小功率直流稳压电源的分析研究

直流稳压电流

在电子电路中,通常都需要电压稳定的直流电源供电,尤其当前手机、平板、移动终端的高速发展,小功率(小于1KW)稳压电源成了必不可少的一部分,同时小功率稳压电源的性能参数要求也有了更高的标准,小功率稳压电源由:变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路等四部分电路组成,如下图:

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电源变压器是将交流电网220V/50Hz的电压经过变压器转换为需要的电压值,然后经过整流电路将交流电转换为脉动的直流电,由于脉动的电压中含有较大的纹波电压,纹波电压对电子器件有很大的影响,不但影响电子器件的性能,而且影响其安全性,因此必须经过滤波电路加以滤除,从而得到平缓的直流电压,但是这样的电压仍然是不稳定的,这样的电压随着电网电网波动、负载和温度变化而变化,因此在整流电路、滤波电路之后,还需要稳压电路,稳压电路的作用就是维持输出直流电压稳定输出。

一、直流稳压电源工作原理:

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1、变压器电路和整流电路

变压器的输入电压220V/50Hz交流电,V=220√2sin(wt),变压器的输出电压为正弦波动电压Vi=√2Visin(wt),此处设定幅值为√2Vi是为了方便计算理解,则其有效值为V,最大幅值为√2Vi,何为有效值,如下:

有效值(Effective value)

在相同的电阻上分别通以直流电流和交流电流,经过一个交流周期的时间,如果它们在电阻上所损失的电能相等的话,则把该直流电流(电压)的大小作为交流电流(电压)的有效值,正弦电流(电压)的有效值等于其最大值(幅值)的1/√2,约0.707倍。

整流电路:整流电流分为半波整流、全波整流、桥式整流等

在桥式整流电路中,二极管D两两轮流导通,所以流过每个二极管的平均电流为输出电流的一半,二极管的最大反向电压均为变压器二级电压的最大幅值电压 V,桥式整流电路的优点就是输出电压高,纹波电压较小,管子所承受的最大反向电压较低,同时因为电源变压器在正负半周内都有电流提供给负载,电源变压器的能量得到了充分的利用。因为一般电网的电压波动的范围为10%,所以二极管的电流和最大反向电压应至少有10%的余量,防止二极管击穿烧坏。

2、滤波电路

滤波电路用于滤除电路中的纹波,一般是由电抗元件组成,如在负载电阻两端并联电容C,或者在整流电路输出端串流电感L,以及由LC组成的各种滤波电路,常见的结构:电容输入式和电感输入式。

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电容输入式:电容输入式就是在电容在前端,这种滤波电路适用于小功率电路中,在电路中由于电抗元件具有储能作用,并联的电容C在电源电压升高时,能把部分的能量存储起来,而当电源电压降低时,就把电场能量释放出来,使负载电压比较平缓,即电容具有平波的功能;

电感输入式:电感输入式就是电感在前端,适用于大功率电路中,当电流足够大时,电感只与负载串联,一般适用于低电压、大电流中。串联的电感L在电源电流增加时,将部分的能量存储起来,而当电源电流降低时,就把磁场能量释放出来,使负载电流比较平缓,即电感也有平波作用。

电容滤波电路分析:

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在负载没有接入电路的时候,即开关断开,由于负载没有接入电路中,设电容初始电压为零,接入交流电后对电容进行充电,充电时间常数为Rint*C,Rint为变压器二级绕组和二极管的正向电阻,一般很小,所以电容快速充电到变压器的二级绕组的最大幅值电压 √2Vi,由于电容无放电回路,所以此时输出电压保持在最大幅值电压 √2Vi,为恒定的直流电压。

在负载接入电路后,即开关关闭,

a~b:变压器二级电压Vi从0开始上升的时候,即正半周时接入负载电阻,由于电容器在开关断开的时候已经充电,故在刚刚接入负载的时候,电容两端的电压Vc较大,二极管受反向电压作用而截止,电容器通过负载电阻放电,放电常数为RL*C,一般放电常数较大,电容两端的电压按指数规律下降,输出电压VL=Vc;

b~c:当变压器电压上升,同时电容两端的电压在下降,当两者电压相等的时候,随着变压器的电压还在上升,二极管正向导通,此时变压器二级电压一方面对电容进行充电,充电时间常数为(Rint||RL)*C,此时依然很小,电容迅速充电至最大值,另一方给负载提供电压。

c~d:变压器二级电压升到最大值后随着正弦曲线下降,此时电容电压大于变压器二级电压Vi,二极管反向电压作用而截止,电容通过负载电阻放电,如此周而复始进行充放电,使输出电压VL=Vc,减小了负载电压的波动。

3、为了更好的稳定输出电压,可以在滤波电路后接以稳压二极管以稳定输出电压。

二、定量分析

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