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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò) D2 的電流，起保護(hù)穩(wěn)壓管的作用。
電路穩(wěn)壓過(guò)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。基本穩(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。基本穩(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(lái)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(wú)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(kāi)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(kāi)關(guān)型電路已在各種電子設(shè)備中獲得廣泛的應(yīng)用。
開(kāi)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(kāi)發(fā)和使用的開(kāi)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(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源。開(kāi)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(kāi)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??？刂齐娐窞橐幻}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(kāi)關(guān)電源用集成電路?？刂齐娐酚脕?lái)調(diào)整高頻開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)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(kāi)關(guān)控制的方法;有自激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器、脈寬調(diào)制式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和直流變換式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器等。開(kāi)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(kāi)關(guān)電源已得到越來(lái)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(kāi)關(guān)電源工作原理
開(kāi)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(guò)濾波，再由整流橋整流后變?yōu)橹绷?，通過(guò)控制電路中開(kāi)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(guò) PWM 來(lái)控制開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)
開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)管與副邊整流管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)相反（開(kāi)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(kāi)關(guān)過(guò)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(lái)抑制共模干擾。C1 用來(lái)濾波，濾除串模千擾，電容量較大。鑒于開(kāi)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(kāi)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?gòu)?fù)位的作用，能有效的保護(hù)開(kāi)關(guān)管不被損壞。
1、開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)控制部分
開(kāi)關(guān)電源其核心是開(kāi)關(guān)控制部分，主要工作過(guò)程是通過(guò)圖 2 中 B 點(diǎn)和 C 點(diǎn)電壓的高低來(lái)控制主功率開(kāi)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(kāi)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(guò)長(zhǎng)，使 Q1 關(guān)斷時(shí)間 toff 過(guò)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?，此時(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)ǎ?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(lái)達(dá)到穩(wěn)壓的目的。C12 是用來(lái)保護(hù) Q3，在截止時(shí)反向峰值電壓過(guò)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(lái)調(diào)節(jié) ton 與 toff 來(lái)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(wú)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(kāi)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(kāi)關(guān)控制，需要不同的繞組匝數(shù)接入不同的開(kāi)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(kāi)關(guān)工作周期結(jié)束時(shí)，磁通沒(méi)有回到周期開(kāi)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(kāi)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(kāi)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)。
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