1、电源基础知识电源基础知识目 录1：整流与滤波 .32：并联稳压电路 .203：串联稳压电路 .314：集成稳压电路 445：BUCK电路 .516：BOOST电路 .617：反激变换器 718：正激变换器 84整流与滤波1：直流稳压电源的构成：直流稳压电源的构成：2：基本概念：基本概念：交流电压（电流）：交流电压（电流）：幅值与方向均随时间作周期性变化的交流电压（电流）。整流与滤波有效值：有效值：与交流电压（电流）热等效的直流电压（电流）直称为该交流电压（电流）的有效值。峰峰 值：值：交流电压（电流）所达到的最大瞬时值。频频 率：率：交流电压（电流）每秒做周期性变化的次数。正弦交流电压（电流）
2、：正弦交流电压（电流）：幅值与方向均随时间作正弦周期性变化的交流电压（电流）称为正弦交流电压（电流）。我们常说的交流电就是正弦交流电压或电流的简略称呼。直流电压（电流）：直流电压（电流）：数值大小与方向均不随时间变化的电压（电流）称为直流电压（电流），实际上，方向安全可以保证不随时间而变化,但数值不可能做到一直恒定，因此，对于方向不变、数值随时间而变的交流电压（电流）可以用一个直流电压（电流）与一个幅值、方向随时间变化的交流电压（电流）叠加。整流与滤波tRUiLosin220oiLLRURU2245.023：半波整流半波整流半波整流的电路图及波形图见右图平均值：平均值：0：2：ttdRUILA
3、Vsin22102)(02)(0)(045.0URIULAVAVT2 2 0 V/5 0 HzD 1R ou2+-Uo变比：，据此选择适当的N1、N2，可以以获得所需的输出电压。整流与滤波LLrmsRUtdtRUI22022)(022)sin2(212)(022UUrms有效值：有效值：变压器：变压器：022122UUUUNNninin整流与滤波tRUiLaosin224：全波整流全波整流全波整流的电路图及波形见下图、右图平均值：平均值：0：2：tRUiLaosin22220V/50HzD1D2Ro+-UoTu2au2b变比：，据此选择适当的N1、N2a（N2b）可以获得所需的输出电压。整流与
4、滤波LarmsRUI2)(0armsUU2)(00221UUUUNNninaina有效值：有效值：变压器：变压器：原边匝数为：N1，副边匝数为：N2a=N2b。LaLaRURUI2209.022aLAVAVURIU2)(0)(09.0整流与滤波tRUiLosin225：桥式整流桥式整流桥式整流的电路图及波形见下图和右图平均值：平均值：0：2：tRUiLosin22TBG220V/50HzRo+-Uou2变比：，据此选择适当的N1、N2可以获得所需的输出电压。整流与滤波LrmsRUI2)(02)(0UUrms0221UUUUNNninin有效值：有效值：变压器：变压器：原边匝数为：N1，副边匝数
5、为：N2。LLRURUI2209.0222)(0)(09.0 URIULAVAVab：，电容C按正 弦波进行充电。bc：，电容C按指数曲线进行放电，但u2的正弦波基本重和。cd：，电容C继续按指数曲线进行放电，u2继续按正弦波下降。整流与滤波02uuuc02uuuc6：电容滤波电容滤波电容滤波电路图及波形见右图滤波原理：滤波原理：02uuucTBG220V/50HzCRo+-UoIo定义：（静态），（动态）基本方程：整流与滤波abUQCabUQC RL与C对滤波的影响见右图电容基本知识：电容基本知识：+-+Q-QABdttduCtiab)()(其中 为时间常数整流与滤波RC)1()(tCeEt
6、utCCeUtu0)(电容充电：电容充电：电容放电：电容放电：teREti)(teIti0)(其中 为时间常数电流初始值RCRUIC 00ESWCREIc3RCR5%tERIcSWCRUc3RCUco5%tUcoIc+-Uc当取 时，将滤波后的电压波形线性化处理后，可得到如下的近似波形：整流与滤波)41(220CRTUULavCRTUUUL2/max0min0max0输出电压：输出电压：25TCRL依据相似三角形的关系，而22min0max0max0min0max00UUUUUUav故202.115.1UUav电容滤波电路中整流二极管的电流及导通角见右下图：整流与滤波整流二极管：整流二极管：其
7、中iD为整流二极管的电流导通时的电流。其中io为负载中的电流。电感滤波的定量分析比较复杂，可借用电容滤波的分析结果：当取 时，从能量的角度看，电感滤波与电容滤波的效果是一样的，故电感滤波外特性曲线与电容滤波外特性曲线相似，见右图。整流与滤波25TRLL7：电感滤波电感滤波在大电流负载时，如果用电容滤波，则电容容量要很大，且整流管的冲击电流也非常大，在这情况下，整流后串入一个工频电感进行滤波就能很好解决这些问题，电感滤波的电路及外特性波形见右下图：TBG220V/50HzRo+-UoIoL200.1 UUav定义：（静态）（动态）整流与滤波ILILdttdiLuL)(采用电感滤波，电感的端电压、
8、电流的波形及整流二极管的导通角见右图，因电感与整流二极管的串联，故整流二极管的导通角可以达到180o。所以，在谐波要求不高的场合，我们可以用电感滤波来达到PFC方面的要求。电感基本概念：电感基本概念：基本方程：221LIWL21.1 UIo整流二极管电流的波形电感电流波形电感电压波形其中 为时间常数，初始电压整流与滤波RtituRL)()(0)()(ItitiLRdttdiLtuLL)()(电感存储能量：开关闭合后：依据初始条件，解得：，)1()(0tLeItitLeUtu0)(00RIU RLLRSWIIRL+-ULIo3L/RUo5%UotULIotIL95%Io3L/R其中 为时间常数，
9、初始电压整流与滤波RtituRL)()()()(titiLRdttdiLtuLL)()(电感释放能量：开关断开后：依据初始条件，解得：，tLeIti0)(tLeUtu0)(00RIU RLLRIIRL+-ULIoSW3L/R5%IotIoIL3L/R5%UotUoUL并联稳压电路ORCUUU1：稳压管稳压电路：稳压管稳压电路：基本方程：，OZRIII稳压二极管：关键参数：稳定电压Uz：稳定电流Iz：最大稳定电流Izmax：最小稳定电流Izmin：动态电阻rz：温度系数：TBG220V/50HzCDzRRo+-UoIzIoIR+-Uc并联稳压电路zzOzOzinorRrRrRRrUU/)(zLr
10、R oinzzoininorUUrRrUUUUS等效电路一：稳压系数：稳压原理：Uc上升所致 UoIzIRURUo，削减了Uo的上升幅度。稳压系数：负载恒定，输出电压Uo相对变化量与输入电压Uin相对变化量的比值。zUcUcUzrRozUcrRoRR+-Uo并联稳压电路)(zrR输出电阻：等效电路二：zzOOrrRr/稳压原理：Ro减小所致 UoIzIRURUo，削减了Uo的下降幅度。稳压系数：输入电压恒定，输出电压Uo的变化量与输出电流Io的变化量比值。zUoUcUzrRozrRRUo由 求得：并联稳压电路oZUUoinUU)32(输入电压Uin：参数选取：稳压管的选择：电阻R的选择：max
11、minminmaxozoinIIUUR)(5.1minmaxminmaxoozzIIIIminmaxmaxminzooinIIRUU由 求得：minmaxmaxminozoinIIUURmaxminminmaxzooinIIRUUUz=5V时的温度系数大约是0.03，Uz=10V时的温度系数大约是0.07，Uz=20V的温度系数更高，达到0.9，所以，如对温度系数有较高的要求，需要高压稳压管可用几个低压稳压管串联。电阻R选：，取R=220。并联稳压电路稳压管选：MMBZ5233B。230maxminminmaxozoinIIUUR当Uin=15V时，Iz在1631mA范围内，损耗功率在9618
12、3mW范围内。190minmaxmaxminozoinIIUURVz=6V，Iz=20mA，Izmax=38mA，Iz=1mA，rz=7,=0.038%=0.038%。稳压系数：Sr=0.077。输出电阻：ro=6.7。Uin=1218V，Io=1025mA，Uo=6V。实际例子：并联稳压电路并联稳压电路2：并联稳压电路：并联稳压电路：并联稳压电路图见下图：二极管稳压电路的根本性缺欠是：稳压二极管的功率比较小，即Iz比较小且IzminIzmax范围比较小，只能适应Io比较小且Io变化比较小的场合，另外rz也较大，影响了动态的稳压精度。一：从图中可以看出，稳压管Dz、三极管Q和电阻R2组成扩流电
13、路，扩大了电流的调控范围，可以达到0.5A以上。DzR1R2QRo+-Uin+-UoIcIoIz二：三极管Q的静态工作点的设定是并联稳压电路的关键点，必须。并联稳压电路并联稳压电路三：当三极管Q处于放大状态时，从其输出特性曲线上可以看出，三极管放大区的曲线都很平，故c-e间的动态电阻rce是很小的，大多数三极管的动态电阻rce都能达到10-4，即rce为毫欧级。四：因效率等方面的因素，并联稳压电路很少使用，特别是输出电流较大的场合。Q 2Q3U refQ 1U iII1I2I3其中 为UBE3的温度系数，为负值。稳压机理有齐纳或雪崩击穿稳压改为半导体材料的能带间隙稳压。并联稳压电路并联稳压电路
14、1232lnRRURRTUUTgoref3：并联集成稳压电路：并联集成稳压电路：基准电压电路：二极管稳压电路的另一个根本性缺欠是：稳压二极管的Uz离散性大、rz较大、温度系数较大，因此开发了集成型的并联稳压电路，解决了这两个方面的问题。推出：显然，Ugo与温度完全无关，所以，Uref的准确度高、一致性好，温度系数低。Ego为热力学零度时破坏Si晶体共价键所需的能量，又称禁带宽度，为1.205eV。通过调节R1、R2、R3，可使：并联稳压电路并联稳压电路gorefUUTqkUTk为玻耳兹曼常数，q为电子的电量，均与温度无关，故UT与温度成正比例。故：1232lnRRURRTTUgo=Ego/q=
15、1.205V，禁带宽度电压值，简称为能带间隙电压。UKA：2.536VIKA：1100mAUref：2.5VIR：4uAZKA：0.5Uo：2.535V从TL431的原理图上可以看出，TL431就是一个集成的并联稳压电路，其中2.5V的基准是能带间隙稳压基准基准源，输出端是处于放大状态的三极管。并联稳压电路并联稳压电路TL431：主要参数：TL431应用之一：并联稳压电路并联稳压电路TL431应用之二：Ro+-Uin+-Uo213R1R2R3R o+-U in+-U o213R串联稳压电路串联稳压电路1：串联稳压原理：串联稳压原理：并联稳压的实质是：电阻R不变，通过调节电阻R中电流IR的大小，
16、确保输出电压Uo稳定。DzRRo+-UoIzIoIR+-Uin串联稳压的思路是：通过调控电阻R的大小，而不改变其电流IR的大小，确保输出电压Uo稳定。Ro+-UoIo+-UinRRo+-UoIo+-UinQ对于可调控的电阻R，我们可以利用三极管的rce受基极电流IB控制的特点，用三极管Q来承担，只要能根据输出电压Uo的变化反馈（负反馈）一个基极电流IB的变化，就能稳定输出电压Uo。稳压过程：Uin上升所致UoUDzIzIBRceURUo，削减了Uo的上升幅度。串联稳压电路串联稳压电路oinzUURrSr串联稳压电路：Ro+-UoIoUinQDzR+-稳压过程：Ro减小所致 UoUDzIzIBR
17、ceURUo，削减了Uo的下降幅度。稳压系数：输出电阻：bezorrr稳压过程：UC上升所致UoUDzIzIBRceURUo，削减了Uo的上升幅度。串联稳压电路串联稳压电路oinzUURrSr稳压过程：Ro减小所致 UoUDzIzIBRceURUo，削减了Uo的下降幅度。稳压系数：输出电阻：bezorrr2：串联稳压电路：串联稳压电路：TBGC1470u+-UcRo+-UoIoQDzR200RC2100u220V/50Hzu2u1Uo=6V，Io=50mA，u1=220V15%。串联稳压电路串联稳压电路调整管Q的c-e间最大电压16.8V，外加一些振荡尖峰及40%的降额，调整管Q的Icmax=
18、50mA，故选用SOT-89封装的FCX619（Vceo=50V，Ic=2.75A，Ptot=2W）做调整管，可见电压、电流都能满足。串联稳压电路实例：调整管Q在Ucmin时不能处于饱和状态，既Ucmin-UoVces，取Vces=2.5V，则Ucmin=8.5V。根据P14电容滤波的结论，在Ucmin=8.5V时，u2=7.4V，外加整流桥上的两个二极管的管压降2.2V，取u2=9.6V，故工频变压器按匝比19:1，5W来选取。在u2max=253V时，整流桥上的二极管所承受的反向电压最大，达到358V，外加40%的降额，整流桥BG选用DF-S封装的DF06S（VRRM=600V，Io=1A
19、，VF=1.1V），电压、电流都有充足余量。串联稳压电路串联稳压电路稳压管选用SOT-23封装的MMBZ5235B（Vz=6.8V，Izmax=50mA，Pd=350mW）。在Io=0，u2max=253V时，稳压管中的Iz50mA，故R220。在Io=50mA，u2min=187V时，要保证稳压管Dz电流Iz1.5mA，调整管 Q的基极电流Ib0.25mA（因调整管的hFE200，IC=10200mA），故R1k。先选定R=470。额定输入时稳压管中的Iz9.5mA。Uo=Uz-Vbe，要想获得6V的输出电压，必须针对Vbe调节Uz，Uz会随同Iz的增加而上升，在R的许可范围内，改变R的阻值
20、，适当调节Iz的大小，微调Uz，使Uo=6V。在u2max=253V时，调整管Q的功率Pmax0.53W，故FCX619的Ptot=2W是有充足余量的。但要注意：Ptot=2W的条件是PCB板不能小于40400.8。串联稳压电路串联稳压电路根据P14电容滤波所述，输入电容C1越大，Uc越高，u2min=187V时的Ucmin也越高，对保证稳压管Dz电流Iz在稳压工作范围有利。Uc越高，调整管Q的功率损耗也越大，效率也就越低。所以，在保证调整管Q处于线性放大区、稳压管Dz处于稳压工作区的条件下，输入电容C1要尽量小。据此估算，输入电容C1330uF，在考虑容量偏差、温度变化等因素之后，输入电容C
21、1选用470uF/35V的电解电容。输出电容C2主要作用是滤波，与输出纹波、保持时间等要求有关，但不是越大越好，因为输出电容C2越大，输出的脉冲特性越差。在此，先选用100uF/16V的电解电容。如对高频干扰噪声有更为严格的要求，可在输出电容C2上并联贴片的陶瓷电容，如0805的0.11u/10V的电容。Ro+-UoIoUinQ1DzR4+-Q2R3R1R2串联稳压电路串联稳压电路oinUUnKSr211214nKrRrbeo稳压过程：Ro减小所致 UoUbe2IC2IB1 rce1 Uce1Uo，削减了Uo的下降幅度。稳压系数：输出电阻：3：具有放大环节的串联稳压电路：具有放大环节的串联稳压
22、电路：其中：，212RRRn242zrRK（电压放大倍数）稳压过程：Uin上升所致UoUbe2IC2IB1rce1Uce1Uo，削减了Uo的上升幅度。结果是：稳压系数减小了n倍，输出电阻减小了nK2倍。串联稳压电路串联稳压电路调 整 管比较放大基准电源采样电路+-UinUoUinUon UoK2n Uo使用运放进行放大的串联稳压电路简图见右图。具有放大环节的串联稳压电路方框图见右图。Ro+-UoIoUinQ1DzR3+-R1R223148U串联稳压电路串联稳压电路限流型过流保护电路：串联稳压电路除了能完成功率的传输外，还应有完善的自我保护功能，特别是对其核心器件：调整管，必须要有保护措施。保护
23、功能包括过流保护和过压保护，保护调整管不会因过流而烧坏，也不会因过压而击穿。4：保护电路：保护电路：过流保护电路：能够在输出电流超过额定值时，限制调整管电流在一个数值或使之迅速减小，从而保护调整管不会因电流过大而烧坏。Q1Q2RsUin+Uo+来自比较放大电路限流型过流保护电路的外特性曲线：限流型过流保护电路的缺点：保护电路起作用时，调整管仍回有较大的工作电流，功率损耗比较大，对中大功率电路不适合。UUoIoIomax正常工作时，Uon为Q2的b-e间开启电压。当输出电流增大到 时，Q2导通，Q1的基极电流Ib1联被分流，Ib1不在继续增加，输出电流也将维持在Iomax。串联稳压电路串联稳压电
24、路onsobeURIU2onsobeURIUmax2sonRUImax输出电流也将维持在：正常工作时，Uon为Q2的b-e间开启电压。当输出电流增大到 时，Q2导通，Q1的基极电流Ib1被分流，此时输出电流达到Iomax。Q1Q2RsUin+Uo+来自比较放大电路R1Uin-Uo-R2Ib1被分流，Ib1IoUoUbe2IB1，直至Uo=0，Uo，此时输出电流为：串联稳压电路串联稳压电路212RRRkoosobeUURIkU)(2onsobeURIU2减流型过流保护电路：其中onsobeURIUmax2sonoonRUUnI)1(maxsononRUI UUoIoIoIomax截流型过流保护是
25、在减流型过流保护电路基础上改进的，工作原理完全相同。保护电路动作后，当输出电压降到Uo时，稳压管Dz被击穿，Q2进入饱和导通，Q1迅速进入截止，输出电流Io迅速降为0。串联稳压电路串联稳压电路截流型过流保护电路：Q1Q2RsUin+Uo+来自比较放大电路R1Uin-Uo-R2R3DzCUUoIoIoIomaxUo截流型过流保护电路外特性曲线：调整管截止时的过压击穿问题，只能通过选取UBRCEO更高的型号来解决。串联稳压电路串联稳压电路过压保护电路：正常工作时，调整管过压保护问题实质上是调整管过功率保护的问题，通过调整稳压管Dz 的Uz，可以控制调整管的Uce，确保调整管的功耗在允许的范围内，保
26、证调整管的运行安全。Q1Q2RsUin+Uo+来自比较放大电路R1Uin-Uo-R2DzC右图是在限流型过流保护电路基础上增加了过压保护功能的电路图：集成稳压电路集成稳压电路将串联稳压电路予以集成化，且只引出三个引脚，分别为输入端、输出端、公共端，就是我们常用的三端稳压器。按功能划分，可分为固定式集成稳压器（如uA7800系列）和可调式集成稳压器（如LM317）。1：7800系列：系列：右图是固定式集成稳压器的电路图（uA7800系列）：简略分析，可以看出，用达林顿复合管作为调整管，用能带间隙稳压源作为基准源，比较放大用共集-共射放大电路，过流、过功率、过温等保护功能。集成稳压电路集成稳压电路
27、7800系列的输出电压有5V、8V、10V、12V、15V、24V等，输出电流有0.5A、1A、1.5A，封装有TO-220、TO-263、PowerFLEX（封装不同，热阻不等，允许的功率也不相同），还有很多指标要确认，所以，使用之前一定要认真阅读规格书，切忌切忌。7800系列基本应用：C1：输入去藕电容，用于消除输入端高频振荡。C2：输出去藕电容，用于消除输出端高频振荡。D1：保护二极管，给电容C2提供放电通路。uA7800C1C2RoD1+-+-UoUinuA7800C1C2Ro+-+-UoUinQR1DC3三极管基极电流：，其中 输出电流 。Q：扩充输出电流的三极管，D：平衡二极管，用
28、于平衡三极管的Ube，C3：用于消除公共端振荡，稳定公共端电压，R1：控制输出电流的数值，但实用价值不大。集成稳压电路集成稳压电路ROBIIImaxmax1RUIOR扩流稳压电路：)(1(maxmaxROLIII输出电压范围：其中 为三端稳压器的输出电压U：运放，作为电压跟随器使用。R1、R2、R3：输出电压采样电阻。集成稳压电路集成稳压电路132121311oooURRRRUURRRRRoU可调稳压电路：uA7800C1C2Ro+-+-UoUinR3R1R223148U集成稳压电路集成稳压电路2：LM317：右图是可调式集成稳压器LM317的方框图：从方框图可以看出，与7800系列构成是类同
29、的，仍是用达林顿复合管作为调整管，用能带间隙稳压源作为基准源，比较放大用共集-共射放大电路，过流、过功率、过温等保护功能。与7800系列的不同点是：采用特殊的电路架构，使调整端的输出电流很小，只有50uA，而7800系列的静态电流则有5mA。集成稳压电路集成稳压电路LM317的输出电压可调，但输出电流还是有0.5A、1A、1.5A之分，封装还有SOT-223、TO-220、TO-263之分，所以，使用之前一定要认真阅读规格书，切忌切忌。LM317基本应用：C1：输入去藕电容，用于消除输入端高频振荡。C2：输出去藕电容，用于消除输出端高频振荡。D1：保护二极管，给电容C2提供放电通路。Uo：LM317输出的基准电压，Uref=1.25V。LM317C1C2RoD1+-+-Uo=1.25VUin集成稳压电路集成稳压电路LM317典型应用：R1、R2用于调控输出电压，输出电压为：LM317C1C2RoD1+-+-UoUinR2R1D2C3D1：保护二极管，给电容C3提供放电通路，D2：保护二极管，给电容C2提供放电通路。C2：用于消除调整端振荡，稳定调整端电压。refoURRU)1(12
