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【转帖】典型四款直流稳压电路原理
Ameya360芯片 | 2018-08-07 16:22:47    阅读:77   发布文章

1、稳压二极管稳压电路

稳压二极管,又叫齐纳二极管,是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个很小的数值,在这个低阻区尽管流过二极管的电流变化很大,而其两端的电压却变化极小,并且这种现象的重复性很好,从而起到稳压作用。因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。

图1为稳压二极管稳压电路,由限流电阻Rs和稳压二极管Dz组成。

Us为未稳压的输入直流电压,U。为经过稳压的直流电压,Rs为Dz的限流保护电阻,又起电压调整作用,D2为稳压二极管,R为负载电阻。其工作原理是:此电路主要利用稳压二极管的稳压特性,即Dz反向导通后其两端的压降基本保持不变。当Us增大引起Rs,上的电流增大,但U。即D两端的电压保持恒定不变,这样Us的增大量全部降在Rs上,以保持U。不变,反之亦然。在实际应用中R的特性和D2的特性对整个稳压过程起关键作用。

这种稳压电路的工作范围受稳压管最大功耗的限制,Iz不能超过一定数值。其关键是:在Us、R及U。均为给定的条件下,Rs值的选取应保证在输入电压为最大值Usmax时,稳定电流Iz和稳压管允许的功耗不超过规定的最大值;在输入电压为最小值时,又能保证Iz不低于最小的稳定电流。

2、并联晶体管稳压电路

晶体管是一种固体半导体器件,可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。晶体管作为一种可变开关,基于输入的电压,控制流出的电流,因此晶体管可做为电流的开关。

图2为并联晶体管稳压电路。其中T是调整管、D2是基准稳压管,Rs是Dz的限流电阻,R。是负载。这个稳压电路的输出电压约等于稳压管Dz的稳压值(实际上要加上T发射结电压,一般锗管取0.3V,硅管取0.7V)。这是由于电源在工作时,T发射结导通,发射极电压与基极电压连结一致,而基极电压被Dz稳定在一个固定值。这个电路可以看作T将Dz的稳压作用放大了B倍,相当于接入一个稳压值为Dz稳压值,稳压效果为B倍D2稳压效果的稳压管。

并联稳压电路稳压性能有所提高,线路也不复杂,其优点是:有过载自保护性能,输出断路时调整管不会损坏;在负载变化小时,稳压性能比较好;对瞬时变化的适应性较好。但并联稳压电路也有比较大的缺点:效率较低,特别是轻负载时,电能几乎全部消耗在限流电阻和调整管上;输出电压调节范畴很小;稳定度不易做得很高。这些固有的缺点很难改进,所以现在普遍利用的都是串联稳压电路。

3、串联晶体管稳压电路

图3为简单的串联晶体管稳压电路。调整管T与负载电阻R。相串联,当由于供电或用电发生变化引起电路输出电压波动时,它都能及时地加以调节,使输出电压保持基本稳定,因此它被称做调整管。稳压管Dz为调整管提供基准电压,使调整管基极电位不变。R。是D2的保护电阻,限制通过D2的电流,起保护稳压管的作用。

电路稳压过程是这佯的:如果输人电压Us增大,使输出电压U。增大时,由于U.=U.固定不变,调整管基射集间电压Uo=U-U:将减小,基极电流I。随之减小,而管压降U.随之增大,从而抵消了Us增大的部分,使U。基本稳定。如果负载电流I。增大,使输出电压U。减小时,由于U。固定,U》将增大,U。减小,也同样地使U。基本稳定。

从上面分析中可以看到,调整管既象是一个自动的可变电阻:当输出电压增大时,它的“阻值”就增大,分担了大出来的电压;当输出电压减小时,它的“阻值”就减小,补足了小下去的电压。无论是哪种情况,都使电路保持输出一个稳定的电压。这种稳压电路也能输出较大的电流,而且输出电阻低,稳压性能好;电路也易于制作,但其也有输出电压不可调等缺点。

4、开关型稳压电路

散热器,体积和重量都大为减小,具有体积小,效率高的优点。这种开关型电路已在各种电子设备中获得广泛的应用。

开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种,在实际的应用中,调宽式使用得较多,在目前开发和使用的开关电源集成电路中,绝大多数也为脉宽调制型。

基于上述线性稳压电路的线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠,但它存在着效率低(只有30%-50%)、体积大、铜铁消耗量大,工作温度高及调整范围小等缺点。为解决线性型稳压电源功耗较大的缺点,研制了开关型稳压电源。开关稳压器的转换率可达60%~85%以上,而且可以省去工频变压器和巨大的开关式稳压电源的基本电路框图如图4所示。交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后,变成含有一定脉动成份的直流电压,该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波,最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。控制电路为一脉冲宽度调制器,它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化,制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例,以达到稳定输出电压的目的。

常用的实现开关控制的方法;有自激式开关稳压器、脉宽调制式开关稳压器和直流变换式开关稳压器等。开关型稳压电路体积小,转换效率高,但控制电路较复杂。随着自关断电力电子器件和电力集成电路的迅速发展,开关电源已得到越来越广泛的应用。

一款自激式稳压电源原理分析

自激式直流稳压源它具有体积小、重量轻、效率高、对电网电压及频率的变化适应性强、输出电压保持时间长、有利于计算机信息保护等优点,因而广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备,是当今电子信息产业飞一款自激式直流稳压电源原理分析。

开关电源工作原理

开关电源的工作原理如图1所示,输入电压为AC220v,50Hz 的交流电,经过滤波,再由整流桥整流后变为直流,通过控制电路中开关管的导通和截止使高频变压器的一次测产生低压高频电压,经由小功率高频变压器藕合到二次测,再经整流滤波,得到直流电压输出。为了使输出电压稳定,用了TL431取样,将误差经光耦合放大,通过PWM来控制开关管的导通与截止时间(即占空比),使得输出电压保持稳定。

开关电源的设计

开关电源电路图如图2所示。在此功率转换电路中,采用单端反激式变换器,单端是因为其高频变压器的磁芯只工作在第一象限。按变压器的副边开关整流器=极管的接线方式不同,单端变换器可分为两种:正激式与反激式。原边主功率开关管与副边整流管的开关状态相反(开关管导通时,副边的整流=极管截止)称为单端反激式。当原边加到高电平激励脉冲使Q1导通,直流输入高频变压器的原边两端,此时因副边是。上负下正,使整流=极管截止;当驱动脉冲为低电平使Q1截止,原边两端极性反向,使副边绕组两端变为上正下负,则整流二极管被正向导通,此后变压器副边的磁能向负载释放。因此单端反激式变换器只是在原边Q1导通时储存能量,当它截止时才向负载释放,故高频变压器在开关过程中,既起变压隔离作用,又是电感储能元件。

在交流电源的输入端接入的电磁干扰滤波器,由共模扼流圈L1、C2和C3构成,C2和C3的中点应接地,用来抑制共模干扰。C1用来滤波,滤除串模千扰,电容量较大。鉴于开关管BU508A在关断的瞬间,高频变压器的漏感会产生尖峰电压,利用C8、R3和D1组成钳位电路,C9的作用是滤除开关管集电极的尖峰电压,决定自动重启动频率,C9和R4一起对控制回路进行补偿,同时C9和R4还起原边快速复位的作用,能有效的保护开关管不被损坏。

1、开关电源的开关控制部分

开关电源其核心是开关控制部分,主要工作过程是通过图2中B点和C点电压的高低来控制主功率开关管Q1导通和截止的时间(即占空比的大小)。当Q1截止时A点为高电平,C5对Q1放电,使B点电位迅速提高,使开关管Q1基极电位高于发射极,因而Q1饱和导通,并对C5进行充电。而此时的电流为变压器原边电流与Q1导通时的电流之和,所以流经R5的电流值很大,C点电位升高,饱和导通使A点电位下降,Q1也就截止。

D2和D3作用是在Q1导通时,使C点电位不致很高,否则C5的放电时间过长,使Q1关断时间toff过大,而Q1导通时间ton保持不变,这样频率变低。若Q1导通时C点提升太高时,才将Q1变为截止,此时D2和D3正向导通,C点的电位降低,使得C5放电时间很短就能将使Vb》Vc,使toff也很小,因而可以使频率达到很高。

2、PWM调节部分

Q1导通时,绕组N2上正下负,C10吸收刚放电时的尖峰电压,防止二极管D10正向导通损坏,D10正向导通,使B点电位升高,从而使Q1更快饱和导通。同时Q2导通,再使Q3也导通,B点电压下降,原边线圈电流减小至截止。这时N2边为下正上负,D4和D5导通,Q4基极变为高电位,Q4导通,C点电位降低,截止时间变短,而TL431反馈电流使流入Q4基极的电流就会减小,C点电位就下降得慢,截止时间变长。Q1导通时,TL431反馈电流决定C点电位升高的快慢来达到稳压的目的。C12是用来保护Q3,在截止时反向峰值电压过高,而损坏Q3。反馈控制就是将取样电压与基准电压比较,转化为电流,再经电流放大来调节ton与toff来控制占空比从而达到稳压的目的。

R12是输出电压的最小负载,防止负载空载时电压太高,用于提高轻载时的电压调整率。C17可适当的降低误差放大器的高频增益。TL431的基准电压与输出电压Vo比较,在R14形成误差电压,从而使IC1的二极管产生不同的电流。R14是IC1二极管的限流电阻。误差放大的频率应由R13、R16、VR和C17诀定。由C14和R10构成的RC吸收网络,能消除高频自激振荡,减小射频干扰。

3、高频变换器部分

由于高频变压器原边在单位时间里提供的功率与ton的平方和频率成正比、与输入原边直流电压的平方成正比,与原边绕组匝数成反比,若不考虑变压器的消耗,由能量守恒可得变压器副边功率,即输出的功率与变压器副边匝数,以及负载无关,只由原边提供的功率决定。因此要得到不同的输出功率,就只有靠改变高频变压器原边的功率。改变ton对输出功率的影响最大,但受到磁通复位条件的限制不宜较大的改变,要改变输入原边的直流电压,只能改变前面电路的滤波电感与滤波电容等参数,还可以在前面加入一一个电位器,也能改变直流电压,而频率要受到功率开关管本身条件的限制。所以改变原边绕组匝数是一个比较好的方法,原边线圈绕组宽度不要太长,而将其分为多层,每一层的接入都用一个开关控制,需要不同的绕组匝数接入不同的开关就能很好的控制原边上的功率,从而得到不同的输出功率。但是,toff时间内要使高频变压器的原边磁通复位,在ton时间内要使其副边磁通复位,如果在开关工作周期结束时,磁通没有回到周期开始的起点,则变压器磁芯内的磁通就会逐渐增加,导致磁芯饱和而损坏功率开关管。要满足单端变换器的磁通复位条件,就要使Ton与Toff的时间适当,不能太长,否则使开关管的频率变低,同时与高频变压器原边与副边绕组的匝数有关。

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