开关式稳压电路课件.ppt
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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
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