浅谈开关稳压电源和线性稳压电源

　　稳压电源

 

　　稳压电源（stabilized voltage supply）是能为负载提供稳定的交流电或直流电的电子装置，包括交流稳压电源和直流稳压电源两大类。

 

　　当电网电压或负载出现瞬间波动时，稳压电源会以10-30ms的响应速度对电压幅值进行补偿，使其稳定在±2%以内。

 

　　主要功能

 

　　稳定电压

 

　　当电网电压或负载出现瞬间波动时，稳压电源会以10-30ms的响应速度对电压幅值进行补偿，使其稳定在±2%以

 

　　内。

 

　　多功能综合保护

 

　　稳压器除了最基本的稳定电压功能以外，还应具有过压保护（超过输出电压的+10%）、欠压保护（低于输出电压的-10%）、缺相保护、短路过载保护最基本的保护功能。

 

　　尖脉冲抑制

 

　　电网有时会出现幅值很高，脉宽很窄的尖脉冲，它会击穿耐压较低的电子元件。稳压电源的抗浪涌组件能够对这样的尖脉冲起到很好的抑制作用。

 

　　隔离传导性EMI电磁干扰（可选）：

 

　　数控设备多采用AC/DC整流+PFC高频功率因数校正，自身有一定的干扰性同时对干扰源也有严格要求。稳压电源的滤波组件能够有效隔离电网对设备的干扰同时也能有效隔离设备对电网的干扰。

 

　　防雷

 

　　应具有的防雷击能力。

 

　　工作原理

 

　　工频交流电源经过变压器降压、 整流、滤波后成为一稳定的直流电。图中其余部分是起电压调节，实现稳压作

 

　　用的控制部分。电源接上负载后，通过采样电路获得输出电压，将此输出电压和基准电压进行比较。如果输出电压小于基准电压，则将误差值经过放大电路放大后送入调节器的输入端，通过调节器调节使输出电压增加，直到和基准值相等；如果输出电压大于基准电压，则通过调节器使输出减小。

 

　　稳压器电路由电源电路、电压检测控制电路、过电压保护组成，如图所示。电源电路由调压变压器T的W4、W5绕组和整流二极管VDl-VD4、滤波电容器Cl、C2组成。电压检测控制电路由电阻器R-R7、电位器RPl、Rm、稳压二极管VS、电容器C3、C4和运算放大器集成电路IC（Nl-N3）组成。过电压保护电路由IC内部的N3、晶体管V3、电阻器Rl2和继电器K组成。自动调压电路由电阻器R8-Rll、晶体管Vl、V2、直流电动机M、滑动触头和T的Wl-W3绕组组成。将交流稳压器的输大端与市电相接后，在T的W4、W5绕组上产生了感应电压。该电压经VDl-VD4整流及Cl、C2滤波后，为IC和Vl、V2等提供 士l2V不稳定工作电压。+l2V电压还有其他作用。经Rl-R3分压、VS稳压后，分别为Nl-N3的反相输入端提供基准电压；为过电压保护电路申的K和V3提供工作电源；经R4、RP2、R6分压后，为Nl和N2的正相输入端提供检测电压；经R7、RPl、R5分压后，为N3的正相输入端提供检测电压。

 

　　Nl-N3将正相输大端的检测电压与反相输大端的基准电压进行比较，用产生的误差电压去控制自动调压电路。

 

　　当市电电压正常时，Nl和N2的输出端电压为OV，Vl和V2均处于截止状态，电动机M不工作。

 

　　当市电电压偏低时，Nl和N2输出低电平，使V2导通，Vl截止，M逆时针旋转，通过滑壁臂驱动滑动触头移动，与T相应的电压抽头接触 （T的Wl、W2绕组共设置了21个电压抽头，每一档的电压调节范围为5V），通过T的W2绕组来提升输出电压。当输出交流电压升至220V时，V2截止，M停转。当市电电压偏高时，Nl和N2均输出高电平，使Vl导通，V2截止，M顺时针旋转，通过滑臂驱动滑动触头移动，与T相应的电压抽头接触，通过T的Wl绕组来降低输出电压。当输出交流电压降至220V时，Vl截止，M停转。当市电电压偏高超过260V时，N3因正相输入端电压高于反相输入端电压而输出低电平，使V3截止，，K释放，其常闭触头接通交流电压的输出回路。当市电电压为160-260V时，N3因正相输入端电压低于反相输入端电压而输出高电平，使V3导通，K吸合，其常闭触头断开，从而保证负载（用电器）不会因过电压而损坏。 ［3］

 

　　选购

 

　　元器件选择

 

　　R8和R9均选用lW金属膜电阻器，其余各电阻器选用1/4W或l/2W金属膜电阻器。

 

　　RPl和RP2均选用精密可变电阻器。

 

　　Cl-C4均选用耐压值为16V的铝电解电容器。

 

　　VDl-VD4均选用lN5404型硅整流二极管。

 

　　VS选用1/2W、6V的硅稳压二极管，例如lN5233A或lN5995B等型号。

 

　　Vl选用DSl5或2SC2073型硅NPN晶体管；V2选用CSl5或2SA940型硅PNP晶体管；V3选用S805O或C8050型硅NPN晶体管。

 

　　IC选用LM324型运算放大集成电路。

 

　　M选用l2V直流电动机。

 

　　K选用JRX-l3F型l2V直流继电器，使用时将其两组常闭触头并联，以增大电流负荷。

 

　　采用300-500W的电源变压器改制。先计算出匝/伏比等有关数据后再进行绕制，每5V处取出一抽头并作好标记。先绕Wl-W3绕组，后绕W4和W5绕组。将T各抽头的外接点与滑臂的滑动触头分别装在两块完全一样的印制板上，粘合后对应连接。滑臂为上、下两片型式，印制板夹在其中间，使其在滑动时接触良好。滑臂申心装上齿轮，电动机M通过齿轮变速后驱动滑臂移动。

 

　　电路调试

 

　　调试时，先将RPl和R陀的动触头调至中间位置，在交流稳压器的输入端接上一台手动调压器，在输出端接上电压表，调整调压器使输入交流电压为220V，然后调节R陀的阻值，使M在输出电压为220V时停转。

 

　　断开M的引线 （滑动触头应接在-220V处），调整RPl，使输人电压调至230V时，K立即吸合即可。

　　根据调整管的工作状态，我们常把稳压电源分成两类：线性稳压电源和开关稳压电源。

　　线性稳压电源，是指调整管工作在线性状态下的稳压电源。而在开关电源中则不一样，开关管（在开关电源中，我们一般把调整管叫做开关管）是工作在开、关两种状态下的：开——电阻很小；关——电阻很大。

　　开关电源是一种比较新型的电源。它具有效率高，重量轻，可升、降压，输出功率大等优点。但是由于电路工作在开关状态，所以噪声比较大。 通过下图，我们来简单的说说降压型开关电源的工作原理。如图所示，电路由开关K（实际电路中为三极管或者场效应管），续流二极管D，储能电感L，滤波电容C等构成。当开关闭合时，电源通过开关K、电感L给负载供电，并将部分电能储存在电感L以及电容C中。由于电感L的自感，在开关接通后，电流增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到电源电压值。一定时间后，开关断开，由于电感L的自感作用（可以比较形象的认为电感中的电流有惯性作用），将保持电路中的电流不变，即从左往右继续流。这电流流过负载，从地线返回，流到续流二极管D的正极，经过二极管D，返回电感L的左端，从而形成了一个回路。通过控制开关闭合跟断开的时间（即PWM——脉冲宽度调制），就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳压的目的。

　　在开关闭合期间，电感存储能量；在开关断开期间，电感释放能量，所以电感L叫做储能电感。二极管D在开关断开期间，负责给电感L提供电流通路，所以二极管D叫做续流二极管。

　　在实际的开关电源中，开关K由三极管或场效应管代替。当开关断开时，电流很小；当开关闭合时，电压很小，所以发热功率U×I就会很小。这就是开关电源效率高的原因。

　　看过完两个关于电源的FAQ后，大家可能对电源的效率计算还不了解。在后面的FAQ中，我们将专门给大家介绍。

　　常见的用于开关电源的芯片有：TL494，LM2575，LM2673，34063，51414等等。

　　根据调整管的工作状态，我们常把稳压电源分成两类：线性稳压电源和开关稳压电源。此外，还有一种使用稳压管的小电源。

　　这里说的线性稳压电源，是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。调整管工作在线性状态下，可这么来理解：RW（见下面的分析）是连续可变的，亦即是线性的。而在开关电源中则不一样，开关管（在开关电源中，我们一般把调整管叫做开关管）是工作在开、关两种状态下的：开——电阻很小；关——电阻很大。工作在开关状态下的管子显然不是线性状态。

　　线性稳压电源是比较早使用的一类直流稳压电源。线性稳压直流电源的特点是：输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；效率较低（现在经常看的LDO就是为了解决效率问题而出现的）；发热量大（尤其是大功率电源），间接地给系统增加热噪声。

　　工作原理：我们先用下图来说明线性稳压电源调节电压的原理。如下图所示，可变电阻RW跟负载电阻RL组成一个分压电路，输出电压为：

　　Uo=Ui×RL/（RW+RL），因此通过调节RW的大小，即可改变输出电压的大小。请注意，在这个式子里，如果我们只看可调电阻RW的值变化，Uo的输出并不是线性的，但如果把RW和RL一起看，则是线性的。还要注意，我们这个图并没有将RW的引出端画成连到左边，而画在右边。虽然这从公式上看并没有什么区别，但画在右边，却正好反映了“采样”和“反馈”的概念----实际中的电源，绝大部分都是工作在采样和反馈的模式下的，使用前馈方法很少，或就是用了，也只是辅助方法而已。

　　让我们继续：如果我们用一个三极管或者场效应管，来代替图中的可变阻器，并通过检测输出电压的大小，来控制这个“变阻器”阻值的大小，使输出电压保持恒定，这样我们就实现了稳压的目的。这个三极管或者场效应管是用来调整电压输出大小的，所以叫做调整管。

　　像图1所示的那样，由于调整管串联在电源跟负载之间，所以叫做串联型稳压电源。相应的，还有并联型稳压电源，就是将调整管跟负载并联来调节输出电压，典型的基准稳压器TL431就是一种并联型稳压器。所谓并联的意思，就是象图2中的稳压管那样，通过分流来保证衰减放大管射极电压的“稳定”，也许这个图并不能让你一下子看出它是“并联”的，但细心一看，确实如此。不过，大家在此还要注意一下：此处的稳压管，是利用它的非线性区工作的，因此，如果认为它是一个电源，它也是一个非线性电源。为了便于大家理解，回头我们找一个理适合的图来看，直到可以简明地看懂为止。

　　由于调整管相当于一个电阻，电流流过电阻时会发热，所以工作在线性状态下的调整管，一般会产生大量的热，导致效率不高。这是线性稳压电源的一个最主要的一个缺点。想要更详细的了解线性稳压电源，请参看模拟电子线路教科书。这里我们主要是帮助大家理清这些概念以及它们之间的关系。

　　一般来说，线性稳压电源由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个基本部分组成。另外还可能包括一些例如保护电路，启动电路等部分。下图是一个比较简单的线性稳压电源原理图（示意图，省略了滤波电容等元件），取样电阻通过取样输出电压，并与参考电压比较，比较结果由误差放大电路放大后，控制调整管的导通程度，使输出电压保持稳定。

　　常用的线性串联型稳压电源芯片有：78XX系列（正电压型），79XX系列（负电压型）（实际产品中，XX用数字表示，XX是多少，输出电压就是多少。例如7805，输出电压为5V）；LM317（可调正电压型），LM337（可调负电压型）；1117（低压差型，有多种型号，用尾数表示电压值。如1117-3.3为3.3V，1117-ADJ为可调型）。

　　1.DC to DC包括boost（升压）、buck（降压）、 Boost/buck（升/降压）和反相结构，具有高效率、高输出电流、低静态电流等特点，随着集成度的提高，许多新型DC-DC 转换器的外围电路仅需电感和滤波电容；但该类电源控制器的输出纹波和开关噪声较大、成本相对较高。

　　2.LDO：低压差线性稳压器的突出优点是具有最低的成本，最低的噪声和最低的静态电流。它的外围器件也很少，通常只有一两个旁路电容。新型LDO可达到 以下指标：30μV 输出噪声、60dB PSRR、6μA 静态电流及100mV 的压差。LDO 线性稳压器能够实现这些特性的主要原因在于内部调整管采用了P 沟道场效应管，而不是通常线性稳压器中的PNP 晶体管。P 沟道的场效应管不需要基极电流驱动，所以大大降低了器件本身的电源电流；另一方面，在采用PNP 管的结构中，为了防止PNP 晶体管进入饱和状态降低输出能力，必须保证较大的输入输出压差；而P 沟道场效应管的压差大致等于输出电流与其导通电阻的乘积，极小的导通电阻使其压差非常低。当系统中输入电压和输出电压接近时， LDO 是最好的选择，可达到很高的效率。所以在将锂离子电池电压转换为3V 电压的应用中大多选用LDO，尽管电池最后放电能量的百分之十没有使用，但是LDO 仍然能够在低噪声结构中提供较长的电池寿命。

　　什么是开关稳压器？

　　开关稳压器使用输出级，重复切换“开”和“关”状态，与能量存贮部件（电容器和感应器）一起产 生输出电压。它的调整是通过根据输出电压的反馈样本来调整切换定时来实现的。在固定频率的稳压器中，通过调节开关电压的脉冲宽度来调节切换定时 ？ 这就是所谓的 PWM 控制。在门控振荡器或脉冲模式稳压器中，开关脉冲的宽度和频率保持恒定，但是，输出开关的“开”或“关”由反馈控制。

　　根据开关和能量存贮部件的排列，产生的输出电压可以大于或小于输入电压，并且可以用一个稳压器产生多个输出电压。在大多数情况下，在同样的输入电压和输出电压要求下，脉冲（降压）开关稳压器比线性稳压器转换电源的效率更高。

　　什么是 LDO（低压降）稳压器？

　　LDO 是一种线性稳压器。线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或 FET，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。所谓压降电压，是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下 100mV 之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。正输出电压的 LDO（低压降）稳压器通常使用功率晶体管（也称为传递设备）作为 PNP。这种晶体管允许饱和，所以稳压器可以有一个非常低的压降电压，通常为 200mV 左右；与之相比，使用 NPN 复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降为 2V 左右。负输出 LDO 使用 NPN 作为它的传递设备，其运行模式与正输出 LDO 的 PNP设备类似。

　　更新的发展使用 CMOS 功率晶体管，它能够提供最低的压降电压。使用 CMOS，通过稳压器的唯一电压压降是电源设备负载电流的 ON 电阻造成的。如果负载较小，这种方式产生的压降只有几十毫伏。

　　线性稳压器与开关稳压器的比较如何？

　　线性电压稳压器开关电压稳压器

　　优点：优点：

　　简单

　　输出纹波电压低

　　出色的 line 和负载稳压

　　对负载和 line 的变化响应迅速

　　电磁干扰 （EMI） 低

　　效率高（降低了冷却所需的源电源需求）

　　能够处理较高的电源密度

　　拓扑学结果可用于传递单个或多个输出电压，大于或小于生成的输出电压

　　缺点：缺点：

　　效率低

　　如果需要冷却设备，则要求较大的空间

　　输出纹波电压高

　　瞬时恢复时间较慢

　　产生电磁干扰（EMI）

　　LDO是低压差的器件，因此，输出多为固定电压，否则失去了低压差的意义，尽管输入电压可以在一定的范围。

　　DCtoDC是电压转换，有升压、降压等，一般升压电路的输出电流不可能做大，而降压的电流可以做得较大。

　　TI公司有各种上述电路，可以到TI公司的网站查，数据多数是英文的。其他公司的用得不多，不好说。

　　DC-DC，其实内部是先把DC直流电源转变为交流电电源AC。通常是一种自激震荡电路，所以外面需要电感等分立元件。

　　然后在输出端再通过积分滤波，又回到DC电源。由于产生AC电源，所以可以很轻松的进行升压跟降压。两次转换，必然会产生损耗，这就是大家都在努力研究的如何提高DC-DC效率的问题。

　　LDO是low dropout regulator，意为低压差线性稳压器，是相对于传统的线性稳压器来说的。传统的线性稳压器，如78xx系列的芯片都要求输入电压要比输出电压高出 2v~3V以上，否则就不能正常工作。但是在一些情况下，这样的条件显然是太苛刻了，如5v转3.3v，输入与输出的压差只有1.7v，显然是不满足条件 的。针对这种情况，才有了LDO类的电源转换芯片。生产LDO芯片的公司很多，常见的有ALPHA， Linear（LT）， Micrel， National semiconductor，TI等。