笫十章 电源电路 10.1 整流器和直流稳压电源 变压器 : 将电网电压(220V、50Hz)变换为所需的交流电压； 整 流 :将变压器次级交流转换为单向脉动直流； 滤 波 :将整流后的波纹滤除。 稳 压 :将不稳定的直流电压变成稳定的直流电压

10.2 整流滤波电路 220V 50Hz ( d ) U ＋ － V V ＋ 220V R 50Hz － (a)半波整流 桥式整流 V 10.2 整流滤波电路 桥式整流 220V 50Hz (a)半波整流 ＋ － R L V 220V 50Hz ＋ － RL V 1 2 (b)全波整流 倍压整流 220V 50Hz ( d ) U 2 ＋ － V 1 3 4 5

全波整流电路管子流过的电流及输入输出电压波形

(a)电容滤波；(b)电感电容Γ型滤波；(c)电阻电容Π型滤波 常用滤波电路 (a)电容滤波；(b)电感电容Γ型滤波；(c)电阻电容Π型滤波

设滤波电容电压初始值uC(0)=0,当u″i为正半周时，V1导通，V２截止，u′i给C充电。由于二极管内阻较小， 当uC上升到等于u′i(t1)时，V1、V2均截止，电容C通过负载RL放电，uo下降。

全波整流电路及电压电流波形 (c)计算机仿真波形(为看清输出波纹，故意将滤波电容值取得很小，实际上要加几百~几千μF)

2. 主要性能   1 )输出直流电压Uo 不接滤波电容(C=0)时: 当接入滤波电容(C≠0)，且负载RL=∞时，输出电压可充电至输入电压峰值： 一般情况下(RL ≠∞,C≠0)，Uo的估算值为

式中U′i为变压器次级单边交流电压有效值，U′im为交流振幅。根据式(9—28)，可以由Uo算出U′i，从而算出变压比 2)滤波电容估算值 滤波电容的选择要满足下式，即 (9—30) 此时，波纹电压峰峰值Urpp约为 (9—31) 式中：T为交流电网信号周期；IL为负载电流。

3)整流管的选择 (1)整流管最大允许电流 (2)整流管反向击穿电压UBR＞2U′im。 半波整流只有一个整流管，所以IM＞IL，且波纹大，所以一般用得不多。

图 用“硅桥”实现正、负两路直流输出的全波整流电路

10.2 串联反馈型线性稳压电源的工作原理 一、电路 常用稳压电路有串联反馈型稳压电路和开关型稳压电路。首先，我们介绍最常用的串联型稳压电源。 串联型稳压电源的框图如图10.4.2 所示。图中“调整环节”就是一个射极输出器。取样环节是将输出电压的变化样品取来，加到一个误差比较放大器的反相输入端，与同相输入端的基准电压相比较。

二、主要参数 1.主要指标 1)稳压系数S S表示输出电压相对变化量与输入电压相对变化量之比，即 (9—32)

2)输出电阻Ro Ro表示负载变化(IL变化)对输出电压的影响，即 (9—33) 一般稳压器的Ro为mΩ数量级。 3)温度系数ST ST表示温度变化对输出电压的影响，其表达式为 (9—34)

2. 调整管参数 (1)调整管最大允许电流ICM必须大于负载最大电流ILM。 (2)调整管最大允许功耗PCM必须大于调整管的实际最大功耗。当输入电压最大，而输出电压最小、负载电流最大时，调整管的实际功耗是最大的。 (3)调整管必须工作在线性放大区，其管压降一般不能小于3~4V。 (4)如果单管基极电流不够，则采用复合管；若单管输出电流不能满足负载电流的需要，则可使用多管并联。 (5)电路必须具有过热保护、过流保护等措施，以免调整管损坏。

三、集成三端稳压器 集成三端稳压器是集成串联型稳压电源，用途十分广泛，而且非常方便。集成三端稳压器有78××系列(输出正电压)和79××系列(输出负电压)，后面两位数表示输出电压值，如7812，即表示输出直流电压为+12V。 图中，C1可以防止由于输入引线较长而带来的电感效应而产生的自激。C2用来减小由于负载电流瞬时变化而引起的高频干扰。C3为容量较大的电解电容，用来进一步减小输出脉动和低频干扰。

三端集成稳压电源的典型接法 (a)78××系列典型接法；(b)79××系列典型接法； (c)三端稳压器外形图

三端集成稳压电源的典型接法 (a)78××系列典型接法；(b)79××系列典型接法； (c)三端稳压器外形图

1 3 LM317 R 1 2 U U i o C C 1 2 2 R

三端稳压电源的功能可以扩展。图9—17给出几个功能扩展电路。图9—17(a)是一个扩流电路。图中V为扩流晶体管，输出总电流Io=I′o+IC。 图9—17(b)电路是一个扩大输出电压的电路，该电路输出电压 。式中，IQ为稳压器静态工作电流，通常比较小；UR1是稳压器输出电压U′o。所以 (9—36)

三端稳压器功能的扩展 (a)扩流电路；(b)扩压电路； (c)输出电压可调电路

图 三端稳压器功能的扩展 (a)扩流电路；(b)扩压电路； (c)输出电压可调电路

三端稳压器功能的扩展 (a)扩流电路；(b)扩压电路； (c)输出电压可调电路

10.4.4 开关型稳压电源 串联型反馈式稳压电源用途广泛，但存在以下两个问题： (1)调整管总工作在线性放大状态，管压降大，流过的电流也大(大于负载电流)，所以功耗很大，效率较低(一般为40%~60%)，且需要庞大的散热装置。 (2)电源变压器的工作频率为50Hz，频率低而使得变压器体积大、重量重。

开关稳压电源正是基于上述改革思路而发明的新型稳压电源。目前，开关稳压电源已广泛应用于计算机、电视机及其它电子设备中。 为 1. 为了减小调整管功耗,让调整管工作在”开关”状态 为了减小变压器体积及重量.提高工作频率. 从50HZ变为几十KHZ.或几百KHZ. 开关稳压电源的电路形式很多，我们仅以下面的例子对其工作原理加以简要说明。 开关稳压电源的一般框图。

开关稳压电源框图

电网电压不稳使输出直流电压Uo增大，经光耦合器隔离，误差放大器反相输入端电压增大，其输出减小。该电压(UC+)与UC-的三角波比较结果，会使其输出电压(UG)的占空比减小，如图9—19虚线所示，从而使VMOS导通时间减小，截止时间增加。 经二次整流后取出方波的平均值(Uo)将随之减小。这就是开关电源稳压的原理。图9—20给出一个实际的开关稳压电源的电原理图。

图9—19 脉宽调制器的各点波形

一个实际的开关稳压电源电路

图9—20中，VMOS源极电阻R9为过流采样电阻。当过流时，UR9增大，经R10送至UC3842的3端，以实现过流保护的目的。C8、VD3、R11、R12、VD2和C9构成两级吸收回路，用以吸收尖峰干扰。VD1~VD3采用快恢复的二极管FR305。VD4为输出整流管，采用D80-004型肖特基二极管，以满足高频、大电流整流的需要。 该电路采用自馈绕组反馈，而不是像图9—18所示的从输出电压经光耦合反馈，一般用于固定负载的情况。

脉宽调制器UC3842框图 UC3842 1 2 3 4 8 7 6 5 U 输入 输出 地 R / C 电流检测 反馈 补偿 ( a ) REF 输入 输出 地 R T / C 电流检测 反馈 补偿 ( a ) 8 参考电压 ≥1 6 7 4 振荡器 内部基准 2 1 ＋ － 3 S R Q 5 ( b ) 脉宽调制器UC3842框图

图9—22散热器和热传导阻力等效通路 (a)铝型材散热器示意图； (b)热传导阻力等效通路(热阻计算)

图9—23功率管的二次击穿现象 (a)二次击穿现象；(b)二次击穿临界线

图9—24 双极型功率管的安全工作区

图9—25 VMOS管的结构剖面图

9—3—3绝缘栅—双极型功率管(IGBT)及功率模块 (a)等效电路；(b)符号   IGBT的等效电路和符号如图9—26所示。

二、功率模块 功率模块有许多，有达林顿电路模块、各种MOS管或BiFET组件等。 图9—27(a)给出一种高速大功率CMOS器件(TC4420/29系列)，其脉冲峰值电流高达6A，开关速度高达25ns，使用十分方便，而且能带动大电容负载(CL≥1000pF)。 图9—27(b)是由两块TC4420组成的桥式电路，驱动电机或陀螺正、反向转动。

图9—27 高速大功率CMOS器件 (a)内部电路；(b)由TC4420组成的桥式功率电路

目前，还出现了许多高速大功率运算放大器(PowerOperationalAmplifiers)，如OPA2544、3583等。OPA2544的最大输出电流为2A， 电源电压范围±10V~±35V 压摆率为8V/μs 其封装和引脚图如图9—28所示： 而OPA3583的电源电压高达±70V~±150V， 输出电流为75mA 压摆率达30V/μs OPA2544和OPA3583的输入级为场效应管，输出级为互补跟随器。

图9—28功率运算放大器OPA2544的外形图及 管脚图 (a)外形图；(b)管脚图

9—3—4 功率管的保护 为保证功率管的正常运行，要附加一些保护电路，包括安全区保护、过流保护、过热保护等等。例如，在VMOS的栅极加限流、限压电阻和反接二极管，在感性负载上并联电容和二极管，以限制过压或过流。又如，在功率管的c、e间并联稳压二极管，以吸收瞬时过压等等。

9—4 高精度基准电压源 在集成电路或电子设备中，常需要基准电压源(UREF)。该类基准电压源要求精度高，温度稳定性好(±0.2×10-6~±20×10-6左右)，噪声电压低，长期稳定度好等，但其输出电流并不大，一般为几毫安~十几毫安。实现此类电压基准功能的电路和器件有两种，简要介绍如下。

9—4—1能隙基准电压源 一、能隙基准电压源的工作原理 如图9—29所示，UBE为负温度系数，UT发生器乘以系数K为负温度系数，二者经相加器相加后得到基准电压UREF： (9—40) 又知，结电压UＢＥ随温度上升而下降，即有 (9—41a) (9—41b) (9—42)

图9—29 能隙基准电压源的工作原理

式中，Ug0为半导体材料在绝对零度下(0K)的带隙(Band—Gap)电压，即禁带宽度。硅材料的Ug0为1. 205V，锗材料的Ug0为0 式中，Ug0为半导体材料在绝对零度下(0K)的带隙(Band—Gap)电压，即禁带宽度。硅材料的Ug0为1.205V，锗材料的Ug0为0.72V。该值是一个固定不变的电压值。如式(9—42)所示，若调整K值使第二项与第三项相抵消，则 (9—43)

二、能隙基准电压源电路 图9—30给出一个能隙基准电压源的电路例子。设运算放大器是理想的，且RA=RB 因此有   (9—44) (9—45)

图9—30 能隙基准电压源电路

运放输出电压即基准电压UREF为 (9—46) 式中， 调节R1和R2的值，使KUT=CT，那么 (9—47)

若R4固定，则改变R3,即可得到不同的基准电压值。美国AD公司的AD580、AD581、AD584、AD680系列电压基准的原理电路与图9—30相同。 例如，AD581的基准电压UREF=10V±0.005V，温度系数ST为5×10-6/℃，长期稳定度为25×10-6/1000h，输出噪声电压的峰峰值小于40μV。

9—4—2 以埋层齐纳管为参考的超高精度基准电压源 能隙基准电压源的ST≤3×10-6/℃，噪声电压UNpp≥20μV。对于高分辨率的A/D、D/A(16位以上)，仍感不足。以埋层齐纳管为参考的基准电压源的精度和稳定度有望更高。 普通齐纳管的击穿机理发生在硅晶体表面，如图9—31(a)所示，表面存在更多的杂质，易受机械压力和晶格错位等因素影响，导致击穿噪声大，长期稳定性不好。

图9—31 普通齐纳管和埋层齐纳管的击穿部位 (a)普通齐纳管；(b)埋层齐纳管