1、直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計與制作,直流穩(wěn)壓電源的組成及工作原理,串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路,開關(guān)式直流穩(wěn)壓電路,4,數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計與制作,第一節(jié) 直流穩(wěn)壓電源 的基本組成及工作原理,一、直流穩(wěn)壓電源的組成 二、直流電源各部分原理 三、直流穩(wěn)壓電源的性能指標(biāo),一、直流穩(wěn)壓電源的組成,直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路四部分組成。,VO,VI,功能,作用,交流電壓變換部分,將電網(wǎng)電壓變?yōu)樗璧慕涣麟妷?將直流電源與交流電網(wǎng)隔離,二、直流穩(wěn)壓電源各部分原理,電源變壓器,1、電源變壓器,電源變壓器,電源變壓器,仿真一：電源變壓器的基本特性 1、要求：電源變壓器：10：1，200V/50Hz

2、 負(fù)載電阻：100歐，示波器 2、仿真電路：,電源變壓器,2、整流部分,作用：將變換后的交流電壓轉(zhuǎn)換為單 方向的脈動電壓。 (ACDC) 說明： 1、單方向的脈動電壓存在很大脈動成 份，不能直接提供給負(fù)載。 2、脈動諧波成份紋波,整流電路,技術(shù)：二極管的單向?qū)щ娦噪娐沸问剑喊氩ㄕ?全波整流 橋式整流,整流電路,整流電路,1、電路圖：如圖所示，利用二極管的單向?qū)щ娦裕谪?fù)載電阻RL上得到單向脈動電壓VO,整流：利用二極管的單向?qū)щ娦?，把交流變成脈動的直流,2、電路特點：電路結(jié)構(gòu)簡單，輸出電壓波動較大、效率低,輸出的直流電壓值為:,整流電路,3、工作原理： U2為正半周： D管導(dǎo)通，有輸出電壓；

3、 U2為負(fù)半周： D管截止，無輸出電壓,輸出的直流電壓值為:,整流電路,仿真二：半波整流電路 1、要求：二極管（理想）1只 2、仿真電路：,整流電路,4、參數(shù)計算,（1）輸出的直流電壓值為:,（2）流過負(fù)載平均電流:,IDO= UO /RL=0.45U2/ RL,（3）流過整流二極管的平均電流:,IF= IDO =0.45U2/ RL,（4）整流二極管的最大反向電壓:,UDR=SQR（2）U2,整流電路,5、二極管的選擇： （1）D管的最大整流電流IF必須大于 實際流過二極管的平均電流IDO ： IF IDO =ULO/RL=0.45 U2/RL （2）D管的最大反向工作電壓UR必須 大于二極

4、管實際所承受的最大反 向峰值電壓URM UR URM =SQR（2） U2,整流電路,1、電路圖：如圖所示，二極管D1、 D2分別在V2的正、負(fù)半周導(dǎo)通，在RL上得到如圖所示電壓波形。,整流電路,2、電路特點：是輸出電壓波動小，變壓需中心抽頭，繞制復(fù)雜，成本高，笨重,整流電路,3、工作原理： 在U2正半周： D1導(dǎo)通、D2管截止，負(fù)載中有電流流過； 在U2負(fù)半周： D1截止、D2管導(dǎo)通，負(fù)載中有電流流過。,整流電路,仿真三：單相全波整流電路 1、要求：二極管（理想）2只 2、仿真電路：,整流電路,4、參數(shù)計算：,（1）輸出的直流電壓值為:,（2）流過負(fù)載平均電流:,IDO= UO /RL=0.

5、9U2/ RL,（3）流過整流二極管的平均電流:,IF= IDO /2=0.45U2/ RL,（4）整流二極管的最大反向電壓:,UDR=2SQR(2)U2,整流電路,5、二極管的選擇： （1）D管的最大整流電流IF必須大于 實際流過二極管的平均電流IDO ： IF IDO =ULO/RL=0.45 U2/RL （2）D管的最大反向工作電壓UR必須 大于二極管實際所承受的最大反 向峰值電壓URM UR URM =2SQR(2)U2,整流電路,1、電路圖：如圖所示，二極管D1、 D2 、D3、 D4四只二極管接成電橋的形式，名稱由此而來。,整流電路,2、工作原理： 在V2的正半周， D1、 D3導(dǎo)

6、通， D2、 D4截止， 通過D1、 D3給RL提供電流，方向由上向下（圖中虛線)； 在V2的負(fù)半周， D2、 D4導(dǎo)通， D1、 D3截止，通過D2、 D4給RL提供電流，方向仍然是由上向下（圖中虛線）由此得到圖示的整流波形,整流電路,3、波形圖,導(dǎo)通,導(dǎo)通,導(dǎo)通,導(dǎo)通,Vo的大小與全波整流電路相同，即:,整流電路,仿真四：橋式整流電路 1、要求：整流橋（理想）1只。 2、仿真電路：,整流電路,4、參數(shù)計算：,（1）輸出的直流電壓值為:,（2）流過負(fù)載平均電流:,IDO= UO /RL=0.9U2/ RL,（3）流過整流二極管的平均電流:,IF= IDO /2=0.45U2/ RL,（4）整

7、流二極管的最大反向電壓:,UDR= U2,整流電路,5、整流二極管的選擇： （1）D管的最大整流電流IF必須大于 實際流過二極管的平均電流IDO ： IF IDO =ULO/RL=0.45 U2/RL （2）D管的最大反向工作電壓UR必須 大于二極管實際所承受的最大反 向峰值電壓URM UR URM =SQR（2） U2,整流電路,3、濾波電路,作用：對整流電路輸出的脈動直流進 行平滑，使之成為含交變成份 很小的直流電壓。 說明： 1、濾波電路實際上是一個低通濾波器。 2、截止頻率低于整流輸出電壓的基波 頻率,濾波電路,電路形式：,一、電容濾波 二、電感濾波 三、 L型濾波電路 四、 型濾波電

8、路,濾波電路,（1）電容濾波電路,盡管整流后的電壓為直流電壓，但波動較大，仍然不能直接作為電源使用，還需進一步濾波，將其中的交流成份濾掉。濾波通常是采用電容或電感的能量存儲作用來實現(xiàn)的常用的濾波電路有電容濾波、電感濾波、倒L型濾波、型濾波等幾種。在小功率整流濾波電路中，電容濾波是最常用的一種，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，效果較好。本節(jié)中只介紹電容濾波電路。電感濾波電路主要用于大電路中，其他濾波電路自行分析。,濾波電路,電容濾波電路,（1）橋式整流、電容濾波電路如圖所示,1,電路組成：,濾波電路,（2）電容濾波的原理： 電容是一個能儲存電荷的元件。有了電荷，兩極板之間就有電壓UC=Q/C。在電容量不變時，

9、要改變兩端電壓就必須改變兩端電荷，而電荷改變的速度，取決于充放電時間常數(shù)。時間常數(shù)越大，電荷改變得越慢，則電壓變化也越慢，即交流分量越小，也就“濾除”了交流分量。,電容濾波電路,1,電路組成：,濾波電路,（1）負(fù)載未接入（開關(guān)S斷開）時：設(shè)電容兩端初始電壓為零，接入交流電源后，當(dāng)V2為正半周時， V2通過D1、 D3向電容C充電； V2為負(fù)半周時，經(jīng)D2、 D4向電容C充電。充電時間常數(shù)為：C=RintC,t,電容濾波電路,2,工作原理：,濾波電路,（1）其中Rint包括變壓器副繞組的直流電阻和二極管的正向電阻。由于Rint一般很小，電容器很快就充電到交流電壓V2的最大值V2 ，由于電容無放電

10、回路，故輸出電壓（電容C兩端的電壓)保持在V2不變。,電容濾波電路,2,工作原理：,濾波電路,電容濾波電路,2,工作原理：,（2）.1 接入負(fù)載RL（開關(guān)S合上）時：設(shè)變壓器副邊電壓V2從0開始上升時接入RL，由于電容已到V2 ，故剛接入負(fù)載時， V2 VC，二極管在反向電壓作用下而截止，電容C經(jīng)RL放電，放電時間常數(shù)為：d=RLC。因d一般較大，故電容兩端電壓Vc(即Vo)按指數(shù)規(guī)律慢下降（圖中a,b段）,濾波電路,電容濾波電路,2,工作原理：,（2）.2 當(dāng)V2升至V2VC時，二極管D1、 D3在正向電壓作用下而導(dǎo)通，此時V2經(jīng)D1、 D3一方面向RL提供電流，一方面向C充電（接入RL后充

11、電時間常數(shù)變?yōu)镃=RL/RintCRintC ）。VC將如圖中b、 c段所示,濾波電路,（2）.3 當(dāng)V2又降至V2VC時，二極管又截止，電容C又向RL放電，如圖中c 、d段所示.電容如此周而復(fù)始充放電，就得到了一個如圖所示的鋸齒波電壓Vo = VC ，由此可見輸出電壓的波動大大減小。,電容濾波電路,2,工作原理：,濾波電路,（2）.4 為了得到平滑的負(fù)載電壓，一般取 d=RLC(35)T/2 (T為交流電周期20ms) 此時：Vo = (1.11.2) V2,電容濾波電路,2,工作原理：,濾波電路,濾波電路,仿真五：電容濾波 1、要求：電容1000F 1只 2、仿真電路：,濾波電路,電容濾波

12、電路,3,電容濾波的特點,1、RLC越大，電容放電速度越慢，負(fù)載電壓中的紋波成份越小，負(fù)載平均電壓越高。為了得到平滑的輸出電壓，一般?。?RLC（35）T/2 (T交流電源電壓周期),濾波電路,2、RL越小，輸出電壓越小。 （1）當(dāng)C一定時， RL時，即空載： ULO=1.4U2 （2）當(dāng)C=0時，即無電容時： ULO=0.9U2 （3）一般情況下，ULO=（1.11.2)U2 3、電容濾波適用于負(fù)載電壓較高、負(fù)載變化不大的場合。,濾波電路,v1,D,vo,v2,Tr,RL,L,濾波電路,（2）電感濾波電路,1、電路圖,電感濾波電路,2、電感濾波的原理： 電感濾波是利用電感的儲能來減小輸出電壓

13、紋波的。當(dāng)電感中電流增大時，自電感電動勢的方向與原電流方向相反，自感電動勢阻礙電位增加的同時，也將能量儲存起來，使電流的變化減?。环粗?，當(dāng)電感中電流減少時，自感電動勢的作用阻礙電流的減少，同時釋放能量，使電流變化減小，因此，電流的變化小，電壓的紋波得到抑制。,濾波電路,3、電感濾波電路的幾點說明： 1、L越大、RL越小，輸出電壓紋波越?。?2、忽略電感內(nèi)阻， ULO=0.9U2 （理論值） 3、電感濾波適用于低電壓，大電流的場合,電感濾波電路,濾波電路,1、L型濾波電路,其它濾波電路,濾波電路,2、型濾波電路,其它濾波電路,濾波電路,4、穩(wěn)壓部分,作用：維持輸出直流電壓的基本穩(wěn)定。 說明： 1

14、、經(jīng)過濾波電路后的電壓的穩(wěn)定性比 較差。 2、電壓受溫度、負(fù)載、電網(wǎng)電壓波動 等因素的影響較大,穩(wěn)壓電路,一、穩(wěn)壓管電路組成（并聯(lián)穩(wěn)壓電路）： 1、電路圖： 2、說明： R限流電阻 Dz穩(wěn)壓二極管,穩(wěn)壓電路,仿真一：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 1、要求：穩(wěn)壓二極管（1N4740A，Uz=10V）1只 電阻R=100歐，電阻RL=1K 2、仿真電路：,四、R的取值范圍：（UImax-UZ)/IZmaxR(UImin-UZ)/(IZmin + UZ /RLmin) 注：一般情況下，在穩(wěn)壓管安全工作條件下，R應(yīng)盡可能小，從而使輸出電流范圍增大。,穩(wěn)壓電路,直流穩(wěn)壓電源的性能指標(biāo)：,1、最大輸出電流IOmax：

15、2、輸出電壓UO和電壓調(diào)節(jié)范圍： 3、保護特性： 4、效率： 5、過沖幅度：,穩(wěn)壓電源性能指標(biāo),二、質(zhì)量指標(biāo),1、輸入電壓調(diào)整因數(shù)Su和穩(wěn)壓系 數(shù)Sr： 2、輸出電阻Ro： 3、溫度系數(shù)ST：,穩(wěn)壓電源性能指標(biāo),串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路,直流穩(wěn)壓電源的組成及工作原理,開關(guān)式直流穩(wěn)壓電路,一、電路組成,串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路,串聯(lián)線性穩(wěn)壓電路如圖所示，它由四部分組成：調(diào)整電路、比較放大電路、基準(zhǔn)電壓和取樣電路。根據(jù)比較放大電路的不同，它可分兩種基本電路。一種是三極管組成比較放大器的穩(wěn)壓電路，另一種是由運放組成比較放大器的穩(wěn)壓電路。盡管電路不同，但工作原理是相同的。下面以運放為例分析其工作原理。,一、 電路

16、組成,串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路,集成運放作比較放大電路,串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路,vI,vo,+,+,_,R1,RL,R2,A,DZ,vREF,vF,R,vB,T,b,c,e,比較放大,調(diào)整,基準(zhǔn)電壓,取樣,二、工作原理,串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路,VO VF VB VO VCE IC,集成運放作比較放大電路：,VO VF VB VO VCE IC ,三、輸出電壓的計算,串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路,運放作比較放大電路：,單片集成穩(wěn)壓器,單片集成穩(wěn)壓器是把穩(wěn)壓電路的調(diào)整管、誤差放大器、取樣電路、啟動電路、保護電路等集成在一個芯片上的專用集成電路。 單片集成穩(wěn)壓器品種繁多，我們只介紹應(yīng)用最多、最簡單的一種：固定輸出的三端集成

17、穩(wěn)壓器。 固定輸出的三端穩(wěn)壓器有輸出正壓和輸出負(fù)壓兩在系列，分別用CW78和CW79表示,單片集成穩(wěn)壓器,它又分為CW78、CW78M和CW78L三類。 CW78表示輸出電流為1.5A； CW78M表示輸出電流為0.5A； CW78L表示輸出電流僅為0.1A。其中表示輸出的電壓值，實際有0.5、 0.6、0.8、12、15、20、24幾種規(guī)格，分別表示輸出電壓為5V、 6V、 8V、 12V、 15V、 20V和24V。 其外型封裝及接線圖如圖所示。,1,CW78系列(輸出正壓)：,1、 CW78系列(輸出正壓)：,單片集成穩(wěn)壓器,單片集成穩(wěn)壓器,CW79系列與CW78系列意義完全相同。所不同

18、的是輸出為負(fù)電壓。 其外型封裝及接線圖如圖所示。 要求：輸入電壓VI比輸出電壓VO高23V,2,CW79系列(輸出負(fù)壓)：,2、 CW79系列(輸出負(fù)壓)：,單片集成穩(wěn)壓器,開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和基本原理,開關(guān)電源工作原理,通過高頻開關(guān)技術(shù)將輸入的較高的交流電壓(AC)轉(zhuǎn)換為PC電腦工作所需要的較低的直流電壓(DC),開關(guān)電源的中心思想：用提高工作頻率等手段來提高電源的功率密度，進而達(dá)到減少變壓器的體積和重量的目的。采用開關(guān)變換的顯著優(yōu)點是大大提高了電能的轉(zhuǎn)換效率，典型的PC電源效率為70%-75%，而相應(yīng)的線性穩(wěn)壓電源的效率僅有50%左右。,輸出電壓的穩(wěn)定則是依賴對脈沖寬度的改變來實現(xiàn)，這就叫做脈

19、寬調(diào)制PWM。,開關(guān)電源工作流程,當(dāng)市電進入電源后，先經(jīng)過扼流線圈和電容濾波去除高頻雜波和干擾信號，然后經(jīng)過整流和濾波得到高壓直流電。,接著通過開關(guān)電路把直流電轉(zhuǎn)為高頻脈動直流電，再送高頻開關(guān)變壓器降壓。,然后濾除高頻交流部分，這樣最后輸出供電腦使用相對純凈的低壓直流電。,框圖,一個典型的半橋式開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)流程圖,EMI器件,功率輸出,PWM,主變壓器,整流濾波,驅(qū)動變壓器,開關(guān)管,AC輸入,SB器件,輔助變壓器,SB輸出,取樣,供電,控制,VCC,常用元器件性能及主要參數(shù)介紹,電阻 電容 電感 二極管 三極管 變壓器 比較器 PWM控制器,電路圖,一個典型的電路圖,開關(guān)電源原理示意圖,1經(jīng)

20、過了EMI濾波電路以及PFC電路的交流電波形,2整流濾波電路后的波形輸出,3從高壓濾波電容出來的電壓波形,4經(jīng)過開關(guān)管后的波形,5經(jīng)過變壓后的波形,6低壓整流后的波形,7終于得到了最終需要的電壓,抗干擾電路（EMI） 由一個線圈和兩個電容組成，通常有兩級EMI。 功能：濾除由電網(wǎng)進來的各種干擾信號，防止電源開關(guān)電路形成的高頻擾竄電網(wǎng)。,抗干擾電路（EMI） 整流濾波電路 開關(guān)電路 PFC電路 保護電路,電路結(jié)構(gòu),PFC電路 PFC（Power Factor Correction）即“功率因數(shù)校正”，主要用來表征電子產(chǎn)品對電能的利用效率。功率因數(shù)越高，說明電能的利用效率越高。通過CCC認(rèn)證的電腦

21、電源，都必須增加PFC電路。 PC電源采用傳統(tǒng)的橋式整流、電容濾波電路會使AC輸入電流產(chǎn)生嚴(yán)重的波形畸變，向電網(wǎng)注入大量的高次諧波，因此網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)不高，僅有0.6左右，并對電網(wǎng)和其它電氣設(shè)備造成嚴(yán)重諧波污染與干擾。PFC有兩種，一種是無源PFC（也稱被動式PFC），一種是有源PFC（也稱主動式PFC）。,無源PFC 無源PFC一般采用電感補償方法，通過使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來提高功率因數(shù)，但無源PFC的功率因數(shù)不是很高，只能達(dá)到0.70.8。 位置在第二層濾波之后，全橋整流電路之前。,有源PFC 輸入電壓可以從90V到270V； 高于0.99的線路功率因數(shù)，并具有低損耗和

22、高可靠等優(yōu)點； 有源PFC電路可用作輔助電源，而不再需要輔助電源變壓器； 輸出不隨輸入電壓波動變化，因此可獲得高度穩(wěn)定的輸出電壓； 有源PFC輸出DC電壓紋波很小，且呈100Hz/120Hz（工頻2倍）的正弦波，因此采用有源PFC的電源不需要采用很大容量的濾波電容。,EMI電路,整流濾波電路 高壓整流濾波電路由一個全橋（由四個二極管組成）和兩個高壓電解電容組成。把220V交流市電轉(zhuǎn)換成300V直流電。 低壓整流濾波電路由二極管和電解電容組成(12V使用快恢復(fù)管，5V和3.3V使用肖特基管 )，如圖。,關(guān)鍵元件：輔助電源開關(guān)管、輔助電源變壓器、三端穩(wěn)壓器 300V直流電通過輔助電源開關(guān)管成為脈沖電流，通過輔助電源變壓器輸出二組交流電壓，一路經(jīng)整流 、三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，輸出+5VSB，加到主板上作為待機電壓；另一路經(jīng)整流濾波，輸出輔助+12V電源，供給PWM等芯片工作。,輔助電源電路,開關(guān)電路核心部分 關(guān)鍵元件：PS-ON、精密穩(wěn)壓電路 、 PWM 控制芯片、推動管（由兩個三極管組成）、驅(qū)動變壓器、主開關(guān)變壓器 原理：由推動管和PWM （Pulse Width Modulation）控制芯片構(gòu)成振蕩電路，產(chǎn)生高頻脈沖 待機時，主板啟閉控制電路的電子開關(guān)斷開， PWM 控制