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直流稳压电源

第七章直流稳定电源

　　绝大多数电子设备在工作时都需要直流电源。

通常，电子设备内部大多安装有整流稳压装置，用以将供电电网提供的交流电变成稳定的直流电，供电子设备使用。

直流稳定电源是测控系统中的供电或基准单元，其性能指标对测控系统的性能有着重要的影响，因此稳定电源是测控系统中的重要部分。

直流稳定电源分为稳压电源和稳流电源两种，实用中以稳压电源为主，主要包括直流基准源、线性直流稳定电源和开关式直流稳定电源等。

7.1直流稳定电源的技术指标

直流稳定电源的作用是向负载提供稳定的电压和电流。

描述电源稳定性的具体要求称为稳定电源的技术指标，包括反映电源电压、电流范围的特性和反映电源稳定稳定程度的质量指标。

7.1.1特性指标

1）输出电压范围。

在满足直流稳压电源正常工作要求的情况下，电压源的输出电压值。

该指标与最大输入电压、最小输入输出压差和最小输出电压有关。

2）输出电流范围。

在满足直流稳流电源正常工作要求的情况下，电流源的输出电流值。

3）最大输出电流。

在满足直流稳压电源正常工作要求的情况下，能够输出的最大电流值。

超过该值，电源的稳压性能降低。

7.1.2质量指标

1）电压调整率。

作为一个稳压电源，输入Vin是不稳定的电压，输出Vo应当是稳定的。

定义：

输入电压变化△Vin时引起输出电压的变化为电压调整率，用SV表示。

另外一种定义为输入电压变化△Vin时引起输出电压的相对变化为电压调整率

（7-1）

这两种定义给出的都是输入电压改变时电源保持预定电压输出的能力，目前都在被采用。

2）负载调整率。

定义：

在输入电压和其他条件不变时，输出电压的变化与输出电流变化的比值，反映稳压电源的输出阻抗，用RO表示

（7-2）

或表示为

　需要说明的是，对于电压源要求输出电阻小，其值越小输出电压越稳定；对于电流源要求输出电阻大，其值越大输出电流越稳定。

（3）温度系数。

定义：

温度变化引起的输出电压的变化为温度系数，用ST表示。

这个指标用来度量在改变温度条件下，稳压电源维持预定输出电压Vo的能力。

（7-3）

或表示为

（4）纹波。

与电源频率或内部开关频率有关的、叠加在直流输出上的信号。

它用有效值表示，一般为毫伏级。

　　（5）噪声。

叠加在直流输出上的随机变化，用有效值表示。

　　（6）漂移。

电压（或电流）输出量在规定时间内缓慢和连续的最大变化。

例7-1某高精度稳压电源输出电压为10V，电压调整率为0.001%/V，负载调整率为0.002%/mA，温度系数的最大值为0.0001%/℃。

求在下列情况下，Vo变化多少？

（a）当VI由15V~35V变化时；（b）输出电流Io有±10mA的变化时；（c）温度有0℃变为70℃。

题解：

（a）由式（7-1）

得

（b）由式（7-2）

得

（c）由式（7-3）

得

7.2基准源

基准源是测控系统、测控仪器或稳定电源的工作参考，测控系统、测控仪器的测量精确性取决于基准源的水平，而稳压或稳流的最终效果也同样取决于基准源的水平。

7.2.1基准电压源

基准电压源通常是指在电路中用作电压基准的高稳定度的电压源。

理想的基准电压源不受电源和温度的影响，比普通电源具有更高上网精度和稳定性。

1.稳压管基准电压源

PN结加反向电压达到一定值时，产生击穿现象，在制作时利用特殊工艺控制二极管的反向特性，使之在一定电压Vw下击穿，就制成了稳压二极管。

稳压管的使用十分简单，如图7-1所示，将电阻与稳压管串联到直流电源上，从稳压管两端引出的电压就可作为基准电压，这就是最简单的电压基准源。

这种电压基准源的稳定性与供电的直流电源的稳定性、工作电流、环境温度及动态电阻有关。

要求直流电源稳定，工作电流为稳压管的最佳工作电流，选用动态电阻小、温度系数低的稳压管。

这种电压基准源的性能取决于稳压管的技术指标，输出电阻高、驱动能力不强、输出电压固定不可调节。

适用于功率不大、输出电压固定且要求不高的场合。

为提高稳压管基准电压源的适用性，应设法改善温度稳定性、提高驱动能力。

改善温度稳定性可从稳压管本身及电路两方面入手，而提高驱动能力则从电路入手。

改善温度稳定性可以采用以下两种方法:

（1）将两个温度系数一致的同型号稳压管反向串联使用，这样可以使两个稳压管的温度影响相互抵消，达到提高温度稳定性的目的，目前已有商品化的这种稳压管（如国产的2DW232）。

（2）在应用中增设恒温设备，保持稳压管的环境温度恒定，间接提高温度稳定性。

目前带有恒温单元的集成基准源已有商品化的产品。

如LM199系列精密基准电压源。

LM199是目前温度系数最低的集成电压基准源，它等效于带恒温器的稳压二极管。

它是四端器件，自带恒温器，其功能框图及电路符号如图7-2所示。

脚1、2分别为基准电压源的正、负极,脚3、4之间接9~40V的直流电源。

图中H代表恒温器，能将芯片温度自动调节到90℃。

LM199基准电压由次表面隐埋技术制成的齐纳稳压管提供，具有长期稳定性好、噪声电压低等优点。

只要环境温度低于90℃，就能消除温度变化对基准电压的影响，使温度系数达到0.00003%/℃的水平，这是其他基准稳压源难以达到的指标，其输出电阻为0.5Ω，输出电压为6.95V。

其典型应用如图7-3所示，R为限流电阻，通常IL<

（7-4）

其中：

IR<10mA。

例如，当Vin=15V，IR=3mA时，R=2.7kΩ。

调节Rp，可获得0~6.95V范围内的任意电压基准值。

若要构成驱动能力强、并输出电压可调的精密基准电压源，可采用图7-4所示的电路。

图中OP07构成同相放大器，输出晶体管用于扩流。

若输出电流要求小于15mA，则可以由运放直接输出。

输出电压范围可用电位器Rp在6.95~12.5V之间调节，若要更高的基准电压，可提高输入端电压。

2.带隙基准电压源

20世纪70年代初,维德拉（Widlar）首先提出能带间隙基准电压源的概念,简称带隙（bandgap）电压。

所谓能带间隙是指硅半导体材料在0ºK温度下的带隙电压，其值约为Vg0=1.205V。

带隙基准电压源的基本原理是利用电阻压降的正温漂去补偿晶体管基—射极正向压降的负温漂，从而实现零温漂。

由于未采用工作在击穿状态下的稳压管，因此噪声电压极低。

这种基准电压源的电压值较低，温度稳定性好，适用于低电压的电源中。

典型的产品有MC1403、LM336及LM385等。

MC1403是美国摩托罗拉公司生产的高准确度、低温漂、采用激光修正的带隙基准电压源，采用DIP-8或SOT23封装，其DIP-8的引脚排列如图7-5所示。

Pin1：

（VCC）供电电源端，范围1.5~15V；

Pin2：

（Vr）基准源输出端，输出电压：

2.5V±25mV，输出电流10mA；

Pin3：

（GND）接地端；

Pin4~Pin8：

控制端。

MC1403的主要特性如下：

电压调整率：

0.03%/V；

负载调整率（0～10mA）：

0.04%/mA；

温度系数：

0.0004%/℃（最大）；

静态电流：

1.5mA（最大）。

　　图7-6是MC1403的最基本的应用电路，在MC1403的2脚输出2.5V的电压，该端对地接上精密多圈电位器10kΩ，则电位器的中心端可以输出0～2.5V的电压。

　　图7-7是MC1403与集成运算放大器一起构成高于2.5V的可调基准电压源电路。

MC1403的输出端并接电阻R1和R2，二者的分压通过运放隔离，送到MC1403的GND段。

可得到

调整电阻R2就可以获得2.5～12V的基准电压输出。

LM336是美国半导体公司生产的并联式菜系基准电压源，由LM336-2.5和LM336-5.0两种，采用TO92、TO46及SO8封装，引脚排列如图7-8所示。

3个引出端分别为正端（+）、负端（-）、调整端（ADJ）。

LM336的主要性能特点是：

●

基准电压典型值为2.490和5.000V，精度±1%，长期稳定性为20ppm；

●基准电压值和电压温度系数可通过外部电路调整到最佳；

●动态阻抗低，典型值为0.25Ω；

●工作电流范围宽，典型为400μA~10mA；

●相应的工业级、军品级产品型号为LM236、LM136。

LM336的典型应用电路如图7-9所示。

其中（a）为输出0~2.490V的可调基准电源电路。

（b）为温度系数可调节电路，当VR=2.490V时，温度系数最小。

两个二极管1N4148必须与LM336处于同一环境中，多圈电位器可以选择为2k~20k的任何值。

7.2.2恒流源

恒流源能向负载提供恒定的电流，被广泛用于传感器、电子测量仪器、现代通信等领域。

1.恒流源的特点及产品分类

恒流源既可由电压基准源通过V/I转换而得，也可采用专用恒流器件实现。

专用恒流器件已有近50年的发展历史，共经过四个阶段：

（1）电真空器件稳流管：

又称镇流管，典型器件型号有WL1P~WL31P系列，可提供175~1000mA电流，属于早期器件。

（2）半导体恒流二极管：

属于两端结型场效应恒流器件，国产型号为2DHxx，可以提供几毫安的恒定电流。

　　（3）半导体恒流晶体管：

在恒流二极管的基础上发展而成的3端恒流器件，国产型号为3DHxx。

利用其控制端可在一定范围内（5~500mA）精细调节电流。

　　（4）集成恒流源：

是目前性能最优良的可调式精密恒流源。

国产型号为3DHxxx或4DHx。

国外的代表型号为LM134/234/334。

集成恒流源不仅能在极宽范围内（3μA~2.5A）进行精细调节，还能调节电流温度系数。

高压集成恒流源的最高工作电压可到150V。

2.恒流二极管、恒流三极管的原理及应用

1）恒流二极管的原理及其应用

（1）工作原理

恒流二极管属于二端结型场效应恒流器件，其电路符号和伏安曲线如图7-10所示。

她在正向工作时存在一个恒流区，IH不随电压VI变化。

其反向工作特性则与普通二极管的正向特性有相似之处。

恒流二极管的外形与3DG6型晶体管相似，但它只有两个引线，靠近管壳突起的引线为正极。

其主要性能参数有：

恒定电流（IH）：

恒流二极管的恒定工作电流，通常为0.2~6mA；

起始电压（Vs）：

工作于恒流区所需的最小电压；

正向击穿电压（VBO）：

恒流工作所需电压的最大值，通常为30~100V；

动态电阻（ZH）：

工作电压变化量与恒定电流值变化量之比，对恒流管的要求是ZH愈大愈好，当IH较小时ZH可达数兆欧，IH较大时ZH降至数百千欧。

电流温度系数（αT）：

由下式确定：

式中：

△IH、△T分别代表恒定电流的变化量与温度变化量。

恒流二极管的αT可以为正值，也可以是负值，视IH值而定。

一般讲，当IH<0.6mA时，αT>0；当IH>0.6mA时，αT<0。

αT的单位是%/℃。

恒流二极管在零偏置下的结电容近似为100pF，进入恒流区后降至30～50pF，其频率响应大致为0～5000kHz。

当工作频率过高时，由于结电容的容抗迅速减小，动态阻抗就升高，导致恒流特性变差。

使用时需注意：

测量恒流二极管时极性不得接反，否则起不到恒流作用，并且还容易烧毁管子。

由恒流二极管组成电路时，必须使RL<

恒流二极管的正向击穿电压V（BO）一般为30～100V。

利用兆欧表与直流电压表能够测量VBO值。

具体方法是将恒流二极管的正、负极分别接兆欧表的E、L接线柱。

然后按额定转速摇动兆欧表的手柄，使恒流二极管处于正向软击穿状态，借助于直流电压表即可读出VBO值。

一旦被测管子正向击穿，兆欧表的输出电压就被钳位于击穿电压上。

测量时管子极性亦不得接反。

（2）应用

恒流二极管的基本应用如图7-11（a）所示。

只需将负载与恒流二极管串联接到电源与地之间，流过负载的电流就被稳定在固定值上。

恒流二极管只能提供几毫安的恒定电流，若要更大的电流只能采取扩流措施。

图7-11（b）所示为利用晶体管进行扩流的电路。

扩展后的恒流值为

恒流二极管的耐压值一般为几十伏，若负载耐压较低，要求恒流二极管承载更高电压时，单纯使用二极管就难以实现。

图7-11（c）所示电路是一种升压的恒流源。

设场效应管的漏-源击穿电压为VBDS，则该恒流源的耐压值VB为恒流二极管的击穿电压与场效应管的击穿电压之和：

如果要求同时实现扩流和升压，可以采用图7-12所示的实用电路。

由高反压晶体管3DG407、辅助电源EB构成恒流二极管2DH560的升压电路，由稳压管DZ1、DZ2、二极管D1、D2、电位器RP、VMOS场效应管IRF540、电阻R1、R2构成扩流电路。

恒流二极管2DH560的IH=5.6mA，Us=4.0V，晶体管3DG407的UBE=0.65V，UCEO>140V，辅助电源EB应高于Us和UBE之和（4.65V）。

D1和D2为温度补偿二极管。

IDF640的VDSS=200V，ID=16A，VGS>4V时开始导通。

调节电位器，可以得到不同数值的负载电流。

2）恒流三极管的原理及其应用

（1）工作原理

恒流三极管是在恒流二极管的基础上发展而成的半导体恒流器件，共有三个端子，阳极（A）、阴极（K）和控制极（G），利用其控制极可在一定范围内对IH进行连续调节。

其符号、典型用法和特性曲线如图7-13所示。

其中（a）为符号，（b）为典型用法，（c）为典型用法的特性曲线。

典型用法中，A极接正电压，K极接可调电阻Rk，G极接Rk的另一端。

当Rk=0时，G-K间短路，恒流三极管变成恒流二极管，此时输出电流IH为最大值；接入Rk之后，IH随着Rk的增大而减小，实现了控制IH的功能。

（2）应用

如图7-13为恒流三极管在电子称中的应用电路图。

恒流三极管3DH02B和12V稳压管为传感器桥路电阻提供恒流恒压电源，输入电压为24V直流电压，在恒流三极管的控制极G端连接电阻R和电位器RP以便于调节恒流电流值IH。

力敏传感器由4只接作桥路的电阻应变片R1-R4构成。

调整电位器RP，可使恒流三极管3DH02B输出IH=40mA的恒定电流。

其中，流过12V稳压管的电流Iz=10mA，而流过传感器的电流IL=30mA。

在称重时，应变片发生应变，桥路电阻发生改变，便产生相应的输出电压Vo，该电压对应被测物体的重量。

由于桥路的供电电压是用恒流与稳压方式获得的，其稳定度达0.05％，因此可保证称重的准确性。

3.可调式精密集成恒流源及应用

集成恒流源有着其他各种恒流器件不可比拟的性价比。

特别适合于设计精密恒流源，可广泛应用于传感器的恒流供电点哦路、放大器、光电转换器、恒流充电器及基准电压源中。

可调式精密集成恒流源的典型产品是美国NationalSemiconductor公司的LM134系列3端可调式集成恒流源。

LM134可调式集成恒流源为TO46封装，其电路符号及管脚排列如图7-14所示。

脚1为电流调节端；脚2为正电源输入端；脚3为负电源输入端。

其主要技术指标为：

（1）动态工作电压范围（Ep~En）达1~40V；

（2）输出恒定电流调节范围1μA~10mA；

（3）R端与En端之间的最大压差为5V。

只需外接一个电阻便可以实现电流调整，如图7-15（a）所示是LM134的基本恒流源应用，RSET是外部调节电阻，根据图示电路有

（7-5）

式中，VR是电阻RSET两端的电压，其数值与温度相关，约为214μV/K。

IBIAS仅为Iset的百分之几，设为1/n，则式（7-5）可改写为

（7-6）

根据元件手册中的曲线可以查出，当2μA≤ISET≤1mA时，n的典型值是18，故式（7-6）可进一步简化为

（7-7）

显然，改变RSET阻值可以调节输出恒定电流值ISET。

由式（7-7）可见，恒流源电流随温度变化，这个特性可用来测量温度。

图7-16是远程测量温度的例子。

由于LM134输出的是电流，因此长距离传输电缆的电阻不会对测量精度造成影响，故LM134特别适合远程测量温度。

根据图示电路有

（7-8）

这一结果说明电路的输出电压与温度成比例，每开氏温度输出电压10mV，由于摄氏温标与开氏温标关系为t=T-273.16，因此，每开氏温度等同于每摄氏度，式（7-8）的结论可以改为人们习惯的摄氏温度表示法，即

所以，根据测量的电压值即可测得温度。

要设计零温度系数的恒流源，可采用图7-17所示电路，电路中采用具有负温度系数的硅二极管D补偿LM134的正温度系数，以达到整个电流源温度系数近似为零的目的。

这里LM134的温度系数取为+227μV/K≈0.23mV/℃，选用温度系数为-2.5mV/℃的硅二极管D（如1N4148、1N457等）作为温度补偿元件。

因为IBIAS<

（7-8）

式中，VR是电阻R两端的电压；VD是二极管D两端的电压。

上式两边对温度T求导得

（7-9）

令

，得

（7-10）

该结果说明，当R2=10R1且二极管的温度系数为LM134温度系数的10倍，符号相反时，图示电路可以基本消除温度的影响，使整个恒流源的温度系数近似为零。

4.利用基准电压源及V/I转换构成的恒流源

尽管集成恒流源已被广泛应用，但是利用基准电压源及V/I转换构成恒流源仍然是目前常用的方法，特别是在稳定性指标要求较高、输出电流要求较大时，这种方法具有一定的优势。

图7-18是1A高稳定度精密恒流源的一种实用电路。

电流源由1V精密基准电压源、V/I转换电路和电流放大电路构成。

基准电压源由LM199精密基准源及分压电路构成，1V基准电压由精密电位器Rp中心抽头输出接运放LF356的同相输入端得到，V/I转换由标准取样电阻Rs实现，其两端的电压等于基准电压VREF=1V，输出恒流为

（7-11）

运放不能输出大电流，因此扩展功率晶体管LM195输出1A电流。

由于基准电压源的稳定度指标高，只要选取高稳定性大功率精密标准电阻Rs，即可实现输出电流的高稳定性。

需要注意的是：

（1）标准电阻的功率要大于实际要求的功率，避免发热。

（2）如果输出电流大于1A，可选用更大电流的功率管，或采用两个或多个功率管并联的方法，以确保电路及功率管的安全。

7.3线性直流稳压电源

线性直流电源由以下过程实现：

通过电源变压器将电网220V的电压将为变为所需要的交流电压值；经过整流电路将经变压后的交流电压变成脉动的直流电压；采用滤波电路滤除脉动的直流电压中含有的纹波，得到平滑的直流电压；这种电压仍会随着电网电压的波动、负载和温度的变化而变化，还需要稳压电路来抑制这种变化，使输出直流电压维持稳定。

7.3.1稳压电路的工作原理

常用的稳压电路以串联反馈方式工作。

图7-19是串联反馈式稳压电路的一般结构图，图中Ui是稳压电路的输入电压，T为调整管，A为比较放大电路，VREF为基准电压，由稳压管Dz与限流电阻R串联所构成的简单稳压电路获得，R1与R2组成反馈网络，是用来反映输出电压变化的取样环节，Uo是稳定后的输出电压。

这种稳压电路的主回路由起调整作用的晶体管T与负载串联，输出电压的变化量由反馈网络取样，经比较放大电路A放大后去控制调整管T的c-e极间的电压降，从而达到稳定输出电压Uo的目的。

当输入电压Ui增加（或负载电流Io减小）时，导致输出电压Uo增加，随之反馈电压UF=R2Uo/（R1+R2）=FvUo也增加（Fv为反馈系数）。

UF与基准电压VREF相比较，其差值电压经比较放大电路放大后使UB和lc减小，调整管T的c-e极间电压VCE增大，使Uo下降，从而维持Uo基本恒定。

同理，当输入电压Ui减小（或负载电流Io增加）时，也将使输出电压基本保持不变。

这种电路属于电压串联负反馈电路。

调整管T连接成电压跟随器。

因而可得

则

（7-12）

在深度负反馈条件下，|1+AvFv|>>1，可得

（7-13）

输出电压Uo与基准电压VREF近似成正比，与反馈系数Fv成反比。

当VREF及Fv已确定时，Uo也就确定了，因此它是设计线性稳压电源的基本关系式。

调整管T的调整作用是依靠VF和VREF之间的偏差来实现的，必须有偏差才能调整。

如果Uo绝对不变，调整管的VB也绝对不变，那么电路也就不能起调整作用了。

所以Uo不可能达到绝对稳定，只能是基本稳定。

7.3.2集成稳压器及应用

电源的发展趋势是集成化、标准化、系列化和小型化。

目前，集成线性稳压电源已广泛应用。

线性集成稳压器主要包括固定输出式和可调输出式两种类型，尤其以三端固定或可调式集成稳压器的应用最为广泛。

1.输出电压固定的3端集成稳压器

美国仙童公司于20世纪70年代首先推出μA78XX系列和μA79XX系列3端固定式集成稳压器。

之后不久，各大半导体器件公司纷纷推出同类产品。

这种稳压器极大地简化了电源的设计与应用，以最简的方式接入电路，并具有较完整的过流、过压、过热保护功能，适用于制作常用标称值稳压电源。

使用方便，性能可靠，应用广泛，历久不衰。

1）基本性能

78X00、79X00系列器件分别对应正电压、负电压输出三端固定输出稳压器。

其中00可用05、06、08、09、10、12、15、18、24等数值替代，表示该稳压器输出的电压值。

字符X对应所输出的最大电流：

L：

0.1A；M：

0.5A；空：

1.5A。

电压调整率：

最大0.035%/V；

负载调整率：

最大0.0026%/mA；

温度系数：

最大0.02%/℃；

7805~7818最高输入电压为35V，7820~7824最高输入电压为40V。

7800、7900系列稳压器的管脚排列如图7-20所示。

对于7800，引脚功能如下：

脚1：

（Ui）电源输入端；

脚2：

（GND）接地端；

脚3：

（Uo）电源输出端。

对于7900，引脚功能如下：

脚1：

（GND）接地端；

脚2：

（Ui）电源输入端；

脚3：

（Uo）电源输出端。

2）典型应用

（1）基本应用

7800、7900系列的典型应用分别如图7-21（a）、（b）所示。

图（a）中，一个正的直流电压送至7800的输入端，在输出端即可获得稳定的直流电压，要求输入电压Ui>Uo+3V。

C1、C2是稳压器的输入电容，C1滤除低频成分，C2滤除高频干扰；C3是输出电容，用于减小稳压电源输出端的低频干扰。

C4用于实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰。

图（b）负电源稳压器7900的应用电路，输入电压和输出电压均为负值，其它器件的意义如图（a）。

虽然3端稳压器内部设有较为完善的保护电路，但实际使用时仍需防止因使用不当而损坏稳压器。

因此除使用时多加小心，还可相应设置保护电路。

图7-22是针对稳压器输入端短路的保护电路。

正常情况下VD截止，一旦输入端短路，CL上积存的电荷便经过VD对地放电，起到保护作用，防止因向调整管的发射极放电而损坏芯片。

（2）正、负压同时输出的稳压电源

用变压器将220V交流电变换为低压交流电，再用硅桥整流为直流电，然后将7800与7900稳压器搭配使用可构成正、负压同时输出的稳压电源，如图7-23所示。

电路的特点是共用一套整流电路。

需要注意的是整流后输出的直流电压应高于稳压电压3V以上，而且还要考虑电网电压的波动，留有足够的余地。

（3）输出电流的扩展

7800与7900系列的输出电流的最大值为1.5A，正常工作的电流应不超过1A，而在要求大电流的情况下，可采取扩流技术扩大电源的输出电流。

图7-24给出了带过流保护的扩流电路。

电路中加入功率管T1，输出电流增加为I