基于串聯開關型穩壓電源的分析與研究

武峭山

（大連交通大學 遼寧 大連 116028）

在工農業生產和科學實驗中經常用直流電源供電，有些電子線路和自動控制裝置中還需要用電壓非常穩定的直流電源。工程技術上常采用串聯型穩壓電源來實現穩壓，這種電路雖然能穩定直流電壓，但調整管（晶體三極管）是工作在放大狀態，功耗PC=UCEIC比較大，效率比較低，只有30%~40%左右。采用串聯開關型穩壓電源可以解決這一問題，由于調整管工作在飽和導通和截止狀態，所以把調整管稱之為開關管。因開關管飽和時UCE≈0，截止時IC≈0，所以功耗比較小，效率比較高，可提高到70%~80%左右，穩壓效果也能達到工程要求。分析和研究串聯開關型穩壓電源電路結構、工作原理，可設計和制造串聯開關型穩壓電源，以滿足生產和實驗的需要

1 電路組成

串聯開關型穩壓電源原理電路由三大部分組成，如圖1所示。變壓器Tr，整流二極管D1~D4組成單相橋式整流電路，主要作用是將變壓器次級線圈上的單相正弦交流電壓變為全波直流電壓；集成運算放大器 A1、A2，電阻 R1~R6，電容 C1和雙向穩壓二極管DZ1組成矩形波—三角波發生器電路，主要作用是將集成運算放大器A1輸出的矩形波電壓轉換成A2輸出的三角波電壓；晶體管T，集成運算放大器A3、A4，電感L，電容 C2，二極管 D5，穩壓二極管 DZ2，電阻 R7~R9組成串聯開關型穩壓電路，主要作用是穩定直流電壓和濾掉直流電壓中的交流分量（濾波）；P是交流電源，RL是負載電阻。

2 原理分析

整流電路部分。變壓器Tr將初級線圈上交流電源P產生的正弦交流電壓，變換為次級線圈上同頻率的正弦交流電壓u。在變壓器次級線圈電壓u的正半周時，變壓器次級線圈電壓上正下負，二極管D1、D3導通，D2、D4截止，導通的二極管D1、D3正向壓降忽略（設為理想二極管），則整流電路輸出一個半波電壓Ui≈u；在變壓器次級線圈電壓u的負半周時，變壓器次級線圈電壓上負下正，二極管 D2、D4導通，D1、D3截止，導通的二極管D2、D4正向壓降忽略（設為理想二極管），則整流電路又輸出一個半波電壓Ui≈u；在變壓器次級線圈電壓u的整個周期內，由整流二極管D1~D4整流輸出的直流電壓Ui為全波，整流前后的電壓波形如圖2所示。

圖2 單相橋式整流電路的電壓波形Fig.2 Single phase bridge rectifier circuit voltage waveform

矩形波—三角波發生器電路部分。這部分電路中的集成運算放大器 A1， 電阻 R1、R2、R4、R5和雙向穩壓二極管 D Z1組成了滯回比較器；集成運算放大器A2，電阻R3、R6和電容C1組成了積分電路。

電路工作穩定后，當比較器輸出電壓uo1為－UZ（穩壓二極管DZ1的穩定電壓）時，應用疊加定理可確定出A1同相輸入端的電位。

當A1的輸出端電壓uo1單獨作用，A2的輸出端電壓uo2不作用（uo2＝0，即 A2的輸出端接地）時，A1同相輸入端電位

當A2的輸出端電壓uo2單獨作用，A1的輸出端電壓uo1不作用（uo1＝0，即 A1的輸出端接地）時，A1同相入輸端電位

比較器A1的參考電壓u1-=0，要使輸出電壓uo1由－UZ變為+UZ，必須在 u1+=u1-=0 時實現，由（1））式得

A1、A2輸出端電壓共同作用時，A1同相輸入端電位即當uo2上升到Z時，uo1才能從－UZ變為+UZ。

同理，當比較器輸出電壓uo1為+UZ時，用疊加定理可確定出A1同相輸入端的電位是

要使比較器A1的輸出電壓uo1由+UZ變為－UZ，也必須在u1+=u1-=0 時實現，由（2）式得

即當uo2下降到-UZ時，uo1才能從+UZ變為－UZ。

這樣周期性地變化，A1輸出的是矩形波電壓uo1，A2輸出的是三角波電壓uo2。如圖3所示。

圖3 矩形波-三角波發生器電路的電壓波形Fig.3 Rectangular wave，triangular wave generator voltage waveform of the circuit

串聯開關型穩壓電路部分。圖1中晶體管T是調整管，電感L和電容C2組成LC濾波電路，D5為續流二極管，電阻R8、R9組成采樣電路，A4為比較放大器，A3為電壓比較器，電阻R7、穩壓二極管DZ2組成基準電壓電路。這部分電路主要起到濾波和穩壓作用。

首先分析濾波作用。調整管T集電極上加的電壓是整流后的輸出電壓Ui，基極上加的電壓是電壓比較器A3的輸出電壓uB，波形如圖4所示。

圖 4 uo2、uB、uE和 uo 的波形Fig.4 uo2、uB、uE and uo waveform

當uB為高電平電壓時，調整管T飽和導通，此時晶體管發射極電壓等于二極管D5上電壓為

UCES為調整管飽和管壓降，值很小忽略，續流二極管D5承受反向電壓而截止。Ui經LC濾波器濾波后向負載電阻RL供電，同時向電容器C2充電，輸出電壓uo基本平滑。

當uB為低電平電壓時，調整管T截止，整流電路與濾波電路斷開，電感電流iL方向不變，流經負載電阻RL和續流二極管D5，同時電容C2也向負載電阻RL放電，此時輸出電壓uo也基本平滑。調整管發射極電壓為

UD為續流二極管D5的正向壓降。uB、uE和uo的波形如圖4所示。

其次分析穩壓作用。在圖1中，從采樣電路取得采樣電壓UF與基準電壓電路提供的基準電壓UR經比較放大器A4比較放大后，得出輸出電壓Uo3。若 UF＜UR時，Uo3為正。Uo3與三角波電壓uo2在電壓比較器A3中比較后得到調整管基極電壓uB。當Uo3＞uo2時，uB為高電平電壓，使調整管飽和導通；反之，uB為低電平電壓，使調整管截止。電壓Uo3、uo2的波形如圖4所示。

串聯開關型穩壓電路輸出電壓的uo的平均值，在忽略電感直流電壓的情況下為調整管發射極電壓的平均值。即：

當由于輸入電壓或負載電阻變化使輸出電壓Uo發生變化（設減小）時，穩壓過程可分析如下：

保持輸出電壓Uo基本不變，達到了穩壓目的。

當由于輸入電壓或負載電阻變化使輸出電壓Uo發生變化（設增大）時，穩壓過程同上式相反，即

同樣保持輸出電壓Uo基本不變，達到了穩壓目的。

3 結 論

以上利用模擬電子技術基本理論，闡述了串聯開關型穩壓電源電路的組成。通過單元分析法對串聯開關型穩壓電源電路原理進行了分析與研究。得出結論是：串聯開關型穩壓電源可將交流電轉換為電壓穩定的直流電，穩壓效果好，工作效率高。穩壓的控制方式是通過改變調整管基極電壓的占空比來實現的。這種穩壓電源的體積小，重量輕，功耗低，穩壓范圍寬，功率從幾十瓦到幾千瓦，可為不同需要的電子設備提供直流電源。分析和研究串聯開關型穩壓電源電路結構與原理對于指導直流穩壓電源的設計和生產具有實際意義。

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