自主閱讀：開關集成穩(wěn)壓電源的簡介

1、5.5自主閱讀：開關集成穩(wěn)壓電源的簡介介紹1. 開關穩(wěn)壓電路的工作原理 前述的串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路由于調整管工作在線性放大區(qū)，因此在負載電流較大時，調整管的集電極損耗（PC=UCEIO）相當大，電源效率(=PO/PI=UOIO/UIIO)較低，一般為 4060，有時還要配備龐大的散熱裝置。為了克服上述缺點，可采用串聯(lián)開關式穩(wěn)壓電路，電路中的串聯(lián)調整管工作在開關狀態(tài)，即調整管主要工作在飽和導通和截止導通狀態(tài)。由于管子飽和導通時管壓降UCES和截止時管子的電流ICEO都很小，管耗主要發(fā)生在狀態(tài)轉換過程中，電源效率可提高到8090，所以其體積小、重量輕，且適應交流電網(wǎng)電壓波動的性能好，適應范圍可達15

2、0280V。它的主要缺點是輸出電壓中所含紋波較大，對電子設備的干擾較大，而且電路比較復雜，對元器件要求較高。目前正尋求克服這些缺點的方法。但由于優(yōu)點突出，已成為宇航、計算機、通信和功率較大電子設備中電源的主流，應用日趨廣泛。 開關型穩(wěn)壓電路原理框圖如圖5.5.1所示。它與串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路相比，增加了LC濾波電路及產(chǎn)生固定頻率的三角波電壓（uT）發(fā)生器和比較器C組成的控制電路。 圖5.5.1 串聯(lián)開關型穩(wěn)壓電路原理圖 工作原理：電路中，UI是整流濾波電路的輸出電壓，uB是比較器的輸出電壓。該電路利用uB控制調整管T，將uI變成斷續(xù)的矩形波電壓uE（uD）。當比較放大器輸出電壓uAuT時，uB為

3、高電平，T飽和導通，輸入電壓uI經(jīng)T加到二極管 D的兩端，電壓uE等于UD（忽略管T和飽和壓降），此時二極管D承受反向電壓而截止，負載中有電流iD流過，電感L儲存能量，同時向電容器C充電。輸出電壓uO略有增加。當uAuT時，uB為低電平，T由導通變?yōu)榻刂?，濾波電感產(chǎn)生自感電勢（極性如圖5.5.1中所示），使二極管D導通，于是電感中儲存的能量通過D向負載RL繼續(xù)提供電流，因而常稱D為續(xù)流二極管。此時電壓uE等于UD（二極管正向壓降）。由此可見，雖然調整管處于開關工作狀態(tài)，但由于二極管D的續(xù)流作用和LC的濾波作用，輸出電壓是比較平穩(wěn)的。圖5.5.2畫出了電流iL、電壓uT、uA、uB、uE（uD）

4、和uO的波形。圖中ton是調整管T的導通時間，toff是調整管T的截止時間，T=ton十toff是開關轉換周期。顯然，在忽略濾波電感L的直流壓降的情況下，輸出電壓的平均值為 (5.5.1)式中q=ton/T稱為脈沖波形的占空比。由式（5.5.1）可見，對于一定的UI值，通過調節(jié)占空比即可調節(jié)輸出電壓UO，故稱脈寬調制（PWM）式開關穩(wěn)壓電源。 圖5.5.2開關式穩(wěn)壓電路的電壓電流波形 圖5.5.3 UI、UO變化時各電壓波形 在閉環(huán)情況下，電路能自動地調整輸出電壓。設在某一正常工作狀態(tài)時，輸出電壓為某一預定值Uset，反饋電壓UF=FuUset=UREF，比較放大器輸出電壓uA為零，比較器C輸

5、出脈沖電壓uB的占空比q=50，uT、uB、uE的波形如圖5.5.3(a)所示。當輸入電壓UI增加致使輸出電壓UO增加時，UFUREF，uA為負值，uA與固定頻率三角波電壓uT相比較，得到uB的波形，其占空比q50，使輸出電壓下降到預定的穩(wěn)壓值Uset，此時，uA、uT、uB、uE的波形如圖5.5.3(b)所示。同理，UI下降時，UO也下降，UFUREF，uA為正值，uB的占空地q50，輸出電壓UO上升到預定值。總之，當UI或負載RL變化使UO變化時，可自動調整脈沖波形的占空比，使輸出電壓維持恒定。 為了提高開關穩(wěn)壓電源的效率，開關調整管應選取飽和壓降UCES及穿透電流ICEO均小的功率三極管

6、，而且為減小管耗，通常要求開關轉換時間tS0.01 T，開關調整管一般選用fT10fK（fK=lT，稱為開關頻率）的高頻功率三極管；續(xù)流二極管D的選擇也要考慮導通、截止和轉換三部分的損耗，所以選用正向壓降小、反向電流小及存儲時間短的開關二極管，一般選用肖特基二極管；輸出端的濾波電容使用高頻電解電容。 開關穩(wěn)壓電源的控制電路一般用“電壓脈沖寬度調制器（簡稱脈寬調制器）”。 開關頻fK的選擇對開關穩(wěn)壓器的性能影響也很大。fK越高，需要使用的L、C值越小，這樣，系統(tǒng)的尺寸和重量將會減小，成本將隨之降低；另一方面，開關頻率的增加將使開關調整管單位時間轉換的次數(shù)增加，使開關調整管的功耗增加而效率將降低。

7、目前，隨著開關三極管、電容、電感材料及工藝性能的改進，fK可提高到（15500）kHz。 實際的開關式穩(wěn)壓電源電路通常還有過流、過壓等保護電路，并備輔助電源為控制電路提供低壓電源等。與線性電源相同，開關電源也是用電路本身形成的反饋回路實現(xiàn)自動調節(jié)的，但在開關電源電路中，除有采樣環(huán)節(jié)、基準電源、比較放大電路以外，還必須有把比較放大器的輸出電壓轉換成脈沖寬度的脈寬調制器和一個固定頻率的脈沖振蕩器，即電壓一脈寬轉換電路。圖5.5.4就是PWM型開關電源的線路圖之一。圖中IS是恒流源；V1是調整開關；V2是驅動管；D是續(xù)流二極管；L是儲能器并與C組成濾波器；R和DZ是基準電源；R1，Rp，R2組成采樣

8、電路；A是比較放大器；PWM是電壓一脈寬轉換電路，其輸出的脈沖頻率固定，而脈沖寬度受電壓比較器A的輸出電壓控制，簡稱為脈寬調制器。圖5.5.4 脈寬調制型開關電源脈寬調制器產(chǎn)生一系列脈沖波，通過驅動器T2激勵調整開關T1。當脈沖系列使T2截止時，T1因基極得到全部IS而被激勵到飽和導通，UAUI，二極管D反偏截止，電壓UI對L及C充電，同時供給負載能量。電感L在T1飽和期間儲存能量、電感中的電流線性上升。當脈沖系列使T2飽和時，電流IS被T2吸收，T1截止關斷，續(xù)流二極管D導通，UA0，電感L在T1截止期間經(jīng)二極管D及負載釋放能量、電感中電流線性減小。在脈沖系列再次使T2截止時，T1又飽和導通

9、，二極管D又截止，電感電流又開始線性增長，重復上述過程。由于在T1關斷期間，電感中能量經(jīng)續(xù)流二極管及負載釋放，因而使負載電流在T1關斷期間仍然連續(xù)。如果LC組成的濾波器滿足XL>>RL，XC<< RL，則負載上的脈沖列及其全部諧波都被濾去，剩下平均值，為 式中T為脈沖系列的周期，ton為V1導通的時間，q為占空比（0ql）。在圖5.5.4中，設采樣電路分壓系數(shù)為K，比較放大器的放大倍數(shù)為AU，基準電壓為Uz,則比較放大器的輸出電壓UO1為 UO1=AU（UzKUO） （5.5.2）設PWM的脈沖寬度調制是線性的，調制系數(shù)為km，則占空比為qkmUO1kmAU（UzKUO

10、） （5.5.3）將式（5.5.3）代入式（5.5.1）,并假定kmAUUI>>l時，整理得 （5.5.4）上式說明，開關穩(wěn)壓電源的輸出電壓與線性穩(wěn)壓電源的輸出電壓有相同的表達關系，即僅與基準電壓和分壓系數(shù)有關，因而其值非常穩(wěn)定。開關穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓過程如下：當負載或輸入電壓變化引起輸出電壓UO增加時，采樣電壓KUO也增加，經(jīng)比較放大電路后的輸出電壓UO1減少，使占空比q減少，進而使輸出電壓減少，補償了輸出電壓的增加，使輸出電壓穩(wěn)定。上述穩(wěn)壓過程可表示為UOKUOUO1qUO同理，當輸出電壓減少時，也有與上述過程相似的反饋過程，使輸出電壓穩(wěn)定。介紹2. CW152425243524系

11、列集成開關穩(wěn)壓器的介紹目前常用的集成開關穩(wěn)壓器通常分為兩類。一類是單片的脈寬調制器，其代表產(chǎn)品有CW1524等，這類脈寬調制器需要外接開關功率管，電路較復雜，但應用靈活。另一類是脈寬調制器和開關功率管制作在同一芯片上，構成單片集成開關穩(wěn)壓器，其代表產(chǎn)品有CW49604962等，這類集成開關穩(wěn)壓器集成度更高，使用方便。CW1524系列是采用雙極型工藝制作的模擬、數(shù)字混合集成電路，內部電路包括：基準電壓源、誤差放大器、振蕩器、脈寬調制器、觸發(fā)器、兩只輸出功率晶體管及過流過熱保護電路等。CW152425243524的區(qū)別在于工作結溫不同（CW15241作結溫為55150，CW25243524工作結溫

12、為0125），其最大輸入電壓為40V，最高工作頻率為100kHz，內部基準電壓為5V，能承受的負載電流為50mA。每路輸出電流為100mA。CW1524系列采用直插式16腳封裝，引腳排列如圖5.5.5所示，各腳的功能為： 1、2腳分別為誤差放大器的反相和同相輸入端，即1腳接取樣電壓，2腳接基準電壓。3腳為振蕩器輸出端，可輸出方波電壓，6、7腳分別為振蕩器外接定時電阻RT端和定時電容CT端。振蕩頻率fo=115RTCT，一般取RT=1.8100k，CT0.0101F。4、5腳為外接限流取樣端，8腳是地端，9腳是補償端，10 腳為關閉控制端，控制10腳電位可以控制脈寬調制器的輸出，直至使輸出電壓為

13、零。11、12腳分別為輸出管A的發(fā)射極和集電極，13、14腳分別是輸出管B的集電極和發(fā)射極。輸出管A和B內均設限流保護電路，峰值電流限制在約100mA。15腳是輸入電壓端。16腳是基準電壓端，可提供電流50mA、電壓為5V的穩(wěn)定基準電壓源，該電源具有短路電流保護。 圖5.5.5 CW1524系列引腳排列 圖5.5.6所示為采用CW1524構成的開關穩(wěn)壓電源實例，通過外接開關調整管V1、V2，可實現(xiàn)擴流。12和13腳、11和14腳連接在一起，將芯片內輸出管A和B并聯(lián)作為外接復合調整管V1、V2的驅動級。6、7腳分別接入R5和C2，故振蕩器的振蕩頻率fo=1.15(3×103×

14、0.02×106)=19.2kHz。由16腳輸出的5V基準電壓經(jīng)R3、R4的分壓得UREF= 5V×R4(R3R4)25V，送到誤差放大器的同相輸入端2腳。穩(wěn)壓電源的輸出電壓UO經(jīng)取樣電路R1、R2的分壓，獲得 UFUO R2(R1R2)，送到誤差放大器反相輸入端 1腳。根據(jù)UFUREF，則可求得輸出電壓UO為 （5.5.5）4與5腳之間外接電阻R0為限流保護取樣電阻，以防止T1、T2管過載損壞，其阻值決定于芯片內所需限流信號電壓（為0.1V）與限定最大輸出電流的比值，本電源要求輸出最大電流為1A，所以R00l。9腳外接R6、C3用于防止電路產(chǎn)生寄生振蕩。輸入電壓28V由1

15、5腳接入。圖5.5.6 CW1524降壓型開關穩(wěn)壓電源 介紹3. CW49604962系列集成開關穩(wěn)壓器的介紹 CW49604962已將開關功率管集成在芯片內部，所以構成電路時，只需少量外圍元件。最大輸入電壓50V，輸出電壓范圍為5.140V連續(xù)可調，變換效率為90。脈沖占空比也可以在0100內調整。該器件具有慢起動、過流。過熱保護功能。工作頻率高達100kHz。CW4960額定輸出電流為2.5A，過流保護電流為34.5A，用很小的散熱片，它采用單列7腳封裝形式，如圖5.5.7（a）所示。CW4962額定輸出電流為1.5A，過流保護電流為2.53.5A，不用散熱片，它采用雙列直插式16腳封裝，

16、如圖5.5.7（b）所示。 圖5.5.7 CW4960/4962引腳排列CW49604962內部電路完全相同，主要由基準電壓源、誤差放大器、脈沖寬度調制器、功率開關管(內接)以及軟啟動電路、輸出過流限制電路、過熱保護電路等組成。CW49624960的典型應用電路如圖5.4.8所示（有括號的為CW4960的管腳標號），它為串聯(lián)型開關穩(wěn)壓電路。輸入端所接電容C1可以減小輸出電壓的紋波，R1、R2為取樣電阻，輸出電壓為 （5.5.6）R1、R2的取值范圍為50010k。 圖5.5.8 CW4960/4962典型應用電路如圖5.5.8所示，RT、CT用以決定開關電源的工作頻率flRTCT，一般 RT=

17、127k，CT= l3.3nF，工作頻率為106kHz，RP、CP為頻率補償電路，用以防止產(chǎn)生寄生振蕩，V為續(xù)流二極管，采用4A50V的肖特基或快恢復二極管，C3為軟啟動電容，一般C3=14.7F。 介紹4. 集成開關穩(wěn)壓器的應用一例TDA4605是飛利浦公司開發(fā)的一種驅動場效應管的開關穩(wěn)壓控制集成電路。集成電路內含啟動脈沖發(fā)生器、參考電壓發(fā)生器、誤差放大器、恒流源與電流控制輸出器，以及各種電壓檢測器，過流、過壓、欠壓等保護電路。TDA4605經(jīng)常應用在家電中的一種穩(wěn)壓開關穩(wěn)壓器。圖5.5.9是用在某一彩色電視機中的開關電源。首先介紹一下芯片的功能，然后簡單簡單說明電路具有的功能。該芯片共有8

18、只引腳，各引腳功能如下。 P1腳是取樣電壓反饋輸入端，通過對輸出電壓取樣，控制開關管導通時間，使輸出電壓保持穩(wěn)定，實現(xiàn)自動穩(wěn)壓。 P2腳是定時端，外接RC積分電路，當對電容C充電使其電壓達到3V時，則內部電路翻轉，電容C通過內部閉合的等效開關很快放電至1V，并在1V上維持一定時間。對電容C何時再啟動充電由P8腳決定，當P8腳上的信號極性由正向負跳變時，P2腳內部電路翻轉，等效開關斷開，開始對電容C充電。 P3腳是過小輸入保護端，一般連接到整流濾波輸出端。當電路處于處于保護狀態(tài)時，P5腳無驅動信號輸出，開關管截止，P3腳電壓約為1V；若P3腳電壓超過1.7V，P2腳產(chǎn)生一額外電流對外接的電容C充

19、電，P3腳電壓越高，P2腳輸出的電流也越大，這樣使電容C充電至3V的時間縮短，相應的開關管導通時間也縮短，起到穩(wěn)定輸出電壓的作用，使因輸入電壓變化而引起輸出電壓變化的趨勢得到抑制。 P4腳為地端。 P5腳為開關管驅動脈沖輸出端，在P2腳電容C充電期間，輸出驅動脈沖，使開關管導通。這種驅動適合于場效應管。 P6腳是電源端，它內部設有監(jiān)視電路，只有P6腳電壓達到12V時，該集成電路才啟動工作。啟動后，P6腳需6.9V以上的電壓維持工作，當電壓降至6.9V以下時，集成電路停止工作。 P7腳是軟啟動端，外接啟動電容，在內部3V基準電壓對電容充電期間，控制開關管的導通時間。 P8腳是過零檢測控制信號輸入

20、端。圖5.5.9所示的電源電路功能描述如下： 市電220V交流電經(jīng)L801、L802兩級濾波后濾除電網(wǎng)中的干擾信號，然后送到BD801全波整流，經(jīng)C808、C809濾波后得到300V左右的直流電壓，作為開關電源的工作電壓。L801和L802及輸入電路中的電容，同時還有防止開關電源的脈沖信號串入電網(wǎng)而污染電源的作用。 圖5.5.9 集成開關穩(wěn)壓電源應用實例之一 開關電源的振蕩：開關電源的振蕩芯片采用TDA4605-2，該電路能完成開關電源的振蕩、穩(wěn)壓及各種保護。 220V交流電壓經(jīng)BD801整流、R804限流、C810濾波后，得到10V左右的電壓，加到IC801的（6）腳，作為開關電源的起動電壓

21、。IC801開始振蕩，從（5）腳輸出振蕩脈沖，經(jīng)R813加到開關管Q801的柵極，開關變壓器各繞組開始輸出電壓，完成起動過程。IC801（5）腳輸出的振蕩脈沖頻率，與負載的輕重有關。 開關電源的穩(wěn)壓：TDA4605-2的（1）腳為誤差放大取樣電流輸入端。開關變壓器的（5）腳繞組輸出的電壓，其中一路經(jīng)D802整流、C815濾波，再經(jīng)R824+R812與R810分壓后送到IC801的（1）腳，同時光耦IC803內部的三極管的C、E極是并聯(lián)在R824上的，因而IC803內部的三極管的導通程度影響了（1）腳輸入電流的大小，而光耦內部的發(fā)光二極管是經(jīng)RR825、VR801、R826、R827，在主電源輸出電壓120V上取樣的，這樣就構成了一個穩(wěn)壓控制回路，調節(jié)VR801，可使輸出電壓控制在120V上。 保護電路有： 市電過壓保護：IC801的（2）腳經(jīng)R807+R808與300V直接相連，若電網(wǎng)電壓太高，則300V也必然升高，一旦IC801的（2）腳電壓大于3V，則內部保護電路動作，（5）腳無激勵脈沖輸出，開關電源停振。 市電欠壓保護：若電網(wǎng)電壓太低，則C808、C809正極的電壓也低，經(jīng)R840+R805與R806分壓后的電壓也低，一旦IC801的（3）腳電壓低于1.7V，則內部欠壓保護電路動作，（5）腳無激