淺談兩種直流穩(wěn)壓電源

安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 王冬菊

引言

電子設(shè)備越來越廣泛的應(yīng)用于社會生活的各個方面，這些設(shè)備絕大多數(shù)都需要直流穩(wěn)壓電源提供能源，電源質(zhì)量的優(yōu)劣和可靠性直接影響到整個電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)及工作的安全性。目前常用的直流穩(wěn)壓電源有線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源兩類[1]。它們分別具有各自的特點(diǎn)和使用范圍。

1 線性穩(wěn)壓電源的基本原理和組成

線性穩(wěn)壓電源的組成框圖一般如圖1所示下[2]。

圖1 直流電源的組成

線性穩(wěn)壓電源主要指的是串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，其穩(wěn)壓電路主要包括調(diào)整管、采用電阻、放大電路和基準(zhǔn)電壓四個組成部分。電路中的功率器件調(diào)整管工作在線性區(qū)，引入電壓負(fù)反饋，，靠調(diào)整管之間的電壓降的變化來穩(wěn)定輸出電壓。

典型的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路仿真電路如圖2[2]。

圖2 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路仿真電路

電阻R1，R2，R3構(gòu)成采用電阻，對輸出電壓的變化量進(jìn)行采集，放大器A把采用電壓和基準(zhǔn)電壓（7V）的差值進(jìn)行放大加載調(diào)整管Q2基級，通過改變調(diào)整管的輸出信號改變調(diào)整管的電壓降使得輸出電壓穩(wěn)定。通過可調(diào)電阻R2的調(diào)節(jié)實現(xiàn)輸出電壓連續(xù)可調(diào)。

目前，線性穩(wěn)壓電源一般不采用單立元件進(jìn)行設(shè)計，通常根據(jù)設(shè)計需要選擇合適的集成穩(wěn)壓器進(jìn)行設(shè)計。集成穩(wěn)壓器的內(nèi)部本質(zhì)上就是將串聯(lián)穩(wěn)壓電路、保護(hù)電路和啟動電路集成在一個芯片上。集成穩(wěn)壓器體積小，其可靠性和溫度特性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于單立元件電路構(gòu)建的穩(wěn)壓電路，因此得到了廣泛的應(yīng)用。常用集成穩(wěn)壓器有LM78系列。

線性直流穩(wěn)壓電源一般工作在工頻范圍，優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性高，紋波小，無輻射干擾，可靠性高，易做成多路，輸出連續(xù)可調(diào)的成品。缺點(diǎn)是體積大、變壓器較笨重、效率相對較低，一般只有20%-40%左右。

2 開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源

開關(guān)電源是基于現(xiàn)代電力電子技術(shù)，電源中的功能管或者工作在飽和區(qū)或者截止區(qū)即開關(guān)狀態(tài)，通過對可控器件通斷時間比的控制來實現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定的一種電源。

開關(guān)電源是以電力電子技術(shù)為理論基礎(chǔ)，以其內(nèi)部核心是DC-DC電路，根據(jù)DC-DC電路的類型，可以分為非隔離型和隔離型兩種。非隔離型主要包括升壓電路、降壓電路、升降壓電路、Cuk型電路、Sepic電路和Zeta斬波電路。隔離型的電路有正激電路，反激電路、半橋型電路和全橋型電路。實際應(yīng)用中，DC-DC電路更多地指隔離型電路[3]。

基于隔離型DC-DC電路的開關(guān)電源的常見原理圖如圖3所示，其工作原理是：交流電經(jīng)過整流濾波后變?yōu)楦邏褐绷麟?，隨后經(jīng)過高頻變壓器轉(zhuǎn)換成高頻低壓脈沖，再次經(jīng)過整流和濾波形成直流低電壓輸出。其中，開關(guān)管的導(dǎo)通占空比可調(diào)，以此實現(xiàn)輸出直流電壓的穩(wěn)定。

圖3 開關(guān)電源原理圖

開關(guān)電源設(shè)計的主流是采用集成DC-DC芯片，輔以外圍電路達(dá)到設(shè)計需求。例如常用降壓芯片LM2596，其典型電路如圖4，選擇合適的元件按照LM2596的引腳進(jìn)行正確接線，就可以得到一個穩(wěn)定的降壓輸出。

圖4 LM2596典型電路連接圖

開關(guān)電源中的電力器件工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小，高頻變壓器相對較小，因此開關(guān)電源具有體積小，重量輕，效率高（一般可以達(dá)到70%-95%）和穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)相對于線性電源來說紋波較大，容易產(chǎn)生電磁干擾。

4 直流穩(wěn)壓電源發(fā)展趨勢

線性穩(wěn)壓電壓穩(wěn)壓穩(wěn)定度好，紋波系數(shù)小，但是效率低，體積大，適用于中小功率場合和對直流電要求比較高的場合。開關(guān)電源體積小，效率高，目前廣泛用于各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域等。開關(guān)電源是未來電源技術(shù)發(fā)展的主要方向，正在向高頻、低耗、低噪聲、輕巧、高可靠、抗干擾和模塊化發(fā)展[4]。

[1]沙占友.新型單片開關(guān)電源的設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2001.

[2]楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程[M].北京：高等教育出版社，2005：390.

[3]王兆安.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009：119-135.

[4]鄭耀添.直流電源技術(shù)的發(fā)展發(fā)向[J].韓山師范學(xué)院學(xué)報,26(3)：27-29.