一款自激式穩壓電源原理分析（典型四款直流穩壓電路）

　　典型四款直流穩壓電路原理

　　1、穩壓二極管穩壓電路

　　穩壓二極管，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體器件。在這臨界擊穿點上，反向電阻降低到一個很小的數值，在這個低阻區盡管流過二極管的電流變化很大，而其兩端的電壓卻變化極小，并且這種現象的重復性很好，從而起到穩壓作用。因為這種特性，穩壓管主要被作為穩壓器或電壓基準元件使用。

　　圖1為穩壓二極管穩壓電路，由限流電阻Rs和穩壓二極管Dz組成。

　　Us為未穩壓的輸入直流電壓，U。為經過穩壓的直流電壓，Rs為Dz的限流保護電阻，又起電壓調整作用，D2為穩壓二極管，R為負載電阻。其工作原理是：此電路主要利用穩壓二極管的穩壓特性，即Dz反向導通后其兩端的壓降基本保持不變。當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。在實際應用中R的特性和D2的特性對整個穩壓過程起關鍵作用。

　　這種穩壓電路的工作范圍受穩壓管最大功耗的限制，Iz不能超過一定數值。其關鍵是：在Us、R及U。均為給定的條件下，Rs值的選取應保證在輸入電壓為最大值Usmax時，穩定電流Iz和穩壓管允許的功耗不超過規定的最大值;在輸入電壓為最小值時，又能保證Iz不低于最小的穩定電流。

　　2、并聯晶體管穩壓電路

　　晶體管是一種固體半導體器件，可以用于檢波、整流、放大、開關、穩壓、信號調制和許多其它功能。晶體管作為一種可變開關，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關。

　　圖2為并聯晶體管穩壓電路。其中T是調整管、D2是基準穩壓管，Rs是Dz的限流電阻，R。是負載。這個穩壓電路的輸出電壓約等于穩壓管Dz的穩壓值（實際上要加上T發射結電壓，一般鍺管取0.3V，硅管取0.7V）。這是由于電源在工作時，T發射結導通，發射極電壓與基極電壓連結一致，而基極電壓被Dz穩定在一個固定值。這個電路可以看作T將Dz的穩壓作用放大了B倍，相當于接入一個穩壓值為Dz穩壓值，穩壓效果為B倍D2穩壓效果的穩壓管。

　　并聯穩壓電路穩壓性能有所提高，線路也不復雜，其優點是：有過載自保護性能，輸出斷路時調整管不會損壞;在負載變化小時，穩壓性能比較好;對瞬時變化的適應性較好。但并聯穩壓電路也有比較大的缺點：效率較低，特別是輕負載時，電能幾乎全部消耗在限流電阻和調整管上;輸出電壓調節范疇很小;穩定度不易做得很高。這些固有的缺點很難改進，所以現在普遍利用的都是串聯穩壓電路。

　　3、串聯晶體管穩壓電路

　　圖3為簡單的串聯晶體管穩壓電路。調整管T與負載電阻R。相串聯，當由于供電或用電發生變化引起電路輸出電壓波動時，它都能及時地加以調節，使輸出電壓保持基本穩定，因此它被稱做調整管。穩壓管Dz為調整管提供基準電壓，使調整管基極電位不變。R。是D2的保護電阻，限制通過D2的電流，起保護穩壓管的作用。

　　電路穩壓過程是這佯的：如果輸人電壓Us增大，使輸出電壓U。增大時，由于U.=U.固定不變，調整管基射集間電壓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?；痉€定。如果負載電流I。增大，使輸出電壓U。減小時，由于U。固定，U》將增大，U。減小，也同樣地使U?；痉€定。

　　從上面分析中可以看到，調整管既象是一個自動的可變電阻：當輸出電壓增大時，它的“阻值”就增大，分擔了大出來的電壓;當輸出電壓減小時，它的“阻值”就減小，補足了小下去的電壓。無論是哪種情況，都使電路保持輸出一個穩定的電壓。這種穩壓電路也能輸出較大的電流，而且輸出電阻低，穩壓性能好;電路也易于制作，但其也有輸出電壓不可調等缺點。

　　4、開關型穩壓電路

　　散熱器，體積和重量都大為減小，具有體積小，效率高的優點。這種開關型電路已在各種電子設備中獲得廣泛的應用。

　　開關式穩壓電源接控制方式分為調寬式和調頻式兩種，在實際的應用中，調寬式使用得較多，在目前開發和使用的開關電源集成電路中，絕大多數也為脈寬調制型。

　　基于上述線性穩壓電路的線性穩壓電源雖然電路結構簡單、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，工作溫度高及調整范圍小等缺點。為解決線性型穩壓電源功耗較大的缺點，研制了開關型穩壓電源。開關穩壓器的轉換率可達60%~85%以上，而且可以省去工頻變壓器和巨大的開關式穩壓電源的基本電路框圖如圖4所示。交流電壓經整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動成份的直流電壓，該電壓進人高頻變換器被轉換成所需電壓值的方波，最后再將這個方波電壓經整流濾波變為所需要的直流電壓。控制電路為一脈沖寬度調制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調制及基準電壓等電路構成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關電源用集成電路?？刂齐娐酚脕碚{整高頻開關元件的開關時間比例，以達到穩定輸出電壓的目的。

　　常用的實現開關控制的方法;有自激式開關穩壓器、脈寬調制式開關穩壓器和直流變換式開關穩壓器等。開關型穩壓電路體積小，轉換效率高，但控制電路較復雜。隨著自關斷電力電子器件和電力集成電路的迅速發展，開關電源已得到越來越廣泛的應用。

　　一款自激式穩壓電源原理分析

　　自激式直流穩壓源它具有體積小、重量輕、效率高、對電網電壓及頻率的變化適應性強、輸出電壓保持時間長、有利于計算機信息保護等優點，因而廣泛應用于以電子計算機為主導的各種終端設備、通信設備，是當今電子信息產業飛一款自激式直流穩壓電源原理分析。

　　開關電源工作原理

　　開關電源的工作原理如圖1所示，輸入電壓為AC220v，50Hz 的交流電，經過濾波，再由整流橋整流后變為直流，通過控制電路中開關管的導通和截止使高頻變壓器的一次測產生低壓高頻電壓，經由小功率高頻變壓器藕合到二次測，再經整流濾波，得到直流電壓輸出。為了使輸出電壓穩定，用了TL431取樣，將誤差經光耦合放大，通過PWM來控制開關管的導通與截止時間（即占空比），使得輸出電壓保持穩定。

　　開關電源的設計

　　開關電源電路圖如圖2所示。在此功率轉換電路中，采用單端反激式變換器，單端是因為其高頻變壓器的磁芯只工作在第一象限。按變壓器的副邊開關整流器=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。原邊主功率開關管與副邊整流管的開關狀態相反（開關管導通時，副邊的整流=極管截止）稱為單端反激式。當原邊加到高電平激勵脈沖使Q1導通，直流輸入高頻變壓器的原邊兩端，此時因副邊是。上負下正，使整流=極管截止;當驅動脈沖為低電平使Q1截止，原邊兩端極性反向，使副邊繞組兩端變為上正下負，則整流二極管被正向導通，此后變壓器副邊的磁能向負載釋放。因此單端反激式變換器只是在原邊Q1導通時儲存能量，當它截止時才向負載釋放，故高頻變壓器在開關過程中，既起變壓隔離作用，又是電感儲能元件。

　　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構成，C2和C3的中點應接地，用來抑制共模干擾。C1用來濾波，濾除串模千擾，電容量較大。鑒于開關管BU508A在關斷的瞬間，高頻變壓器的漏感會產生尖峰電壓，利用C8、R3和D1組成鉗位電路，C9的作用是濾除開關管集電極的尖峰電壓，決定自動重啟動頻率，C9和R4一起對控制回路進行補償，同時C9和R4還起原邊快速復位的作用，能有效的保護開關管不被損壞。

　　1、開關電源的開關控制部分

　　開關電源其核心是開關控制部分，主要工作過程是通過圖2中B點和C點電壓的高低來控制主功率開關管Q1導通和截止的時間（即占空比的大?。?。當Q1截止時A點為高電平，C5對Q1放電，使B點電位迅速提高，使開關管Q1基極電位高于發射極，因而Q1飽和導通，并對C5進行充電。而此時的電流為變壓器原邊電流與Q1導通時的電流之和，所以流經R5的電流值很大，C點電位升高，飽和導通使A點電位下降，Q1也就截止。

　　D2和D3作用是在Q1導通時，使C點電位不致很高，否則C5的放電時間過長，使Q1關斷時間toff過大，而Q1導通時間ton保持不變，這樣頻率變低。若Q1導通時C

　　點提升太高時，才將Q1變為截止，此時D2和D3正向導通，C點的電位降低，使得C5放電時間很短就能將使Vb》Vc，使toff也很小，因而可以使頻率達到很高。

　　2、PWM調節部分

　　Q1導通時，繞組N2上正下負，C10吸收剛放電時的尖峰電壓，防止二極管D10正向導通損壞，D10正向導通，使B點電位升高，從而使Q1更快飽和導通。同時Q2導通，再使Q3也導通，B點電壓下降，原邊線圈電流減小至截止。這時N2邊為下正上負，D4和D5導通，Q4基極變為高電位，Q4導通，C點電位降低，截止時間變短，而TL431反饋電流使流入Q4基極的電流就會減小，C點電位就下降得慢，截止時間變長。Q1導通時，TL431反饋電流決定C點電位升高的快慢來達到穩壓的目的。C12是用來保護Q3，在截止時反向峰值電壓過高，而損壞Q3。反饋控制就是將取樣電壓與基準電壓比較，轉化為電流，再經電流放大來調節ton與toff來控制占空比從而達到穩壓的目的。

　　R12是輸出電壓的最小負載，防止負載空載時電壓太高，用于提高輕載時的電壓調整率。C17可適當的降低誤差放大器的高頻增益。TL431的基準電壓與輸出電壓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。誤差放大的頻率應由R13、R16、VR和C17訣定。由C14和R10構成的RC吸收網絡，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，以及負載無關，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對輸出功率的影響最大，但受到磁通復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，還可以在前面加入一一個電位器，也能改變直流電壓，而頻率要受到功率開關管本身條件的限制。所以改變原邊繞組匝數是一個比較好的方法，原邊線圈繞組寬度不要太長，而將其分為多層，每一層的接入都用一個開關控制，需要不同的繞組匝數接入不同的開關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時間內要使高頻變壓器的原邊磁通復位，在ton時間內要使其副邊磁通復位，如果在開關工作周期結束時，磁通沒有回到周期開始的起點，則變壓器磁芯內的磁通就會逐漸增加，導致磁芯飽和而損壞功率開關管。要滿足單端變換器的磁通復位條件，就要使Ton與Toff的時間適當，不能太長，否則使開關管的頻率變低，同時與高頻變壓器原邊與副邊繞組的匝數有關。