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1、7.1 直流稳压电源主要性能指标 和分立元件稳压电路,7.2 线性集成稳压电路,7.3 开关稳压电源,1.了解稳压电源主要性能指标，熟悉并联稳压电路组成、特点，会估算元器件参数。2.了解串联反馈型分立元件稳压电路组成、稳压原理及输出电压计算方法。3.了解三端线性集成稳压器分类、主要参数、引脚排列及使用注意事项；熟悉三端线性集成稳压器的应用，会选用集成稳压器、计算外接元器件参数。4.了解开关电源特点及基本原理。选学开关集成稳压器LM3578A及其应用电路。,直流稳压电源通过变压、整流、滤波等处理，将交流电压转换为平滑的直流电压，再经过稳压电路就可以输出稳定的直流电压。直流稳压电源是一种重要的常用
2、电路，它在实验仪器、家用电器、工业设备等各类电子产品中为其它功能电路提供能量。普通的镍氢电池充电器如图7.0.1所示，它可对2节5号镍氢充电电池充电。打开外壳取出其内部电路，如图7.0.2所示，可以看到常用于组成直流电源的电源变压器和整流二极管等元器件。,图7.0.1 充电器外观 图7.0.2 充电器内部电路,7.1 直流稳压电源主要性能指标和分立元件稳压电路,7.1.1 稳压电源及其主要性能指标,经过整流、滤波所得到的直流电压较平滑，纹波也较小，但输出的直流电压并不稳定。它会因交流电网电压的波动、负载的变化和温度变化等因素，使输出电压随之变化。显然这种电源在要求较高的场合和对电源电压稳定性较
3、高的电子设备和电子电路是不适用的。所以电子设备中的直流电源和电子电路的供电电源，一般在滤波电路和负载之间加接稳压电路，以达到稳压供电的目的，使电子设备和电子电路稳定可靠地工作。,7.1 直流稳压电源主要性能指标和分立元件稳压电路,稳压电源的主要性能指标包括特性指标和质量指标。特性指标规定了电源的适用范围，其中包括电源允许输出电流和输出电压（或输出电压可调范围）。质量指标包括稳压系数、输出电阻、温度系数和纹波电压等。,1.稳压系数（Coefficient of Voltage stabilization）,显然，S越小，稳压电路输出电压的稳定性越好。,稳压系数定义为负载不变时，输出电压相对变化量
4、和输入电压相对变化量之比，即,在一些参考文献中，用电压调整率Su 和电流（负载）调整率SI 来描述稳压性能。电压调整Su 为：,电流调整率SI 为输入电压和温度不变时输出电流从零度到最大时输出电压相对变化量：,2.输出电阻（Output resistance）,Ro的大小反映了当负载变动时，稳压电路保持输出电压稳定的能力。Ro越小，表示它的稳定性能越好。,当输入电压固定时，输出电压相对变化量与负载电流变化量之比，称为输出电阻，即,3.最大纹波电压与纹波抑制比,叠加在输出电压上的波动分量称为最大纹波电压，常用其峰-峰值UOP-P来表示，一般为毫伏级。纹波抑制比SR表示，稳压电路输入纹波电压峰-峰
5、值UIP-P与输出纹波电压峰-峰值UOP-P之比，并取其分贝数，即,4.温度系数（Temperature coefficient）,因稳压管与负载并联而得名，又称硅稳压管稳压电路（Zener voltage regualator）。图中R为限流电阻（Limiting current resistance）,限制IZ，防止超过IZM而损坏。,图7.1.1 硅稳压二极管稳压电路,一、电路组成,7.1.2 并联稳压电路及其应用,稳压条件：,稳压管正常工作时必须反偏，且反偏电流IZ必须满足：IZminIZIZM,式中，Izmin为使稳压管稳压的最小电流，在元件手册中查得的IZ即为Izmin。硅稳压管稳
6、压电路中，Ro=rZR，R为限流电阻，rZ为稳压管动态电阻，一般RrZ，所以RorZ。,图7.1.1所示电路，稳压二极管极性接反，该电路能否稳压？输出电压多大？,二、工作原理,（1）电源不稳定的主要原因,电网电压波动；RL变化。,（2）稳压原理,UI,UI,从以上分析可知，硅稳压管电路能稳定输出电压，是稳压管和限流电阻起决定作用，即利用硅稳压管反向击穿时电压稍有变化引起反向击穿电流很大的变化，再通过限流电阻R把电流变化转换成电阻上电压的变化，籍以稳定输出电压。,图7.1.1所示电路，限流电阻被短电路了，电路还能否稳压？为什么？,稳压二极管组成的并联稳压电源，具有电路结构简单、使用元件少等优点。
7、但存在稳压值取决于稳压管的稳定电压，不能调节。因此，这种稳压电路适用于电压固定、负载电流小、负载变动不大的场合。,7.1.3 并联稳压电路元器件的选择,当输入直流电压最低（UImin）而负载电流最大（ILmax）时，IZ最小，其值应大于Izmin，否则稳压管不能可靠地稳压。,一、限流电阻的选择,当输入直流电压最高(UImax)而负载电流最小时（IL=0），IZ最大，其值小于IZM，否则，会使稳压管过热而损坏。即,二、稳压二极管的选择,1UZ选取,UZUO,若一个管子稳压值不够，可用两个或多个稳压管串联。,2IZM选取,IZM(23)ILmax,为使硅稳压二极管稳压电路正常工作，还要考虑在输入电
8、压最低值时稳压二极管的工作电流最小值ILmin大于稳压管工作电流，即ILminIZ，为什么？,三、滤波电容选择,滤波电容C电容值由下式估算,式中，T为市电频率,T=0.02S。,电容器耐压值UCN取 UCN(1.52)U2式中,U2为变压器二次电压。,四、变压器选择,变压器二次侧电压U2根据式(1.4.4)估算，二次侧电流I2应大于最大输出电流,即 I2Iomax 二次侧伏安容量P2 P2U2 I2 考虑到变压器效率，在选用变压器时应将P2除以效率。小功率变压器效率表见表7.1.1。,7.1.4 串联反馈型稳压电路,串联反馈型稳压电路因调整元件与负载串联而得名，简称串联型稳压电路（Series
9、 voltage regulator）。,一、电路组成,图7.1.2 串联型稳压电路(a)原理图(b)方框图,（1）取样环节由R1、R2构成；（2）基准即基准源（voltage reference）由稳压管VZ和限流电阻R3构成；（3）比较放大器V2组成；（4）V1为调整管（Regulating device）；R4作用：V2的集电极负载电阻，V1的基极偏流电阻，使V1处于线性放大状态。故又称为线性串联型稳压电路。,二、工作原理,当电网电压波动或负载电流IL变化，导致输出电压UO增加时，经R1、R2的取样电压UR2=UOR2/（R1+R2）相应增加，于是V2管基极电压UB2=UR2UREF，U
10、BE2=UR2UREF，式中UREF是稳压管提供的基准电压，其值基本不变，致使UBE2增大，IC2随之增大，V2的集电极电压UC2下降，由于V1的基极电压UB1=UC2。因而IC1减小，V1管压降UCE1增大，使输出电压UO=UIUCE1下降，结果使UO基本保持恒定。上述电压调节过程显然为负反馈过程，串联反馈型稳压电源因此而得名。,反之，因某种原因使UO下降，通过负反馈过程，使UCE1减小，从而使UO增加，结果使UO基本保持恒定。,在图7.1.2（a）中有,=UBE2+UREF=UREF+0.7V,设UREFUBE2，则UR2UREF，则有,式中，n=R2/(R1+R2)称为取样比。,从式（7
11、.1.15）可知，只要改变取样比，即改变R2的阻值就可改变输出电压，若在图7.1.2的R1、R2之间串接电位器RP，组成输出电压可调串联稳压电路如图7.1.3所示。调节RP以改变输出电压UO的大小。,图7.1.3 输出电压可调串联稳压电源,在这种电源中起调节作用的晶体管必须工作于线性放大状态，故称之为线性串联型稳压电源。人们在此基础上制成了集成稳压电源。在这种稳压 电源中，采用多种措施，使之性能大为提高。例如采用差动放大器作比较放大器，以抑制零点漂移，提高稳压电源的温度稳定性；采用辅助电源构成基准电压源电路提高电源的稳压系数；采用限流保护电路防止调整管电流过大或电压过高超过管耗而损坏等。,1.
12、直流稳压电源有哪些主要性能指标？各自的含义是什么？2.稳压管稳压电路，在无合适反向击穿电压参数的稳压二极管情况下，能否用二个稳管串联来代替？如能，对这二个稳压二管性能参数有什么要求(要详细)？3.串联型稳压电路一般由哪几部分组成？各起什么作用？4.串联型稳压电路为什么称为线性稳压电源？,1集成稳压器优点,7.2 三端线性集成稳压电路,集成稳压电路具有体积小、重量轻、可靠性高、使用方便等一系列优点，因而得到广泛应用。,2集成稳压器分类,集成稳压器是稳压电源的核心。(1)根据对输入电压变换过程划分 线性集成稳压器；开关式集成稳压器。(2)根据输出电压可调性划分 固定式稳压器，它的输出端电压是固定的
13、；可调式稳压器。(3)按引脚数量划分 三端式；多端式。,7.2.1 三端固定式线性集成稳压器,一、固定式线性集成稳压器的分类,该种稳压器将所有元器件都集成在一个芯片上，有三个引脚，即输入端、输出端和公共端。,(1)输出正负极性分类 三端固定式线性集成稳压器有输出正电压的7800系列和输出负电压的7900系列。,(2)输出电压、电流的表示 国产三端固定式集成稳压器输出电压有5、6、9、12、15、18、24V等七种。最大输出电流大小用字母表示，字母与最大输出电流对应表见下表。,(3)器件型号规格示例,CW7805为国产三端固定式集成稳压器，输出电压为+5V，最大输出电流为1.5A；LM79M9为
14、美国国家半导体公司生产的-9V稳压器，最大输出电流为0.5A。CW7800系列、7900系列装上足够大的散热器后，耗散功率可达15W。,二、三端固定式集成稳压器的管脚排列,图8.2.1 三端固定式集成稳压器封装及管脚排列图(a)TO92(S-1)(b)TO202(S-6B)(c)TO220(S-7)(d)TO3(F-2),7.2.2 三端固定式集成稳压器应用电路,一、固定电压输出电路,电路如图7.2.2a所示为输出正电压电路。图中C1为抗干扰电容，用以旁路在输入导线过长时窜入的高频干扰脉冲；C2具有改善输出瞬态特性和防止电路产生自激振荡的作用；虚线所接二极管对稳压器起保护作用。,图7.2.2
15、固定电压输出电路（a）输出正电压电路（b）输出正、负电压电路,图7.2.2 b为输出正、负电压电路。图中VD5、VD6起保护集成稳压器的作用。在输出端接负载的情况下，如果其中一路稳压器输入UI断开，如图中79XX的输入端A点断开，则+UO通过RL作用于79XX的输出端，使它的输出端对地承受反向电压而损坏。有了VD6，在上述情况发生时，VD6正偏导通，使反向电压钳制在0.7V，从而保护了集成稳压器。,某同学装接图7.2.2(b)所示电路时，变压器二次抽头接地端忘了接地，电路能否正常工作，为什么？,二、扩大输出电压电路,图7.2.3 扩大输出电压电路,W7800和W7900系列的输出电压绝对值最大
16、为24V，若要高于此值，可采用图7.2.3所示电路。,三、三端固定式集成稳压器应用及其示例,三端固定式集成稳压器使用时对输入电压有一定要求。若过低，在电网电压下降时不能正常稳压；过高会使集成稳压内部输入级击穿，使用时应查阅手册中输入电压的范围。一般输入电压应大于输出电压23V以上。,本书附录B中，可燃气体测试用传感器要求用+5V电源供电，故图B.2(a)采用LM7805作为稳压器。本电路与传统电路的区别，在LM7805的输出端对地并接一个100F的电解电容，以滤除低频干扰。,例7.2.1 采用220V、50Hz市电供电，试设计一固定输出集成稳压电源。其性能指标为：UO=12V，IOmax=80
17、0m A,输出纹波电压峰峰值UOP-P8m V，S310-3。,图7.2.4 例7.2.1稳压电源电路,7.2.3 三端可调式集成稳压器,三端可调式集成稳压器输出电压可调，稳压精度高，输出纹波小，只需外接两只不同的电阻，即可获得各种输出电压。,一、分类,它分为三端可调正电压集成稳压器和三端可调负电压集成稳压器。,三端可调式集成稳压器产品分类见表7.2.3。,表7.2.3 三端可调式集成稳压器分类,二、引脚排列,三端可调式集成稳压器引脚排列图如图7.2.5所示。除输入、输出端外，另一端称为调整端。,图7.2.5 三端可调式集成稳压器引脚排列图（a）TO-220 封装（b）TO-3封装,集成稳压器
18、图片,7.2.4 三端可调式集成稳压器基本应用电路,图7.2.6 三端可调式集成稳压器电路,电路如图7.2.6所示。该电路为输出电压1.2537V连续可调。最大输出电流为1.5A，它的最小输出电流不得小于5mA.,CW317的输出端与调整之间电压UREF固定在1.25V，则输出电压UO=1.25（1+R2/R1）V,外接元器件选取,为保证负载开路时输出电流不小于5mA，R1的最大值为 R1max=UREF/5mA=240 因最大输出电压为37V，R2为输出电压调节电阻，代入Uo表达式求得R2为7.16k左右，取6.8k。,C2是为了减小R2两端纹波电压而设置的，一般取10uF。C3是为了防止输
19、出端负载呈感性时可能出现的阻尼振荡，取1uF。C1为输入端滤波电容，可抵消电路的电感效应和滤除输入线窜入干扰脉冲，取0.33uF。VD1、VD2是保护二极管，可选开关二极管1N4148。,UI=28 40V，UIUO3V。当,1.三端集成稳压器CW7800系列产品和CW7900系列产品有何不同？2.一集成稳压外壳上所标型号为LM79M05，表明它的输出电压和最大输出电流各为多大？3.三端可调集成稳压器CW317和CW337有什么不同？它们调整端ADJ与输出端UO之间电压绝对值各为多大？,7.3 开关稳压电源,串联稳压电源的调整管必须工作在放大区，为能可靠地稳定输出电压，调整管的压降变化较大，一
20、般为28V，在负载电流较大的情况下，调整管将消耗大量的输入功率，因此，稳压器的效率只有40%60%，且要给调整管装配很大的散热装器。开关稳压电源的调整管工作在高频开关状态，自身消耗能量很低，它的效率可达80%95%，一般不需装大的散热器，还可省略笨重的电源变压器，具有体积小、重量轻的优点，因而在微机、通信设备和声像设备中得到广泛应用。,7.3 开关稳压电源,开关稳压电源，按激励方式(振荡方式)不同，可分为他励式开关稳压电路和自励式开关稳压电路。按控制方式分类，可分为脉冲宽度调制型(PWM)、脉冲频率调制型(PFM)、混合调制型(同时改变脉宽和频率的调制方式)。,7.3.1 开关稳压电源基本原理
21、,他励式开关稳压电源原理框图如图7.3.1(a)所示,工作波形如图7.3.1(b)所示。控制电路亦称方波发生器，由比较放大器、基准电压源、比较器、锯齿波发生器等构成,产生图7.3.1(b)中uB所示方波,用以控制开关功率管V的通断,V亦称调整管,VD为续流二极管;L为储能电感,与C一起构成滤波电路,使输出电压变平滑。当V的基极为高电平，即uB的ton波形，V饱和导通，VD反偏截止，输入电压UI通过调整管在L中产生电流iL向电容C充电。在方波为低电平，即图uB 在t1t2(toff)时，V的基极为低电平，V截止，L产生左负右正的自感电动势以反抗电流的减小，使VD导通,使储能电感L中电流通过VD构
22、成回路，向C充电和RL输送电流，同时电容C也向RL放电。,图7.3.1 他励式开关稳压电源原理框图及其波形图,图中取样电路获得输出电压UO的变化量，去控制方波发生器的方波脉冲宽度，从而控制V的导通时间ton与截止时间toff。我们把导通时间与开关时间Tn之比定义为占空比D，即,若Tn一定，调节导通时间长短，即可调节输出电压UO(AV)的大小 UO(AV)=DUI,可见，通过调节占空比D，就可调节UO(AV)值，使输出电压保持恒定。例如，某种原因使输出电压下降，通过取样电路控制方波发生器，使占空比D增大，使输出电压上升，结果使输出电压保持恒定。,7.3.2 开关集成稳压器及其应用,开关集成稳压器
23、是一种功率管工作干开关状态的集成稳压电源，它具有输出电流大、转换效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽、稳压精度高等优点，是一种理想的稳压电源，广泛应用于彩色电视机、计算机及各种仪器设备和电子产品中。开关集成稳压器种类很多，本节仅介绍LM3578A开关式集成稳压器及其实用电路。开关集成稳压器组成的开关电源电路，按输出、输入电压的关系可组成降压式、升压式、极性反转式等3种电路。降压式电路的输出电压小于输入电压，升压式电路的输出电压高于输入电压，极性反转式电路输出电压的极性与输入电压相反(一般输入电压为正电压)。,一、LM1578A/LM2578A/LM3578A开关集成稳压器,LM1578A/LM2
24、578A/LM3578A是一种可完成降压、升压、极性反转的开关集成稳压器，内部电路框图如图7.3.2所示。它是由比较器、基准电压源、振荡器及输出晶体管、电流限制电路、热保护电路等组成。比较器可采用反相或同相输入，且都含有1.0V基准电压。输出晶体管最大输出电流750mA，振荡器频率范围为0.1Hz100kHz，频率高低由脚外接电容决定。fosc=8105/C,一、LM1578A/LM2578A/LM3578A开关集成稳压器,输出晶体管最大输出电流750mA。脚外接限流电阻，决定电流限制值大小。电流限制电路包括两个比较器，一个比价器的同相输入端以低于VIN端(脚)110mV的电压为基准，另一个比
25、较器的反相输入端以高于地电位110mV的电压为基准，只要限流端的电压比VIN或地偏离110mV时，电流限制电路即起作用，LM3578A的电流限制电路，既可以以地为基准，又可以VIN端电压为基准。LM1578A/LM2578A/LM3578A为系列产品，它们主要性能参数大致相同，工作电压为240V。最大的区别是工作环境温度TA不同，LM1578A为军品，55TA+125；LM2578A为工业品，40TA+85；LM3578A为民品，0TA+70。LM3578A引脚排列如图7.3.3所示。,一、LM1578A/LM2578A/LM3578A开关集成稳压器,图7.3.2 LM1578A/LM2578
26、A/LM3578A内部电路框图,一、LM1578A/LM2578A/LM3578A开关集成稳压器,图7.3.3 LM3578A引脚排列,二、LM3578A应用实例,1.LM3578A降压式开关电源电路 用LM3578A构成降压式开关电源电路如图7.3.4所示。电路振荡频率由脚外接的C1、C2及电阻形成等效电容C决定，C16pF，由式(7.3.3)可求得fosc=50kHz。R3为限流电阻，取0.15。L为储能电感，电感量为470F，由铁氧体磁环用漆包线绕制而成。VD1为续流二极管，选用肖特基二极管1N5818，其反向峰值电压URM=30V，额定正向整流电流IF=1A。R1、R2为取样电阻，把输
27、出电压取样，经脚输入芯片内电路比较器反相输入端，通过内电路调整占空比D，使输出电压保持恒定。C3为输出滤波电容器。本电路输入电压UI=15V，输出电压UO=5V，输出电流IO=350mA。,二、LM3578A应用实例,图7.3.4 LM3578A构成降压式开关电源电路,二、LM3578A应用实例,2.LM3578A升压式开关电源电路 由LM3578A构成升压式开关电源电路如图7.3.5所示。fosc=50kHz，UI=5V，UO=15V，IO=140mA。,图7.3.5 LM3578A构成升压式开关电源电路,图7.3.5所示电路中，VD1应称为什么二极管？L、C3在电路中各起什么作用？,二、L
28、M3578A应用实例,3.LM3578A极性反转式开关电源电路 用LM3578A构成极性反转式开关电源电路如图7.3.6所示。fosc=50kHz，UI=+5V，UO=15V，IO=300mA。V1选用美国德克萨斯仪表公司生产的PNP开关管VIP32C，其主要性能参数：UBR(CEO)=100V，ICM=3A，PCM=40W，fT=3 MHz。,二、LM3578A应用实例,图7.3.6 LM3578A构成极性反转式开关电源电路,LM3578A构成开关电源电路具有外接电路简单，有过流、过热保护功能等优点，但其输出电流不太大，不能直接用于大电流输出电路，大电流输出可用大功率开关管来扩流。,用LM1
29、578A构成降压式扩流开关电源如图7.3.7所示。电路的fosc=50kHz，UI=15V，UO=5V，IO=1.5A。V1为扩流三极管，选大功率开关管D45。其主要性能参数：fT=40MHz，UBR(CEO)=80V，ICM=10A，PCM=50W，60。,图7.3.7 LM1578A构成降压式扩流开关电源,根据晶体管放大电路知识及LM3815芯片引脚功能，分析图7.3.7中R3、R4、R5各起什么作用？,1.与普通线性稳压电源相比，开关电源有什么优点？开关电源的效率比线性电源高的根本原因是什么？2.开关电源由哪几部分组成？各起什么作用？3.脉冲占空比是怎么定义的？为什么调节占空比的大小可改
30、变输出电压的大小？,简易恒流充电器是一个采用三端固定正输出集成稳压器LM7805作为恒流源的恒流充电器，可为两节镍氢电池充电，有三档不同大小的充电电流可选，充满后指示灯自动点亮。简易恒流充电器电路如图7.0.3所示。,简易恒流充电器电路分析,图7.0.3 简易恒流充电器电路图,一、电路工作原理 充电器电路由整流电源、恒流源、充满指示电路等部分组成。变压器T、整流桥VD1VD4、滤波电容C等组成整流滤波电路，为充电电路提供约12V的直流电压。R1和LED1组成电源指示电路，接通电源后LED1一直点亮。集成稳压器LM7805与R2、R3、R4分别构成50mA、100mA、200mA恒流源，由开关S
31、进行选择，以适应不同容量电池充电电流的需要。可把两节1.2V镍氢充电电池串联接入电路进行充电，二极管VD5的作用是防止被充电池电流倒灌。,简易恒流充电器电路分析,集成运放A741和发光二极管LED2等组成充满指示电路，其中A741构成电压比较器。刚开始充电时，因为被充电池电压很低，运放的3脚电位高于2脚电位，运放6脚输出高电平（实测电压值11.45V），LED2不亮。随着充电的进行，运放2脚电位逐步上升。当被充电池充满电时，运放的2脚电位高于3脚电位，运放6脚输出低电平（实测电压值2.54V），LED2导通点亮（实测压降值1.79V）。,简易恒流充电器电路分析,二、调试与使用 镍氢充电电池使用
32、时一般用10小时率电流充电。例如，对于1000mAh左右的镍氢充电电池，将S置于100mA挡，持续充电15小时即可充满。调试时，可装上两节放完电的镍氢充电电池，用10小时率常规电流充电15小时后，用万用表测量2节电池的总电压UE，接着调节RP，使A点电压等于UE。电池充电时指示灯LED2熄灭，当LED2点亮时表示电池已充满。该充电器没有充满自关断功能，电池充满后要及时切断电源，以防过度充电损坏电池。,简易恒流充电器电路分析,本章小结,1.硅稳压管并联稳压电路由稳压管与限流电阻组成。其中，稳压管必须反偏。限流电阻起限流保护作用。硅稳压管并联稳压电源适用于电压固定、负载电流小、负载变化不大的场合。
33、,2.稳压电源的质量指标主要有：稳压系数S、输出电阻Ro、最大纹波电压UOP-P、温度系数ST等。,3.串联反馈型电源主要由取样电路、基准源、比较放大器和调整管组成。,4.三端线性集成稳压器具有稳压性能好、品种多、体积小、重量轻、使用方便、安全可靠等优点，但效率不高。利用三端线性固定集成稳压器和三可调集成稳压器可组成不同的实用电路。本章介绍了三端线性集成稳压器的使用常识及其常见实用电路。,本章小结,5.一般线性集成稳压器输入、输出电压差大于23V，方能正常工作，效率低。为提高线性集成稳压器组成电源的效率，可采用输入、输出电压差0.50.6V的低压差线性集成稳压器，本章介绍了常用低压差集成稳压器及其应用电路。,6.开关稳压电源的调整管工作在开关状态，通过控制开关调整管的导通、截止时间的比例来调节输出电压的，因而功耗大大减小。开关稳压电源具有效率高、体积小、重量轻等优点，但有纹波电压较大、高频泄漏大、易对周围其它电路造成干扰等缺点。本章介绍了开关集成稳压器HS7067/HS7107、LM3578A及其应用电路。,
