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河 北 科 技 大 学 教 案 用 纸

第 11 次课 2 学时

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第六章通用集成电源

目前,电源集成电路正向集成化、标准化和小型的方向发展。本章介绍通用集成电源原理及应用。

第一节集成稳压器的分类

一、集成稳压器的分类

集成稳压器:线性集成稳压器,开关式集成稳压器。

线性集成稳压器,又称做串联调整式集成稳压器。

优点:稳压性能好,输出纹波电压小,电路简单、成本低廉。

缺点是电源效率低,一般为45%左右。

线性集成稳压器:固定输出式(含三端固定式、多端固定式、低压差固定式)

可调输出式(含三端可调式、多端可调式、低压差可调式)

按照输出电压的特点来划分:正压输出、负压输出、跟踪式正、负压输出共3种形式。

开关电源(SPS)被誉为高效节能电源,它代表着稳压电源的发展方向,现已成为稳压电源的主流产品。

开关电源内部的关键元器件工作在高频开关状态,本身消耗的能量很低,电源效率可达80%~90%,比普通线性稳压电源提高近一倍。

开关电源集成电路主要包括以下4种:脉冲宽度调制(简称脉宽调制PWM)器

脉冲频率调制(简称脉频调制PFM)器

单片开关式稳压器

单片开关电源

电路原理:

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图6-1 三种稳压器的等效电路

a)串联调整式b)并联调整式c)开关式

单片开关电源属于AC/DC电源变换器。单片开关电源集成电路自20世纪90年代中期问世以来便显示出强大的生命力。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等优点,现已成为开发中、小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。

二、稳压电源的主要参数

电压调整率

S V=(△U O/U O)·100% (6-1-1)负载调整率

S I=

11

2 U U

U-

·100% (6-1-2)

第二节三端固定式集成稳压器的原理与应用

一、三端固定式集成稳压器的产品分类

三端固定式集成稳压器的产品分类见表6-2。

二、三端固定式集成稳压器的原理

1. 7800系列三端固定式集成稳压器

正压输出,分TO-220塑料封装、TO-3金属壳封装,最大允许功耗(P DM)分别为10W、20W (加合适的散热器)。

U I为输入端,U O为输出端,GND是公共端(地)。7800系列的最大输出电流为1.5A。产品分Ⅰ类军品、Ⅱ类军品、Ⅲ类民品,工作结温(即芯片内部温度)范围分别为-55℃~+150℃、-25℃~+150℃、0~+125℃。7800系列集成稳压器的最高输入电压为35V。最小输入-输出电压差为2V,为工作可靠起见,一般应选4V~6V。输出电压值允许有±5%的偏差,电压调整率S V=0.1%,负载调整率S I=0.8%。

对7800系列三端固定式集成稳压器而言,其电位分布如下:

U I>U O>U GND(0V)(6-2-1)电流途径为:U I→内部调整管→U O→外部负载R L→GND。其输出电流I O是从U O端输出的。

2. 7900系列三端固定式集成稳压器

7900系列属于负压输出,7900的电位分布为

GND(0V)>-U O>-UI(6-2-2)电流途径为:GND→负载R L→-UO→内部调整管→-UI。负载电流是从-U O端流入稳压器的。

注意,采用TO-3封装的7800系列产品,其金属外壳为地端;而同样封装的7900系列的金属外壳是负压输入端。因此,将二者构成多路稳压电源时,若7800的外壳已经接印制版的公共地,则7900系列的外壳及散热器必须与印制板公共地绝缘,否则会造成电源短路。

三、三端固定式集成稳压器的应用

1. 典型应用

C I为稳压器的输入电容,用来滤除高频纹波。

C O为输出电容,利用其两端压降不能突变的特性可改善负载的瞬态响应。

使用注意事项:

(1)防止GND端开路(浮地),此时可造成U O≈U I,容易损坏负载电路中的元器件。

(2)防止将输入端与输出端接反了。当稳压器输出端接着大容量负载电容C L时,应在U I端与U O端之间反极性并联一只保护二极管VD,正常情况下VD截止;一旦输入端发生短路,C L上积存的电荷便通过VD对地放电,防止向内部调整管的发射结放电而损坏芯片。

2. 正负压可调输出式稳压电源

正、负压可调输出式稳压电源的电路如图6-2-8所示,RP1、RP2为电位器。该稳压器的

特点是7805的GND端接RP2的滑动端d,而将7905的GND端接RP1的滑动端c。若将+U O固定为+5V,则调节RP1时-U O=0~-5V。反之,将-U O固定为-5V,则调节RP2时+U O=0~5V。该稳压器的另一特点是±U O还可在±2.5~±5V范围内连续调节,获得正、负对称的输出电压。RP1、RP2可合用一只同轴电位器。当c点、b点分别滑至0位置时,输出为±5V;当c点、b点分别滑至

RP1、RP2的中间位置时,输出为±2.5V。因此调节RP1、RP2时可获得±2.5~±5V范围内的任何对称电压。该电路实质上是通过改变公共端的电位,来控制稳压器输出电位的高低。需要注意的是,当|±U O|<2.5V时,稳压器可能无法正常工作,此时输出电压不确定。

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图6-2-8 正负压连续可调的稳压电源电路

例说明,当d点滑至b端时,U d=U b=-5V,而7805的U O端对GND端的电压固定为+5V,故U a =0V。当d点移到0端时与典型用法相同,此时U d=0V,U a=+5V。

4. 恒流源电路

三端稳压器可构成恒流源,向负载R L提供某一恒定的电流I H,当负载发生变化时7800通过改变调整管压降来维持I H不变。

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图6-2-9 恒流源电路

计算I H的公式为

I H=U O/R (6-2-3)

5. 升压方法

用稳压管来提升GND端的电位,从而将输出电压从U O提升到U'O。

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图6-2-10 利用稳压管提升输出电压

U'O=U O+U Z (6-2-4)由于稳压管可以吸收静态电流I d,因此不会影响稳压管的稳定度。

6. 扩流方法

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图6-2-12 三端固定式集成稳压器的应用电路

a)外接PNP管b)外接NPN管

思考题:

1. 通用集成电源主要有哪些类型?

2. 使用三端稳压器的注意事项。

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第六章通用集成电源

第三节三端可调式集成稳压器的原理与应用

一、三端可调式集成稳压器的产品分类

三端可调式集成稳压器的产品分类见表6-3。

二、三端可调式集成稳压器的原理

三端可调式集成稳压器是在三端固定式集成稳压器的基础上发展而成的。它不仅保留了前者的优点,而且在性能指标上有很大提高。LM317型三端可调式集成稳压器的引脚排列及内部框图如图6-3-1所示,ADJ为调整端。TO-220封装和TO-3封装的最大允许功耗分别

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a)TO-220封装b)TO-3封装c)内部框图

图6-3-1 LM337的引脚排列及内部框图

为7.5W、15W(加合适的散热器)。与7800系列产品相比,它把内部电路(包括误差的放大器、50μA的超级恒流源、偏置电路等)的接地端改接到输出端,使之在输入-输出压差下工作,因此LM317没有接地端。此外,它内部的1.25V基准电压源接在误差放大器同相输入端与ADJ之间。特别情况下,若将ADJ端接地,LM317就变成输出电压为1.25V的三端固定式集成稳压器。即使这样,其性能指标仍远优于7800。LM317的主要技术指标为U I=2V~40V,U O=1.25V~37V,I OM=1.5A。其电压调整率S V=0.02%,负载调整率S I=0.1%,比7800系列提高近一个数量级。图6-3-1c中的R S 为过电流检测电阻。

三、三端可调式集成稳压器的应用

1.典型应用

LM317的典型应用电路如图6-3-2所示。

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图6-3-2 LM317的典型应用电路

R1、R2——取样电阻。

R1——设定最小负载电流:R1的阻值有两种取法:①取R1=240Ω,此时I L=1.5V/240Ω≈5mA,

R 2选用6.8k Ω可调电阻;②取R 1=120Ω,I L ≈10mA ,R 2可选3.4k Ω。

R 2——调整输出电压U O 值。最大调整范围是1.25V ~37V 的稳压输出。 C 2——滤除R 2两端的纹波,使之不能经放大后从U O 端输出。

VD 2——保护二极管,一旦U I 发生短路故障,由VD 2给C 2提供泄放回路,避免C 2经过LM317内部放电而损坏芯片。

C 1——作防止输出端产生自激振荡。

VD 1——保护二极管,当稳压器的输出端接大容量负载电容C L 时,VD 1可起到保护作用。 输出电压的计算公式为

U O =1.25×(1+1

2R R

) (6-3)

2. 0~30V 连续可调式稳压电源

0~30V 连续可调式稳压电源的电路如图6-3-3所示。为使输出电压能从0V 开始连续调节,R 2

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图6-3-3 0~30V 连续可调式稳压电源的电路

的下端应接-1.25V 的负电位。该电位可由稳压管VD Z 来提供,VD Z 再经过限流电阻R 3接-5V 电源。VD Z 亦可用两只硅整流管串联后代替。

3. 宽范围跟踪式线性稳压器

一种宽范围跟踪式线性稳压器的电路如图6-3-4所示。该稳压电路的巧妙之处是仅用一片LM317

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图6-3-4 一种宽范围跟踪式线性稳压器的电路

型正压可调式线性稳压器,即可实现对LM320-××系列负压固定式线性稳压器的跟踪。 跟踪电路包括电阻R 1、R 2,硅二极管VD 1、VD 2,NPN 晶体管VT (2N2222)。由R 1、VD 1、VD 2和R 2组成的分压器,并联在+U O 与-U O 之间。VT 的基极接R 1的下端,集电极接LM317的调

整端。设VT的基极、集电极和调整端的电位分别为U B、U C和U ADJ。

当-U O变得更负时,会使U B降低,导致U C和U ADJ升高,+U O也随之升高,最终使+U O=|-U O|,正、负压输出达到平衡。反之,若-U O向正的方向变化,则U B↑→U C↓→U ADJ↓→+U O↓,也能实现两路输出的平衡。VD1、VD2用于提高稳定性和跟踪能力。设计电路时应将引到M、N点的导线分别汇合成一个焊点。

思考题:

使用一片7806构成集成稳压电源。绘出从变压器一直到稳压输出的完整电路,标明各阻容元件的序号、数值。

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第四节 低压差集成稳压器的原理与应用

提高电源效率的三条途径:

1. 尽量降低线性稳压器的输入电压。

2. 选用低压差稳压器。

3. 采用高效率开关电源。

一、低压差集成稳压器的性能特点

目前生产的串联调整式三端集成稳压器普遍采用电压控制型,为了保证稳压效果,稳压器的输入-输出压差一般要取4V ~6V ,这是造成电源效率低的主要原因。若不考虑电源变压器和整流器的损耗,电源的总功率P 就等于稳压器的功耗P D 与输出功率P O 之和:

P =P D +P O (6-4-1)

式中,P D 为无用功率,它等于输入-输出压差与输出电流的乘积,即P D =(U I -U O )I O 。P O 是有用功率。对于串联调整式线性电源,若忽略其静态工作电流I d ,则输入电流与输出电流相等,即I I =I O ,因此电源转换效率

η=O D O P P P +=P P

O =I I O O U I U I =I O U U ×100% (6-4-2)

举例说明,7805型三端集成稳压器的标称输出电压U O =5V ,当U I =9V ~11V 时,输入-输出压

差是4V ~6V 。不难算出,在U I 分别为13、11、9V 时,η依次为38%、45.5%、55.6%。一般情况下线性集成稳压器的转换效率只有45%左右。很显然,有大约50%的电能被浪费掉了。

低压差稳压器属于电流控制型稳压器,并选用低压降的PNP 型晶体管作为内部调整管,从而把输入-输出压差降低到0.5V ~0.6V 以下。

LM2930与普通三端稳压器7805的对比性试验见表6-4-2。

二、低压差集成稳压器的分类

线性稳压器的5种基本类型如图6-4-4所示。a 图为传统的NPN 型线性稳压器,其输入-输出压

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图6-4-4 线性稳压器的5种基本类型

a )传统的NPN 型稳压器

b )准低压差线性稳压器(QLDO )

c )低压差线性稳压器(LDO )

d )PMOS 超低压差线性稳压器

e )NMOS 超低压差线性稳压器

差超过2.5~3V ,I为驱动电流(下同)。b 图为准低压差线性稳压器(QLDO ),其压差可减小到0.9~

1.5V 。c 图为PNP 型低压差线性稳压器(LDO ),其压差仅为0.3~0.6V 。d 图为由P 沟道MOS 管构成的超低压差线性稳压器(简称PMOS VLDO ),其压差可降至100mV 左右。e 图为由N 沟道MOS 管构成的超低压差线性稳压器(简称NMOS VLDO ),其压差压差可低至几十毫伏。

低压差线性稳压器与其他几种集成稳压器的性能比较见表6-4-2。

表6-4-2 低压差线性稳压器与其他稳压器的性能比较

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三、低压差集成稳压器的应用

1. 由SPX1584构成的奔腾微处理器电源

SPX1584是美国Sipex 公司生产的8A 低压差稳压器。SPX1585分固定输出式(+3.3V )、可调输出式两种类型。该产品适用于微处理器或便携式仪表的稳压电源、恒流源及电池充电器。SPX1584的输出电压精度为±1%,满载时的压差为1.1V 。电压调整率为0.015%、负载调整率为0.1%。最大输出电流为8A 。由SPX1584构成奔腾微处理器电源的电路如图6-5-1所示。计算输出电压的公式如下:

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图6-5-1 由SPX1584构成奔腾微处理器电源的电路

U O =1.240×(1+

1

2

R R ) (6-5-1) 当R 1=120Ω,R 2=200Ω时,根据式(6-5-1)计算出U O =+3.3V 。

四、低压差线性稳压器的设计要点

(1)输入电压必须大于额定输出电压与输入-输出压差之和,即U I >U O +ΔU 。否则低压差线性稳压器将失去稳压功能。

(2)为减小分布电容和分布电感,输入电容器和输出电容器应靠近低压差线性稳压器。在输入电容器上并联一只0.1μF 的陶瓷电容器,能消除寄生阻抗的影响。

(3)使用交流电源时,应采用单点接地、四线制接法,亦称开尔文(Kelvin )接法,

思考题:

1. 提高稳压电源的效率有哪些途径?

2. 试计算并比较NPN型线性稳压器、LDO、QLDO和VLDO的输入-输出压差。

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第14 次课 2 学时

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第六节单片开关式稳压器的原理与应用

单片开关式稳压器属于低压DC/DC电源变换器,主要优点:

(1)集成化程度较高(内含开关功率管和保护电路);

(2)外围电路简单;

(3)输出电压连续可调;

(4)稳压性能好。

一、单片开关式稳压器的产品分类

意-法半导体有限公司(SGS-Tomson)生产的L4960和L4970系列产品。

适合制作低压连续可调(5.1 V~40V)、大中功率(400W以下)、大电流(1.5A~10A)、高效率(可大于90%)的开关电源。

利用降压式电路来代替高频变压器,使用时需配工频变压器。

二、L4960/4962的工作原理

L4960和L4962的原理框图如图6-6-2所示(括号内数字是L4962的引脚序号)。

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图6-6-2 L4960和L4962的原理框图

1. 主要包括6部分:

①5.1V基准电压源和误差放大器;

②锯齿波发生器;

③PWM比较器和功率输出级;

④软启动电路;

⑤输出限流保护电路;

⑥芯片过热保护电路。

2. 基本工作原理:输出电压U O经R3、R4取样后,送至误差放大器的反相输入端,与加在同相输入端的5.1V基准电压进行比较,得到误差电压U r,再用U r的幅度去控制PWM比较器输出的脉冲宽度,最后经过功率放大和降压式输出电路使U O保持不变。

U O =ηDU I (6-6-1) 当U O 降低时,U r ↑→D ↑→U O ↑;反之,若U O 因某种原因而升高,则U r ↓→D ↓→U O ↓。

开关频率:

f =1/(R 2C 2) (6-6-2) 3. 软启动电路 有两个功能:

(1)防止输出级发生二次击穿;

(2)限制稳压器短路后的平均电流值。

在软启动过程中,输出电流是缓慢建立起来的,软启动时间约100ms 。

当T j ≥150℃时,过热保护电路就输出高电平,加至与非门的反相输入端,使与非门输出低电平,将功率输出级关断。与此同时VT 193导通,C 4开始放电。过热保护电路动作之后,需要等T j 降至120℃以下才能重新启动。

三、由L4960构成的单片开关电源

由L4960构成的单片开关电源的电路如图6-6-6所示。

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图6-6-6 由L4960构成开关电源的电路

3

4

3REF O R R R U U += U O =U REF ???? ??+341R R =5.1×???

?

??+341R R (6-6-3)

设计要点:

(1)L4960时必须加合适的散热器,因其最大允许功耗P DM =7W ,可选TO -220成品散热器,亦可自制100 mm ×80 mm ×2 mm 的铝板散热器。

(2)设计电路时必须把信号地与功率地线分开布置,最后在输出端汇合(参见图6-6-6)。这是因为功率地线上有大电流通过,它在印制导线上形成的压降如被引入信号端,即会经L4960反映到输出端,影响稳压性能。

(3)L4960最低只能输出5.1V 电压,欲从0V 起调,可利用7905型三端稳压器给L4960的GND 端提供-5V 电压,便可获得0~(U O -5V )范围内的输出电压。

思考题:

1. 通用集成电源主要有哪些类型?单片开关式稳压器有何优点?

2. 脉宽调制与脉频调制的原理有何区别?

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第15 次课 2 学时注:本页为每次课教案首页输出电压。

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第九节电磁干扰滤波器的原理与应用

随着电子设备、计算机和家用电器的大量涌现与广泛普及,电网干扰正日益严重并形成一种公害,因为这种干扰可导致电子设备无法正常工作。特别是瞬态电磁干扰,其电压幅度高(几百伏至上千伏)、上升速率快、持续时间短、随机性强,容易对数字电路产生严重干扰,常使人们防不胜防,这已引起国内外电子界的高度重视。

电磁干扰滤波器(EMI Filter)亦称电源噪声滤波器(Power Noise Filter,英文缩写为PNF),是近年来被推广应用的一种组合器件,它能有效地抑制电网噪声,提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性。

一、电磁干扰滤波器的构造原理及应用

1. 构造原理

电源噪声是电磁干扰(EMI)的一种,它属于射频干扰(RFI),其传导噪声的频谱大致为10kHz~30MHz,最高可达150MHz。

根据传播方向的不同,电源噪声可分为两大类:一类是从电源进线引入的外界干扰,另一类是由电子设备产生并经电源线传导出去的噪声。这表明噪声属于双向干扰信号,电子设备既是噪声干扰的对象,又是一个噪声源。

从形成特点看,噪声干扰分串模干扰与共模干扰两种。串模干扰是两条电源线之间(简称线对线)的噪声,共模干扰则是两条电源线对大地(简称线对地)的噪声。

电磁干扰滤波器应符合电磁兼容性(EMC)的要求,也必须是双向射频滤波器,一方面要滤除从交流电源线上引入的外部电磁干扰,另一方面还能避免本身设备向外部发出噪声干扰,以免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。此外,电磁干扰滤波器应对串模、共模干扰都起到抑制作用。

2.基本电路及典型应用

电磁干扰滤波器的基本电路如图15-2-1所示。该五端器件有两个输入端,两个输出端和一个接地

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图15-2-1 电磁干扰滤波器的基本电路

端,使用时外壳应接通大地。电路中包括共模扼流圈(亦称共模电感)L、滤波电容C1~C4。L对串模干扰不起作用,但当出现共模干扰时,由于两个线圈的磁通方向相同,经过耦合后总电感量迅速增大,因此对共模信号呈现很大的感抗,使之不易通过,故称作共模扼流圈。它的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上。当有共模电流通过时,两个线圈上产生的磁场就会互相加强。L的电感量与EMI滤波器的额定电流I有关。适当增加电感量,可改善低频衰减特性。C1和C2采用薄膜电容器,容量范围大致是0. 01μF~0.47μF,主要用来滤除串模干扰。C3和C4跨接在输出端,并将电容器的中点接通大地,能有效地抑制共模干扰。C3和C4的容量范围是2200pF~0.1μF。为减小漏电流,电容量不宜超过0.1μF。C1~C4的耐压值均为630VDC或250V AC。

图15-2-3示出一种两级复合式EMI滤波器的内部电路,由于采用两级(亦称两节)滤波,因此滤除噪声的效果更佳。针对某些用户现场存在重复频率为几千赫兹的快速瞬态群脉冲干扰的问题,最