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1、,第七章,7.5开关式稳压电路,7.5.1概述,功率半导体作为开关元件，通过周期性通断，控制开关元件的占空比调整输出电压。DC/DC变换器是开关电源核心，完成功率转换，还包括启动电路，滤波器，过流或过压保护电路等组成，R1和R2为取样电路，检测输出Uo变化，与基准电压Uref比较，进行误差放大，PWM(脉宽调制），进一步通过驱动器控制功率开关器件的通断时间占空比（=Ton/T），从而调整输出电压的大小（Uo=UI）。,图 7.18开关稳压电源的组成框图,一、基本构成,一次整流,滤波,AC220V,UI,变换器,二次整流 平滑,DC/DC变换器,Uo,驱动器,PWM,比较放大,R1,R2,取样电
2、阻,控制电路,Uref,第七章,功率半导体作为开关元件，通过周期性通断，控制开关元件的占空比调整输出电压。DC/DC变换器是开关电源核心，完成功率转换，还包括启动电路，滤波器，过流或过压保护电路等组成，R1和R2为取样电路，检测输出Uo变化，与基准电压Uref比较，进行误差放大，PWM(脉宽调制），进一步通过驱动器控制功率开关器件的通断时间占空比（=Ton/T），从而调整输出电压的大小（Uo=UI）。,二、开关稳压电源的特点,功耗小，效率高,开关稳压电源调整管工作在开关状态，导通时，压降接近零，截止时，通过的电流为零，导通到截止或截止到导通，转换速度快，过渡过程短，所以功耗低，因此电源效率得到
3、大幅度提高。,体积小，重量轻。,省去工频变压器，所以体积小，重量轻。,稳压范围宽。,第七章,输出电压由占空比调节，受输入电压影响小，稳压范围宽。,安全可靠,开关稳压电源设有自动保护电路，稳压电路或者负载短路时，自动切换电源，保护功能灵敏可靠。,干扰较大,开关稳压电源工作在开关状态，开关频率很高，滤波电容的容量可以大大减小。,第七章,滤波电容容量小,开关稳压电源工作在开关状态，交变电压或电流会通过开关调整管，整流管，高频变压器等，容易产生尖峰干扰和调波干扰。,二、开关稳压电源的分类,按所用开关器件分类,功率晶体管，可控硅，功率MOSFET（金属氧化层半导体场效应）管，IGBT（绝缘栅双机晶体管）
4、等。,第七章,按储能元件和开关功率管的关系,串联和并联两种方式。,按开关元器件的激励方式,自激和它激两种方式。开关管完成开关转换，也参与震荡，是自激式开关电源；它激式开关管仅完成开关转换。,按稳压控制方式,按输出直流电压大小可以分升压式和降压式。,脉冲宽度调制方式（PWM）：电源输出正比于开关管导通时间Ton，反比于开关脉冲周期T，稳压过程是：通过取样比较，将误差值放大后制Ton或者T，即改变占空比，控制输出Uon，达到稳压目的；脉冲频率调制方式（PFM)：通过反馈控制开关脉冲频率，将输出电压变化取样比较，将误差值放大后控制开关脉冲周期，是输出电压稳定；PWM和PFM混合式。,第七章,按开关管
5、连接方式,单端式,推挽式,半桥式,全桥式,按隔离和耦合方式,变压器耦合,光电耦合,一.基本构成,串联开关电源换能电路如图7.19，VT做开关管，扼流圈L为储能电感，VD续流二极管，C2起平滑滤波作用。,图 6.1.5,第七章,7.5.2串联开关电源,2,开关控制信号送入VT基极，VT饱和，VD截止，电流经L存储磁能并流过负载，图中实线所示。VT截止时，L中电流不能突变，VD导通，L将磁能以电流形式释放，经负载和VD形成回路，虚线所示。C2起滤波作用，当L中电流增长或减少时，电容存储过剩电荷或补充负载缺少电荷，从而减少Uo纹波。,L4970A是意法半导体公司推出的第二代单片开关式稳压器。,L49
6、70A原理框图,第七章,二.典型应用,第七章,PWM控制环路，把反馈电压与5.1V基准电压比较，产生误差电压Vr；再讲Vr与锯齿波电压VJ 比较，获得固定频率的调制信号，经驱动级驱动DMOS功率管，最后利用由L,VD,C构成的降压式输出电路，得到稳定输出电压。,内部主电路分析：,限流保护电路，取样电阻和限流比较器组成。当输出电流超过最大限流值时，限流比较器就输出高电平，将触发器置1，再经过或非门变成低电平，使驱动级和DMOS功率管截止。仅当内部40Khz振荡器的时钟脉冲CL1到来时，才能使触发器置0，DMOS重新导通。发生过载后，保护电路使得芯片保持恒定电流输出，而且降低开关频率（200Khz
7、降至40Khz），保护芯片。,L4970A芯片内部主要由基准电压源、锯齿波发生器、40kHz振荡器、误差放大器、PWM比较器和PWM锁存器、驱动级、DMOS开关管、两级或门构成触发器、或非门、欠过压检测、限流取样电阻Rs、限流比较器、过热保护、软起动以及掉电复位等组成，其它的内部电路自己分析。,第七章,第七章,L4970A应用电路,*各针脚接法,3脚：复位输入端，接内部复位和掉电电路，此端电压需设定成51V，可通过电阻分压器接Ui或Uo，监视Ui或Uo是否掉电。若不用，须经30k电阻接15脚。4脚：复位输出端，集电极开路输出，常态下输出呈高电平，当Ui5脚：复位延迟端，外接复位电容Cd，以决定
8、复位信号的延迟时间。6脚：自举端，经自举电容Cb接至Uo，可提升功率驱动级的电压，增加驱动DMOS开关功率管的能力，获得大电流输出。7脚：输出端Uo，固定输出51V，可调输出时需外接电阻分压器给11脚。8脚：公共地GND与小散热器连接。9脚：输入端Ui。10脚：频率补偿端，外接RC网络，对误差放大器进行补偿。11脚：反馈输入端，直接接Uo时输出电压Uo为固定51V，如果经分压器时Uo可获得40V以下的输出电压。12脚：软起动端，外接起动电容Cs，以决定软起动时间。13脚：同步输入端，用于多片同时使用。14脚：内部51V基准电压输出端。15脚：驱动级起动电路的引出端，接内部12V基准电压。,第七
9、章,*输出电压Uo的确定,输出电压为：,分析时，注意的是R8上端接的是11脚，然后看原理图，分析这是的压降。,第七章,第七章,7.5.3并联开关电源,一.基本构成,并联开关电源换能电路如图7.21，储能电感，负载和输入电压是并联的。,VT饱和导通时，UI给电感L储能，同时L自感电动势使VD截止。VT截止时，L自感使自感电动势极性立即改变，VD导通，L通过VD释放能量向C2充电，并同时向负载供电。当VT再次饱和导通时，L储能，VD反向截止，电容C2向负载供电，负载上获得连续能量。既VT导通期间，L储能，电容C2向负载供电；VT截止时，L释放能量对C2充电，同时向负载供电；L，C2同时具备滤波作用
10、，使得输出波形平滑。,6.1.3LC 正弦波振荡电路,一、LC 谐振回路的频率特性,当频率变化时，并联电路阻抗的大小和性质都发生变化。,并联电路的导纳：,当,电路发生并联谐振。,图 6.1.10,第六章,并联谐振角频率,令：,谐振回路的品质因数,当 Q 1 时,谐振频率：,第六章,回路等效阻抗：,LC 并联回路的阻抗：,发生并联谐振时，,在谐振频率附近，,可见，Q 值不同，回路的阻抗不同。,第六章,不同 Q 值时，LC 并联电路的幅频特性：,Z01,Z02,Q1 Q2,Q1,Q2,相频特性：,Q1,Q2,Q1 Q2,纯阻性,结论：,1.当 f=f0 时，电路为纯电阻性，等效阻抗最大；LC 并联
11、电路具有选频特性。,2.电路的品质因数 Q 愈大，选频特性愈好。,图 6.1.11,第六章,谐振时 LC 回路中的电流,电容支路的电流：,并联回路的输入电流：,所以：,当 Q 1 时，,结论：谐振时，电容支路的电流与电感支路的电流大小近似相等，而谐振回路的输入电流极小。,第六章,若以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载,当f=f0时，电压放大倍数的数值最大，且无附加相移。因而电路称为选频放大电路,若增加正反馈，并用反馈电压取代输入电压，则电路就成为正弦波振荡电路,LC 正弦波振荡电路,第六章,选频放大电路,二、变压器反馈式振荡电路,1.工作原理,用瞬时极性判断为正反馈，所以满足振荡的相位平
12、衡条件。,2.振荡频率和起振条件,振荡频率,起振条件,图 6.1.14变压器反馈式振荡电路,第六章,三、电感反馈式振荡电路,1.电路组成,用瞬时极性判断为正反馈，所以满足振荡的相位平衡条件。,2.振荡频率和起振条件,振荡频率,起振条件,图 6.1.17,第六章,四、电容反馈式振荡电路,1.电路组成,用瞬时极性判断为正反馈，所以满足自激振荡的相位平衡条件。,2.振荡频率和起振条件,振荡频率,起振条件,图 6.1.20,第六章,电容反馈式改进型振荡电路,振荡频率,选择 C C1，C C2，,则：,减小了三极管极间电容对振荡频率的影响，适用于产生高频振荡。,图 6.1.22,第六章,若要求电容反馈式
13、振荡电路的振荡频率高达100MHz，怎么办？,采用共基放大电路,如何分析？,第六章,各种 LC 振荡电路的比较,6.1.4石英晶体振荡器,石英晶体谐振器，简称石英晶体，具有非常稳定的固有频率。,一、石英晶体的特点,压电效应：在石英晶片的两极加一电场，晶片将产生机械变形；若在晶片上施加机械压力，在晶片相应的方向上会产生一定的电场。,压电谐振：晶片上外加交变电压的频率为某一特定频率时，振幅突然增加。,1.压电效应和压电振荡,第六章,2.等效电路和振荡频率,符号：,串联谐振频率,并联谐振频率,电抗频率特性,fs,fp,容性,容性,感性,图 6.1.27,图 6.1.28,第六章,二、石英晶体正弦波振
14、荡电路,1.并联型石英晶体正弦波振荡电路,交流等效电路,振荡频率,由于,图 6.1.29,第六章,2.串联型石英晶体振荡电路,图 6.1.30串联型石英晶体振荡电路,当振荡频率等于 fS 时，晶体阻抗最小，且为纯电阻，此时正反馈最强，相移为零，电路满足自激振荡条件。,振荡频率,调节 R 可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。,第六章,6.2电压比较器,1.电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较，输出只有两种可能的状态：高电平或低电平。,2.比较器中的集成运放一般工作在非线性区；处于开环状态或引入正反馈。,3.分类：单限比较器、滞回比较器及窗口比较器。,6.2.1概述,4.比较器是
15、组成非正弦波发生电路的基本单元，在 测量、控制、D/A和A/D转换电路中应用广泛。,第六章,一、电压比较器的传输特性,1.电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系,2.阈值电压：UT,当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。,3.电压传输特性的三要素,(1)输出电压的高电平UOH和低电平UOL的数值。(2)阈值电压的数值UT。(3)当uI变化且经过UT时，uO跃变的方向。,第六章,二、理想运放的非线性工作区,+UOM,-UOM,集成运放的电压传输特性,在电压比较器中，集成运放不是工作在开环状态，就是工作在正反馈。,第六章,6.2.2单门限比较器,一、过零比较器,由于
16、理想运放的开环差模增益为无穷大，所以,当 uI 0 时，uO=+UOM；,当 uI 0 时，uO=-UOM；,过零比较器的传输特性为：,UOM 为集成运放的最大输出电压。,阈值电压：当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。,图6.2.3,第六章,利用稳压管限幅的过零比较器,设任何一个稳压管被反向击穿时，两个稳压管两端总的的稳定电压为 UZ UOM,+UZ,-UZ,当 uI 0 时，右边的稳压管被反向击穿，uO=-UZ；,图 6.2.6,第六章,利用稳压管限幅的过零比较器(二),电路图,传输特性,问题：如将输入信号加在“+”端，传输特性如何？,第六章,问题：过零比较器如图所
17、示，输入为正负对称的正弦波时，输出波形是怎样的？,传输特性,将正弦波变为矩形波,第六章,二、单门限比较器,单限比较器有一个门限电平，当输入电压等于此门限电平时，输出端的状态立即发生跳变。,当输入电压 uI 变化，使反相输入端的电位为零时，输出端的状态将发生跳变，门限电平为：,+UZ,-UZ,过零比较器是门限电平为零的单限比较器。,图 6.2.7,第六章,存在干扰时单限比较器的 uI、uO 波形,单限比较器的作用：检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。,缺点：抗干扰能力差。,解决办法：采用具有滞回 传输特性的比较器。,第六章,电压比较器分析方法小结,（1）由限幅电路确定电压比较器的输出高电平U
18、OH和输出低电平UOL。,（2）写出up和uN的电位表达式，令up=uN，解得输入电压就是阈值电压UT。,（3）u0在uI 过UT时的跃变方向决定于作用于集成运放的哪 个输入端。当uI从反向输入端输入时，uIUT,u0=U0L。反之，结论相反。,第六章,例6.2.1在图6.2.6所示电路中，UZ=6V，在图6.2.7中所示电路中，R1=R2=5k，基准电压UREF=2V，稳压管的稳定电压UZ=5V；它们的输入电压均为图6.2.8（a）所示的三角波。试画出图6.2.6所示电路的输出电压u01和图6.2.7所示电路的输出电压u02,解,图6.2.8例6.2.1波形图,第六章,图8.2.6为过零比较
19、器,图6.2.7为一般单限比较器。,6.2.3滞回比较器,一、从反相输入端输入的滞回比较器电路,计算阈值电压UT,电压传输特性,uo从+UZ跃变到-UZ的 阈值电压为+UTuo从-UZ跃变到+UZ的 阈值电压为-UT,uI在-UT与+UT之间增加或减小,uO不发生变化,第六章,UREF 为参考电压；uI 为输入电压；输出电压 uO 为+UZ 或-UZ。,当 uP=uN 时，输出电压的状态发生跳变。,比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状。,图 6.2.10滞回比较器,二、加了参考电压的滞回比较器,第六章,若 uO=UZ，当 uI 逐渐减小时，使 uO 由 UZ 跳变为 UZ 所需的门
20、限电平 UT-,回差(门限宽度)UT：,若 uO=UZ，当 uI 逐渐增大时，使 uO 由+UZ 跳变为-UZ 所需的门限电平 UT+,第六章,例6.2.2已知输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波形。,第六章,图6.2.9滞回比较器,6.2.4 窗口比较器,参考电压 UREF1 UREF2,若 uI 低于 UREF2，运放 A1 输出低电平，A2 输出高电平，二极管 VD1 截止，VD2导通，输出电压 uO 为高电平；,若 uI 高于 UREF1，运放 A1 输出高电平，A2 输出低电平，二极管 VD2 截止，VD1 导通，输出电压 uO 为高电平；,图 6.2.13双限比较器(a),前面
21、的比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃变一次，因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间。,第六章,当 uI 高于 UREF2 而低于 UREF1 时，运放 A1、A2 均输出低电平，二极管 VD1、VD2 均截止，输出电压 uO 为低电平；,上门限电平 URH=UREF1,下门限电平 URL=UREF2,UREF1,UREF2,综上所述，双限比较器在输入信号 uI UREF1 时，输出为高电平；而当 UREF2 uI UREF1 时，输出为低电平。,图 6.2.13(b),第六章,6.2.5集成电压比较器,一、集成电压比较器的主要特点和分类：,1.具有较高的开环差模增益；,2.具有较快
22、的响应速度；,3.具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高；,4.具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂。,分类：,单、双和四电压比较,通用型、高速型、低电压型和高精度型,普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输出型,第六章,二、集成电压比较器的基本接法,1.通用型集成电压比较器AD790,第六章,2.集电极开路集成电压比较器LM119,金属封装的管脚图,电路为双限比较器，能实现线与功能,图6.2.16由LM119构成的双限比较器及其电压传输特性,第六章,6.3非正弦波发生电路,非正弦波：矩形波、三角波、尖顶波和阶梯波等,图6.3.1几种常见的非正弦波,第六章,6.3.1矩形波发生电路,一、
23、电路组成,RC 充放电回路,滞回比较器,图 6.3.2,滞回比较器：集成运放、R1、R2；,充放电回路：R、C；（延迟环节、反馈网络）,钳位电路：VDZ、R3。（稳幅环节）,第六章,二、工作原理,设 t=0 时，uC=0，uO=+UZ,则,u+,u-,当 u-=uC=u+时，,t1,t2,则,当 u-=uC=u+时，输出又一次跳变，uO=+UZ,输出跳变，uO=-UZ,图 6.3.4,第六章,三、振荡周期,电容的充放电规律：,对于放电，,解得：,结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电阻，即可改变振荡周期。,振荡频率f=1/T,第六章,四、占空比可调的矩形波发生电路,图 6.3.5a,使
24、电容的充、放电时间常数不同且可调，即可使矩形波发生器的占空比可调。,充电时间 T1,放电时间 T2,占空比 D,图 6.3.5b,第六章,6.5.2三角波发生电路,一、电路组成,图6.3.6采用波形变换的方法得到三角波,uO1为方波,电路分析,uO2为三角波,第六章,二、工作原理,当 u+=u-=0 时，滞回比较器的输出发生跳变。,图 6.3.8,实用电路,左边是同相输入滞回比较器右边为反向积分运算电路,传输特性,第六章,二、工作原理,当 u+=u-=0 时，滞回比较器的输出发生跳变。,图 6.3.9,设t=0时，uO1=+UZ u0=0,第六章,三、输出幅度和振荡周期,解得三角波的输出幅度,
25、当 u+=u-=0 时，uO1 跳变为-UZ，uO 达到最大值 Uom。,振荡周期,调节电路中的R1、R2、R3阻值和C的容量，可改变振荡频率，调节R1、R2的阻值，可改变三角波的幅值。,第六章,图 6.3.10a,6.5.3锯齿波发生电路,一、电路组成,二、输出幅度和振荡周期,正向积分时间常数远大于反向积分时间常数或者相反。,第六章,6.3.4波形变换电路（自学）,一、三角波变锯齿波电路,二、三角波变正弦波电路,1.滤波法,2.折线法,第六章,6.3.5 函数发生器,函数发生器是一种可以同时产生方波、三角波和正弦波的专用集成电路；当调节外部电路参数时，还可获得占空比可调的矩形波和锯齿波。,一
26、、电路结构（ICL8038）,1.二个电流源,2.二个同相输入单限比较器,3.RS触发器,4.二个缓冲电路,5.三角波变正弦波电路,第六章,当 Q=0，S 断开，,C 充电(IS1)至 2/3VCC,Q=1,当 Q=1，S 闭合，,C 放电(IS2-IS1)至 1/3VCC,Q=0,当 IS2=2IS1，引脚 9 输出方波，引脚 3 输出三角波；,当 IS2 2IS1，引脚 9 输出矩形波，引脚 3 输出锯齿波。,二、工作原理,Qn+1=S+RQn,第六章,三、性能特点,ICL8038可单电源供电，也可双电源供电。,第六章,四、常用接法,第六章,调占空比和正弦波失真,图6.3.23失真度减小和频率可调电路,第六章,
