經典直流穩(wěn)壓電路原理分析

張大為 崔 金 秦小二

【摘 要】電子設備大都對電壓抖動較為敏感，要求有穩(wěn)定的工作電壓，直流穩(wěn)壓電路是直流穩(wěn)壓電源的重要組成部分。本文對分析了常用的幾個直流穩(wěn)壓電路的工作原理，總結了各自的特點并給出了對比分析。

【關鍵詞】直流；穩(wěn)壓電路；原理分析

穩(wěn)壓電路是指在輸入電壓、負載、環(huán)境溫度、電路參數等發(fā)生變化時仍能保持輸出電壓恒定的電路。這種電路能提供穩(wěn)定的直流電源，對各種電子設備能夠穩(wěn)定工作起到了重要的作用。常見直流穩(wěn)壓電路主要有四種，分別為：穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路、串聯(lián)晶體管穩(wěn)壓電路、并聯(lián)晶體管穩(wěn)壓電路和開關型穩(wěn)壓電路。

一、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路

穩(wěn)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(qū)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(wěn)壓作用。因為這種特性，穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準元件使用。

圖1為穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路，由限流電阻RS和穩(wěn)壓二極管DZ組成。

Us為未穩(wěn)壓的輸入直流電壓， UO為經過穩(wěn)壓的直流電壓， RS為DZ的限流保護電阻， 又起電壓調整作用， DZ為穩(wěn)壓二極管， RL為負載電阻。其工作原理是： 此電路主要利用穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)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UO 即DZ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UO不變， 反之亦然。在實際應用中RS的特性和DZ的特性對整個穩(wěn)壓過程起關鍵作用。

這種穩(wěn)壓電路的工作范圍受穩(wěn)壓管最大功耗的限制，Iz不能超過一定數值。其關鍵是：在US、RL及UO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(wěn)定電流Iz和穩(wěn)壓管允許的功耗不超過規(guī)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(wěn)定電流。

二、并聯(lián)晶體管穩(wěn)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(wěn)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(lián)晶體管穩(wěn)壓電路。其中T是調整管、DZ是基準穩(wěn)壓管，Rs是Dz的限流電阻，RO是負載。這個穩(wěn)壓電路的輸出電壓約等于穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)壓值（實際上要加上T發(fā)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(fā)射結導通，發(fā)射極電壓與基極電壓連結一致，而基極電壓被DZ穩(wěn)定在一個固定值。這個電路可以看作T將DZ的穩(wěn)壓作用放大了β倍，相當于接入一個穩(wěn)壓值為DZ穩(wěn)壓值，穩(wěn)壓效果為β倍DZ穩(wěn)壓效果的穩(wěn)壓管。

并聯(lián)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓性能有所提高，線路也不復雜，其優(yōu)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(wěn)壓性能比較好；對瞬時變化的適應性較好。 但并聯(lián)穩(wěn)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(jié)范疇很?。环€(wěn)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(lián)穩(wěn)壓電路。

三、串聯(lián)晶體管穩(wěn)壓電路

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

電路穩(wěn)壓過程是這佯的：如果輸人電壓US增大，使輸出電壓UO增大時，由于Ub=Uw固定不變，調整管基射集間電壓Ube =Ub-US將減小，基極電流Ib隨之減小，而管壓降Uce 隨之增大，從而抵消了US 增大的部分，使UO基本穩(wěn)定。如果負載電流IO增大，使輸出電壓UO減小時，由于Ub固定，Ube 將增大，Uce 減小，也同樣地使UO基本穩(wěn)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(wěn)定的電壓。這種穩(wěn)壓電路也能輸出較大的電流，而且輸出電阻低，穩(wěn)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。

四、開關型穩(wěn)壓電路

基于上述線性穩(wěn)壓電路的線性穩(wěn)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(wěn)壓電源功耗較大的缺點，研制了開關型穩(wěn)壓電源。開關穩(wěn)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散熱器，體積和重量都大為減小，具有體積小，效率高的優(yōu)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(wěn)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(fā)和使用的開關電源集成電路中，絕大多數也為脈寬調制型。

開關式穩(wěn)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?yōu)樗枰闹绷麟妷?。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(wěn)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(wěn)壓器、脈寬調制式開關穩(wěn)壓器和直流變換式開關穩(wěn)壓器等。開關型穩(wěn)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(fā)展，開關電源已得到越來越廣泛的應用。

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