稳压电路

6.3.1 稳压电路概述
1. 引起输出电压不稳定的原因
    引起输出电压变化的原因是负载电流的变化和输入电压的变化，参见图16.01。
    负载电流的变化会在整流电源的内阻上产生电压降，从而使输入电压发生变化。
    即

图16.01 稳压电源方框图

2. 稳压电路的技术指标
    用稳压电路的技术指标去衡量稳压电路性能的高低。 DV_I和DI_O引起的DV_O可用下式表示。

  ⑴.稳压系数S_r
    稳压系数的定义为
                     

  ⑵.电压调整率S_V
                     

    电压调整率是特指ΔV_I/V_I＝±10%时的S_r。
  ⑶.输出电阻R_o
                     

  ⑷.电流调整率S_I
    电流调整率S_I的定义是当输出电流从零变化到最大额定值时，输出电压的相对变化值。
                     

  ⑸.纹波抑制比S_rip
    S_rip定义为输入电压交流纹波峰峰值与输出电压交流纹波峰峰值之比的分贝数。
                     

  ⑹.输出电压的温度系数S_T
                     

    如果考虑温度对输出电压的影响, 则输出电压是输入电压、负载电流和温度的函数。
                     

6.3.2 硅稳压二极管稳压电路
1. 硅稳压二极管稳压电路的原理
    硅稳压二极管稳压电路的电路图如图16.02所示。它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳压的，由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。

图16.02 硅稳压二极管稳压电路

  ⑴. 当输入电压变化时如何稳压
    根据电路图可知
                   

                   

    输入电压V_I的增加，必然引起V_O的增加，即V_Z增加，从而使I_Z增加，I_R增加，使V_R增加，从而使输出电压V_O减小。这一稳压过程可概括如下：
       

          
    这里V_O减小应理解为，由于输入电压VI的增加，在稳压二极管的调节下，使V_O的增加没有那么大而已。V_O还是要增加一点的，这是一个有差调节系统。
  ⑵. 当负载电流变化时如何稳压
    负载电流I_O的增加，必然引起I_R的增加，即V_R增加，从而使V_Z＝V_O减小，I_Z减小。I_Z的减小必然使I_R减小，V_R减小，从而使输出电压＝V_O增加。这一稳压过程可概括如下：
      

2. 稳压电阻的计算
    稳压二极管稳压电路的稳压性能与稳压二极管击穿特性的动态电阻有关，与稳压电阻R 的阻值大小有关。稳压二极管的动态电阻越小，稳压电阻R 越大，稳压性能越好。
    稳压电阻R 的作用是将稳压二极管电流的变化转换为电压的变化，从而起到调节作用，同时R 也是限流电阻。显然，R 的数值越大，较小I_Z的变化就可引起足够大的V_R变化，就可达到足够的稳压效果。但R 的数值越大，就需要较大的输入电压V_I值，损耗就要加大。稳压电阻的计算如下。
    （1）当输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压二极管的电流最小。此时I_Z不应小于I_Zmin，由此计算出来稳压电阻的最大值，实际选用的稳压电阻应小于最大值。即

    （2）当输入电压最大，负载电流最小时，流过稳压二极管的电流最大。此时I_Z不应超过I_Zmax，由此可计算出来稳压电阻的最小值。即

    稳压二极管在使用时，一定要串入限流电阻，不能使它的功耗超过规定值，否则会造成损坏！

3. 基准源
    基准源一般是指击穿电压十分稳定，电压温度系数经过补偿了的稳压二极管。基准源也称为参考源。这种稳压二极管采用一种埋层工艺，稳压性能优良，有的还加有温度控制电路，使其温度系数可小到几个10^－6/℃。典型的基准源见下表。
         基准源

型号	稳定电压(V)	工作电流(mA)	电压温度系数(10^－^6/℃)
MC1403	2.5±1％	1.2	10～100
LM136/236/336	2.5 5.0	10 10	30 30
TL431	2.5～36	0.4～100	50
LM3999	±6.95±5％	10	5
AD2710K/L	10.000±1mV	10	2/1
MAX676    677    678	4.096±0.01％ 5.000±0.01％   10.000±0.01％	5 5 5	1 1 1

6.3.3 线性串联型稳压电源

稳压二极管的缺点是工作电流较小，稳定电压值不能连续调节。线性串联型稳压电源工作电流较大，输出电压一般可连续调节，稳压性能优越。目前这种稳压电源已经制成单片集成电路，广泛应用在各种电子仪器和电子电路之中。线性串联型稳压电源的缺点是损耗较大、效率低。

1. 线性串联型稳压电路的工作原理
  ⑴. 线性串联型稳压电源的构成
    线性串联型稳压电源的工作原理可以用图16.03加以说明。

图16.03 串联稳压电源示意图

    显然，V_O ＝ V_I － V_R，当V_I增加时，R 受控制而增加，使V_R增加，从而在一定程度上抵消了V_I增加对输出电压的影响。若负载电流I_L增加，R 受控制而减小，使V_R减小，从而在一定程度上抵消了因I_L增加，使V_I减小，对输出电压减小的影响。
    在实际电路中，可变电阻 R 是用一个三极管来替代的，控制基极电位，从而就控制了三极管的管压降V_CE，V_CE相当于V_R。要想输出电压稳定，必须按电压负反馈电路的模式来构成串联型稳压电路。典型的串联型稳压电路如图16.04所示。它由调整管、放大环节、比较环节、基准电压源几个部分组成。

图16.04 串联型稳压电路方框图

  ⑵. 线性串联型稳压电源的工作原理
    根据图16.04，分两种情况来加以讨论。
    1．输入电压变化，负载电流保持不变
    输入电压V_I的增加，必然会使输出电压V_O有所增加，输出电压经过取样电路取出一部分信号V_F与基准源电压V_REF比较，获得误差信号ΔV。误差信号经放大后，用V_O1去控制调整管的管压降V_CE增加，从而抵消输入电压增加的影响。
     

    2．负载电流变化，输入电压保持不变
    负载电流I_L的增加，必然会使输入电压V_I有所减小，输出电压V_O必然有所下降，经过取样电路取出一部分信号V_F与基准电压源V_REF比较，获得的误差信号使V_O1增加，从而使调整管的管压降V_CE下降，从而抵消因I_L增加使输入电压减小的影响。
     

    3．输出电压调节范围的计算
    根据图16.04可知
                     V_F≈V_REF
                    

    调节R2显然可以改变输出电压。

演示动画

2. 稳压电路的保护环节
    串联型稳压电源的内阻很小，如果输出端短路，则输出短路电流很大。同时输入电压将全部降落在调整管上，使调整管的功耗大大增加，调整管将因过损耗发热而损坏，为此必须对稳压电源的短路进行保护。过载也会造成损坏。
    保护的方法有反馈保护型和温度保护型两种。反馈保护型又分截流型和限流型两种，它们的保护特性如图16.05和图16.06所示。温度保护型是利用集成电路制造工艺，在调整管旁制作PN结温度传感器，当温度超标时，启动保护电路工作，工作原理与反馈保护型相同。

图16.05 截流型特性	图16.06 限流型特性

    截流型是当发生短路时，通过保护电路使调整管截止，从而限制了短路电流，使之接近为零。截流特性如图16.05所示。
    限流型是当发生短路时，通过电路中取样电阻的反馈作用，使输出电流得以限制。限流特性如图16.06所示。

3. 三端集成稳压器
  ⑴.概述
    将线性串联稳压电源和各种保护电路集成在一起就得到了集成稳压器。早期的集成稳压器外引线较多，现在的集成稳压器只有三个外引线：输入端、输出端和公共端。它的电路符号如图16.07所示，外形如图16.08所示。 要特别注意，不同型号，不同封装的集成稳压器,它们三个电极的位置是不同的，要查手册确定。

图16.07 集成稳压器符号	图16.08 外形图

  ⑵. 线性三端集成稳压器的分类
    三端集成稳压器有如下几种：
    1. 三端固定正输出集成稳压器，国标型号为 CW78－－/CW78M－－/CW78L－－
    2. 三端固定负输出集成稳压器，国标型号为 CW79－－/CW79M－－/CW79L－－
    3. 三端可调正输出集成稳压器，国标型号为
                                     CW117－－/CW117M－－/CW117L－－
                                     CW217－－/CW217M－－/CW217L－－
                                     CW317－－/CW317M－－/CW317L－－
    4. 三端可调负输出集成稳压器，国标型号为
                                     CW137－－/CW137M－－/CW137L－－
                                     CW237－－/CW237M－－CW237L－－
                                     CW337－－/CW337M－－/CW337L－－
    5. 三端低压差集成稳压器
    6. 大电流三端集成稳压器
    以上1－－为军品级；2－－为工业品级；3－－为民品级。
    军品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围－55℃～150℃；
    工业品级为金属外壳或陶瓷封装，工作温度范围－25℃～150℃；
    民品级多为塑料封装，工作温度范围0℃～125℃。
  ⑶.应用电路
    三端固定输出集成稳压器的典型应用电路如图16.09所示, 三端可调输出集成稳压器的典型应用电路如图16.10所示。

图16.09 三端固定输出稳压器应用电路	图16.10 三端可调输出稳压器应用电路

    可调输出三端集成稳压器的内部，在输出端和公共端之间是1.25V的参考源，因此输出电压可通过电位器调节。
               

  ⑷.利用三端集成稳压器组成恒流源
    三端集成稳压器可做恒流源使用，电路如图16.11和图16.12所示。

图16.11 稳压器作恒流源
(a)小电流恒流源	(b)大电流恒流源
图16.12 可调稳压器作恒流源电路

6.3.4 开关型稳压电源
 为解决线性稳压电源功耗较大的缺点，研制了开关型稳压电源。开关型稳压电源效率可达90%以上，造价低，体积小。现在开关型稳压电源已经比较成熟，广泛应用于各种电子电路之中。开关型稳压电源的缺点是纹波较大，用于小信号放大电路时，还应采用第二级稳压措施。

1. 开关型稳压电路的工作原理
    开关型稳压电源的原理可用图16.13的电路加以说明。它由调整管、滤波电路、比较器、三角波发生器、比较放大器和基准源等部分构成。

图16.13 开关型稳压电源原理图

    三角波发生器通过比较器产生一个方波v_B，去控制调整管的通断。当调整管导通时，向电感充电。当调整管截止时，必须给电感中的电流提供一个泄放通路。续流二极管 D 即可起到这个作用，有利于保护调整管。根据电路图的接线，当三角波的幅度小于比较放大器的输出时，比较器输出高电平，（输出波形中电位水平高于高电平最小值的部分，对方波而言，相当方波存在的部分）。对应调整管的导通时间为t_on；反之为低电平，（输出波形中电位水平低于低电平最大值的部分，对方波而言，相当方波不存在的部分）。对应调整管的截止时间为t_off 。
    为了稳定输出电压，应按电压负反馈方式引入反馈，以确定基准源和比较放大器的连线。设输出电压增加，FV_O增加，比较放大器的输出V_F减小，比较器方波输出t_off增加，调整管导通时间减小，输出电压下降。起到了稳压作用。
    各点波形见图16.14。由于调整管发射极输出为方波，有滤波电感的存在，使输出电流i_L为锯齿波，趋于平滑。输出则为带纹波的直流电压。
    忽略电感的直流电阻，输出电压V_O即为v_E的平均分量。于是有
                     

    q 称为占空比，方波高电平的时间占整个周期的百分比。在输入电压一定时，输出电压与占空比成正比，可以通过改变比较器输出方波的宽度（占空比）来控制输出电压值。这种控制方式称为脉冲宽度调制（PWM）。

图16.14 开关电源波形图

    由以上分析可以得出如下结论：
    1． 调整管工作在开关状态，功耗大大降低，电源效率大为提高；
    2． 调整管在开关状态下工作，为得到直流输出，必须在输出端加滤波器；
    3． 可通过脉冲宽度的控制方便地改变输出电压值；
    4． 在许多场合可以省去电源变压器；
    5． 由于开关频率较高，滤波电容和滤波电感的体积可大大减小。

2. 集成开关型稳压器
  ⑴.开关稳压电源概述
    集成开关稳压器，一般有两大类型。一类是包括调整管在内的集成开关稳压器;另一类称为开关电源控制器，它不包括调整管。开关电源控制器实际上就是一个脉冲宽度调制（PWM）控制器，经常也用于其它脉宽调制场合。
    典型的开关电源控制器和开关电源见下表。

型号	电源范围/V	最大输出电流/A	内部参考源/V	输出级形式
TL494 SG3524 SG3525 LM2575	7～40 8～35 8～35 3.5～35	0.2 0.1 0.5 1	5 5 5 1.23	推挽 推挽 推挽

    表中前三个是开关电源控制器，后一个是单片开关电源稳压器。
  ⑵.开关稳压电源控制器 SG3524
    利用开关电源控制器可以方便地构成开关电源。 SG3524是一个典型的性能优良的开关电源控制器，其内部的结构框图如图16.15所示。它的内部包括误差放大器、限流保护环节、比较器、振荡器、触发器、输出逻辑控制电路和输出三极管等环节。

图16.15 SG3524的内部方框图

    SG3524构成开关稳压电源的典型电路如图16.16所示。3524从11和14脚输出在时间上互相错开的两路控制信号，其开关频率由6和7脚外接的R₅和C₂决定。1和2脚是内部运算放大器的输入端，R₁和R₂构成反馈回路。16脚是基准源，由R₃和R₄给误差运算放大器提供一个与反馈信号比较的给定电压。V₃和V₄是或非门的输出，只要或非门的输入端有高电平，它的输出即为低电平。 V₃和V₄的输出由V₂、CP、Q 或 Q 决定。因 Q 和 Q 只能有一个是高电平，T2和T1不可能同时导通。T1和T2只能按推挽方式工作，轮流交替导通。

图16.16 开关稳压电源应用电路

    SG3524电路控制过程的波形如图16.17所示。锯齿波由振荡器提供，V₁是误差放大器的输出，它们一起加到比较器上。V₂是比较器的输出。振荡器输出的时钟驱动T'触发器，CP、Q 和V₂ 的或非是V₃，决定T1的通断。CP、Q 和V₂ 的或非是V₄，决定T2的通断。由于Q 和 Q  等宽，加上V₂的存在，所以V₃和V₄这两路信号之间有一定的死区，以保证T1和T2管不会同时导通。当V₁降低时，V₂加宽，T1和T2的宽度变窄，导通时间减小。反之，当V₁增加时，T1和T2的导通时间增加。

图16.17 SG3524的波形图

  ⑶. SG3524构成的开关稳压电源
    现在来讨论3524构成的开关稳压电源的工作原理，原理电路图如图16.16所示，内部结构如图16.15所示。设负载电流加大，V_o下降，反馈电压减小，误差放大器的输出V₁增加，T1和T2的导通时间增加，输出电压V_o增加。反之，当V_o增加时，反馈电压增加，V₁输出减小，T1和T2的导通时间减小，输出电压V_o减小。当三极管的电流过大时，电阻R₉上的压降增加到使限流运算放大器的输出为低，即V₁在大大下降，使T1和T2关断。SG3524的10脚也有保护功能，当10脚加高电平时，可以强迫V₁下降，T1和T2关断。10脚与4脚可实现双重保护。由于SG3524可在较高的频率下工作，T1和T2应选用高频开关管。变压器应采用高频变压器，滤波电感和滤波电容都可以选用较小的数值。