同)。

由于脉动电流仅流过一只二极管，损耗小，在低压、大电流整流电路中得到了广泛应用，如开关电源的高频低压、大电流整流电路。

为进一步减小整流二极管功耗，在低压、大电流整流电路中用导通电压较小的肖特基二极管作整流二极管；当肖特基二极管压降也嫌大时，可采用同步整流方式，在同步整流电路中使用导通内阻为m Ω级的MOS 管作整流管。

桥式整流电路由四只二极管组成，在2u 的正半周，D2、D4截止，D1、D3导通，输出电压o u 的极性上正下负，当忽略二极管D1、D3上的压降时，o u 波形与2u 相同，电流方向如图(c)中的实线所示；而在2u 的负半周，D1、D3截止，D2、D4导通，输出电压o u 的极性也是上正下负，当忽略二极管D2、D4上的压降时，o u 波形也与2u 相同，电流方向如图(c)中的虚线所示。

桥式整流电路输出电压o u 的波形与全波整流相同；在2u 的正、负半周，变压器次级均处于工作状态，利用率高，即相同输出功率的整流电路，桥式整流电路所需工频变压器体积最小，因此在电源电路中得到了广泛应用(对工频电压进行整流时，可用普通的整流二极管；对高频信号整流时，可用工作频率高的快恢复二极管)。

但由于单向脉动电流要流过两只二极管，二极管损耗比全波整流电路大，因此不适用于输出电压仅为几伏的低压大电流整流电路。

图10-2 输入/输出波形10.2.2 电路参数与整流二极管参数选择1. 输出电压的平均值在忽略二极管开启电压与导通压降情况下，当负载为纯阻性负载时，则 半波整流输出电压o u 的平均值)(AV o U =)(sin 2212t d t U ωωππ⎰∙=π22U =0.452U其中2U 为变压器次级交流电压的有效值。

根据全波整流、桥式整流输出电压o u 的波形，全波整流、桥式整流输出电压o u 的平均值应为半波整流输出电压o u 平均值的两倍，即2. 负载平均电流、二极管平均电流与最大电流在半波整流电路中，整流二极管D 与负载串联，当负载为纯阻性时，二极管平均电流与负载平均电流相同，即)(AV o I =LR U π22=L R U 245.0显然当输入电压2u 达到最大值22U 时，流过二极管的电流也达到最大，即max D i =LR U 22 在全波整流、桥式整流电路中，纯阻性负载平均电流)(AV o I =LR U π222=L R U 29.0对于全波整流来说，二极管D1、D2交替导通；而在桥式整流电路中D1、D3与D2、D4也交替导通。

因此流过二极管平均电流、最大电流与半波整流情况相同。

3. 二极管承受最大反向电压对于半波整流来说，在负半周，二极管D 截止，承受的最大反向电压等于2u 的最大值22U ；对于桥式整流来说，二极管交替导通，处于截止状态的二极管承受的最大反向电压也等于2u 的最大值22U ；对于全波整流来说，如果两个次级线圈输出电压有效值为2U ，则处于截止状态的二极管承受的最大反向电压将是222U 。

以上最大反向电压尚没有考虑电网电压波动10%情况。

此外在电路设计中，为保险起见，二极管承受的最大反向电压应留30%以上余量，以防止串入电网中的尖蜂脉冲不至于使二极管击穿。

10.2.3 其他常用的整流电路1. 正负电源整流电路使用次级带有中心抽头变压器和四只二极管，按图10-X 所示方式连接，即获得正负电源。

D1、D2交替导通向负载1L R 供电；D3、D4交替导通向负载2L R 供电，负载电阻上电压波形与全波整流相同，如图所示。

图10-X 正负双电源整流电路2. 三相整流电路10.3 滤波电路整流后尽管获得了单向直流电，但脉动性很大(最小值为0，最大值与输入电压最大值相同)。

从频谱角度来看，除了直流成分外，还有基波、高次谐波，尚需经过电容、电感-电容等元件构成的无源低通滤波电路尽可能滤除其中的基波及高次谐波。

10.3.1 电容滤波电容滤波原理电路如图10-X(a)所示，滤波效果与滤波电容容量有关，容量越大，滤波效果越好。

因此，滤波电容均为大容量的电解电容，而电解电容寄生电感大，对脉动电流中的高次谐波呈感性，滤波效果差。

因此，实际电容滤波电路均需要在大电容旁边并上一只寄生电感小、寄生电阻尽可能低、容量在0.1μF ～0.47μF 的高频瓷片电容或CBB 电容，如图10-X(b)所示。

+-(a) (b )采用电容滤波后，半波整流电容滤波电路输出波形如图10-X 所示，而全波(包括桥式)整流电容滤波电路输出波形如图10-X 所示。

图10-X 半波整流电容滤波输出波形图10-X 全波(桥式)整流电容滤波输出波形可见滤波后，输出电压脉动性小了很多，但整流二极管中电流波形与输入电压波形差异很大，导通角θ远小于π，畸变严重。

原因是在稳定状态下，滤波电容C 两端电压o U 在最大值与最小值之间变化，只有当输入电压2U 大于电容两端电压o U 时，整流二极管才导通（如图中的A 点）；二极管导通后滤波电容两端电压o U 随输入电压2U 的增加而增加，当2U 达到最大值时，o U 也达到最大值，如图中的AB 段；2U 减小，输出o U 也会随着下降，当2U 小于o U 时，二极管截止，电容两端电压o U 向负载L R 放电(时间常数为C R L )，输出电压o U 逐渐下降，如图中的BC 段；在下一个半周期，当2U 大于o U 时，二极管又开始导通。

滤波电容越大，输出电压脉动性越小，整流二极管导通角θ越小，二极管脉动电流峰值就越大，电流波形失真就越严重。

当C R L 取2)53(T～时，脉动电流峰值可达3～5倍负载平均电流。

电容滤波输出电压平均值)AV o U （数字解析式比较复杂，当整流二极管内阻很小，而C R L 较大，用线性近似方式求解输出电压o U 的平均值。

当2U 达到最大值22U 时，o U 也达到最大值，即max o U =22U ，然后整流二极管截止。

由于C R L 较大，二极管截止后，输出电压近似线性下降，并假设该直线段延长线与横轴交点长度刚好为C R L ，如图10-X 所示。

u u图10-X 电容滤波近似计算图利用三角形相似关系，不难看出maxminmax o o o U U U -=CR T L 2 作线性近似后，输出电压o U 的平均值)AV o U （=2min max o o U U +=22min max max o o o U U U +-=2minmax max o o o U U U --=T C R U U L o o 4maxmax -=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-C R T U L o 41max 其中，滤波输出电压最大值max o U =22U ，T 为交流电周期。

当C R L 取2)53(T～时，输出电压o U 的平均值)AV o U （=（1.18～1.27）2U ≈1.22U 10.3.2 其他形式的滤波电路在市电频率下，多用电容滤波(从传递函数分析，属于一阶RC 低通滤波)。