1.2 稳压电源

稳压电源可分为线性电源和开关电源两大类别，主要用做电子元器件的工作电源，以及用于低压灯具、直流电机等。其具体分类如下：

1.2.1 线性电源

1.线性电源的原理

线性电源通常包括调整管、比较放大部分（误差放大器）、反馈采样部分及基准电压部分。线性串联电源的原理框图如图1-2所示。由于调整管与负载串联分压，所以只要将它们之间的分压比调节到适当值，就能保证输出电压不变。这个调节过程是通过一个反馈控制过程来实现的。反馈采样部分监测输出电压，然后通过比较放大器与基准电压进行比较，判断输出电压是偏高了还是偏低了，偏差多少？再把这个偏差量放大去控制调整管，如果输出电压偏高，则将调整管上的压降调高，使负载的分压减小；如果输出电压偏低，则将调整管上的压降调低，使负载的分压增大，从而实现输出稳压。

线性电源的线路简单、干扰小，对输入电压和负载变化的响应非常快，稳压性能非常好。但是，线性电源的功率调整管始终工作在线性放大区，调整管上的功率损耗很大，导致其效率较低，只有20%～40%，且发热损耗严重，所需的散热器体积大，质量大，因而功率体积系数只有20～30W/dm3。另外，线性电源对电网电压大范围变化的适应性较差，输出电压保持时间仅有5ms，因此它主要用在小功率、对稳压精度要求很高的场合，如一些为通信设备内部的集成电路供电的辅助电源等。

如图1-3所示是串联反馈式稳压电路的一般结构图，图中的Ui是整流滤波电路的输出电压，VT为调整管，A为比较放大器，UREF为基准电压，R1与R2组成的反馈网络用来反映输出电压的变化（取样）。

这种稳压电路的主回路是由具有调整作用的三极管VT与负载串联组成的，因此称为串联式稳压电路。输出电压的变化量由反馈网络取样经放大器放大后去控制调整管VT的c-e极间的电压降，从而达到稳定输出电压Uo的目的。稳压原理可简述如下：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，则反馈电压UF=R2Uo/（R1+R2）=FUUo也随之增加（FU为反馈系数）。UF与基准电压UREF相比较，其差值电压经比较放大器放大后使调整管VT的UB和IC减小，其c-e极间的电压UCE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。从反馈放大器的角度来看，这种电路属于电压串联负反馈电路。调整管VT连接成射极跟随器，因此可得

式中，AU是比较放大器的电压放大倍数，考虑所带负载的影响，它与开环放大倍数 不同。

在深度负反馈条件下，1+AUFU ≫1时，则可得

式（1-3）表明，输出电压Uo与基准电压UREF近似呈正比，与反馈系数FU呈反比。当UREF及FU已定时，Uo也就确定了，因此该式是设计稳压电路的基本关系式。

值得注意的是，调整管VT的调整作用是依靠FU和UREF之间的偏差来实现的，即必须有偏差才能调整。如果Uo绝对不变，调整管的UCE也绝对不变，则电路也就不能起调整作用了。因此，Uo不可能达到绝对稳定，只能达到基本稳定。这样，图1-3中所示的电路实际是一个闭环调整系统。

由以上分析可知，当反馈越深时，调整作用越强，输出电压Uo也越稳定，电路的稳压系数和输出电阻Ro也越小。

2.基准电压源

基准电压源一般可以使用由稳压二极管组成的稳压源，但目前有很多基准电压集成电路，这些电路的稳压性能非常好，因此它们被广泛用做高性能稳压电源的基准电压源，或A/D和D/A转换器的参考电源。基准电压集成电路常用的型号是MC1403、MC1503和TL431。

TL431是一个性能优良的基准电压集成电路。它主要应用在稳压、仪器仪表、可调电源和开关电源中，是稳压二极管的良好替代品，其主要特点是：可调输出电压为2.5～36V，典型输出阻抗为0.2Ω，吸收电流为1～100mA，温度系数为30ppm/℃，有多种封装形式。

基准电压集成电路TL431及其应用电路如图1-4所示。TL431的图形符号如图1-4（a）所示。如图1-4（b）所示是使用TL431的稳压电路。其最大稳定电流为2A，输出电压的调节范围为2.5～24V。在图中，发光二极管VD作为稳压二极管使用，使VT2的发射结恒定，从而使电流I1恒定，保证当输入电压变化时，TL431不会因电流过大而损坏。当输入电压变化时，TL431的参考电压UREF随之变化，当输出电压上升时，TL431的阴极电压随UREF上升而下降，输出电压也随之下降。

3.简单分立元件组成的串联稳压电源

简单分立元件组成的串联稳压电源如图1-5所示，它是一个典型的串联稳压电源。图中，变压器将220V市电降成需要的电压后，再进行桥式整流和滤波，从而将交流电变成直流电并滤去纹波，然后经过简单的串联稳压电路进行串联稳压，最后输出端便得到了稳定的直流电压。

4.集成稳压电路

集成稳压电路采用集成稳压器来实现稳压功能。集成稳压器具有使用安全可靠、接线简单、维护方便、价格低廉等优点，当前正被广泛采用。集成稳压器一般有三个引脚：输入、输出和公共端，在其芯片内部有过流、过热及短路保护电路。

1）三端固定集成稳压电路

三端固定集成稳压电路（三端稳压器）的输出电压是固定的，常用的是 CW7800/CW7900系列。CW7800系列输出正电压，其输出电压有 5V、6V、7V、8V、9V、10V、12V、15V、18V、20V和24V共11个挡。该系列的输出电流分为5挡，其中7800系列是1.5A，78M00系列是 0.5A，78L00系列是 0.1A，78T00系列是 3A，78H00系列是 5A。CW7900系列与CW7800系列所不同的是其输出电压为负值。

三端稳压器的工作原理与前述串联反馈式稳压电路的工作原理基本相同，它也由采样、基准、放大和调整等单元组成。三端稳压器只有三个引出端子：输入、输出和公共端。其中输入端接整流滤波电路；输出端接负载；公共端接输入、输出的公共连接点。为使它工作稳定，一般在输入端和输出端与公共端之间分别并接一个电容。使用三端稳压器时注意一定要加散热器，否则它的工作电流达不到额定电流。

三端稳压器的典型应用如图1-6所示，该图是LM7805和LM7905作为固定输出电压电路的典型接线图。正常工作时，输入、输出电压差2～3V。电容C1用来实现频率补偿，C2用来抑制稳压电路的自激振荡，C1一般为0.33μF，C2一般为1μF。

2）三端可调输出电压集成稳压器

三端可调输出电压集成稳压器（简称三端可调稳压器）是在三端固定式集成稳压器（简称三端固定稳压器）基础上发展起来的，其生产量大且应用面广。它也有 LM117、LM217和LM317系列（正电压输出），LM137、LM237和LM337系列（负电压输出）两种类型，它既保留了三端固定稳压器的简单结构形式，又克服了三端固定稳压器输出电压不可调的缺点。它在内部电路设计上及集成化工艺方面采用了先进的技术，其性能指标比三端固定稳压器高一个数量级，其输出电压在1.25～37V范围内连续可调。其稳压精度高、价格便宜，称为第二代三端稳压器。

LM317是三端可调稳压器的一种，它具有输出1.5A电流的能力。三端可调稳压器LM317的典型电路如图1-7所示。该电路的输出电压范围为1.25～37V，其近似表达式是

式中，UREF=1.25V。

如果R1=240Ω，R2=2.4kΩ，则输出电压近似为13.75V。

3）低压差三端稳压器

前述三端稳压器的缺点是输入、输出之间必须维持2～3V的电压差（这样它们才能正常地工作），因此它们在电池供电的装置中不能使用。例如，7805系列在输出1.5A时自身的功耗达到4.5W，不仅浪费能源还需要散热器散热。

Micrel公司生产的三端稳压器MIC29150，具有3.3V、5V和12V三种电压，输出电流为1.5A，并具有和7800系列相同的封装，因此可以与7805系列互换使用。该器件的特点是：压差低，在1.5A输出时的典型值为350mV，最大值为600mV；输出电压精度为±2%；最大输入电压可达26V，输出电压的温度系数为20ppm/℃，工作温度为-40～125℃；有过流保护、过热保护、电源极性接反及瞬态过压保护（-20～60V）功能。该三端稳压器的输入电压为5.6V，输出电压为5.0V，功耗仅为0.9W，比7805系列的4.5W小得多，因此可以不用散热片。另外，如果采用市电供电，则变压器功率可以相应减小。MIC29150的使用与7805系列完全一样。

1.2.2 开关电源原理

线性电源的动态响应非常快，稳压性能好，只可惜其功率转换效率太低。要想提高效率，就必须使图1-2中的功率调整器件（即调整管）处于开关工作状态，再对图1-2所示电路相应地稍加改变即成为开关型稳压电源。转变后的降压型开关电源原理图如图1-8所示。调整管作为开关而言，导通时（压降小）几乎不消耗能量，关断时漏电流很小，也几乎不消耗能量，从而大大提高了转换效率，其功率转换效率可达80%以上。

在图1-8中，波动的直流电压Ui输入高频变换器（即开关管VT和二极管VD），经高频变换器转变为高频（≥20kHz）脉冲方波电压，该脉冲方波电压通过输出滤波器（电感L和电容C）变成平滑的直流电压供给负载。高频变换器和输出滤波器一起构成主回路，完成能量处理任务。而稳定输出电压的任务是靠控制回路对主回路的控制作用来实现的。控制回路包括取样电压部分、基准电压部分、比较放大器（误差放大器）、电压/脉冲转换器等。开关电源稳定输出电压可以直观理解为通过控制滤波电容的充、放电时间来实现。

具体的稳压过程为：当开关电源的负载电流增大或输入电压Ui降低时，输出电压Uo轻微下降，控制回路就使高频变换器输出的脉冲方波的宽度变宽，即给电容多充点电（充电时间加长），少放点电（放电时间减短），从而使电容C上的电压（即输出电压）回升，起到稳定输出电压的作用。反之，当外界因素引起输出电压偏高时，控制电路使高频变换器输出脉冲方波的宽度变窄，即给电容少充点电，从而使电容C上的电压回落，稳定输出电压。

随着电力电子技术的发展，大功率开关晶体管、快恢复二极管及其他元器件的电压得到了很大的提高，这为取消稳压电源中的工频变压器，发展高频开关电源创造了条件。由于高频开关电源不需要工频变压器，故称它为无工频变压器的开关电源。它使电源在小型化、轻量化、高效率等方面又迈进了一步。无工频变压器的开关电源的方框图如图1-9所示。带高频变压器耦合的开关电源原理框图如图1-10所示，它则是从工作波形角度介绍的。

上述电源的共同特点是具有高频变压器，直流稳压是从变压器次级绕组的高频脉冲电压整流滤波而得来的，且变压器的初级、次级是隔离的或部分隔离的，而输入电压是直接从交流市电整流得到的直流高压。

带变压器耦合的开关电源电路原理如图1-11所示。该电路中的晶体管（13005）起开关作用。当晶体管饱和导通时，相当于开关接通，电源电压直接加到变压器的一次侧（初级）线圈（u1=Ui），极性为上正下负。由变压器线圈的同名端可知，二次侧（次级）线圈的感应电动势为上负下正，整流二极管不导通，二次侧线圈电流为零，而一次侧线圈的电流为

式中，L1为变压器一次侧线圈的自感；i10是晶体管导通后一次侧线圈的初始电流。

当晶体管截止时，相当于开关断开，一次侧线圈电流变为零，在一次侧线圈中产生的感应电动势为上负下正，在二次侧线圈中产生的感应电动势为上正下负，整流二极管导通。这时二次侧线圈的端电压为输出电压（u2=Uo），二次侧线圈的电流为

式中，L2为变压器二次侧线圈的自感。

由于主磁通不能突变，则在晶体管关断的瞬间，磁路的磁势（安匝数）不能发生突变。设晶体管关断瞬间一次侧线圈的电流为i11，晶体管关断后瞬间二次侧线圈的电流为i20，则有

式中，变比k=N1/N2。

同理，在晶体管导通的瞬间有

即 Δi2=-kΔi1。

式（1-7）与 式（1-8）相减得

式中，Δi1=i11-i10；Δi2=i21-i20。

将式（1-5）和式（1-6）代入式（1-9）有

式中，Ton和Tof分别为晶体管的导通时间和截止时间。

再考虑到L1=k2L2，则有

由此可见，输出电压除了与输入电压Ui及变压器的变比k有关以外，还与晶体管的导通时间与截止时间之比有关。

当晶体管截止时，变压器一次侧线圈的电压u1=-kUo，晶体管的集电极与发射极之间的电压uce=-u1+Ui。再考虑到漏磁通所产生的感应电动势，则应选用耐压较高的晶体管。为了减小漏感所产生的尖峰电压，常在晶体管的集电极与发射极之间接一个由电阻、电容和开关二极管所组成的吸收网络。

开关型稳压电源控制器的作用是控制晶体管的导通和关断。为了能在输入电源变化时或负载变化时保证输出电压稳定不变，一般控制器将输出电压的采样值与给定值相比较，用比较的结果来调节晶体管的导通与截止时间之比。为了简化电路、突出重点，这里采用了一个由NE555构成的多谐振荡器作为控制器，并省略了采样比较环节。该多谐振荡器输出方波的占空比可由电位器Rp调节，即

1.2.3 线性电源与开关电源的比较

开关电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、逆变器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路。它们的功能介绍如下。

（1）输入电网滤波器：消除来自电网的干扰，如电动机的启动、电器的开/关、雷击等产生的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。

（2）输入整流滤波器：对电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流电压。

（3）逆变器：是开关电源的关键部分，它把直流电压变换成高频交流电压，并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。

（4）输出整流滤波器：将变换器输出的高频交流电压整流滤波后得到需要的直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干扰。

（5）控制电路：检测输出直流电压，并将其与基准电压比较后进行放大；调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。

（6）保护电路：当开关电源发生过电压、过电流短路时，保护电路使开关电源停止工作以保护负载和电源本身。

线性电源一般是将输出电压取样后与参考电压一起送入比较电压放大器，此电压放大器的输出作为电压调整管的输入，用以控制调整管使其结电压随输入的变化而变化，从而调整其输出电压。但开关电源是通过改变调整管的开和关的时间（即占空比）来改变输出电压的。开关电源与线性电源的主要性能比较如表1-2所示。

线性电源与自来水管类似，由于没有开关介入，使得上水管一直在放水，如果有多的水，就会漏出来，这就是我们经常看到的某些线性电源的MOS管发热量很大，用不完的电能全部转换成了热能。从这个角度来看，线性电源的转换效率就非常低了，而且热量高时，元件的寿命势必要下降，影响最终的使用效果。由于线性电源的功率器件工作在线性状态，所以其工作效率低，一般为50%～60%。线性电源的工作方式，使得从高压变低压必须有降压变压器，再经过整流输出直流电压，这样就造成其体积很大，笨重，效率低、发热量也大。当然，线性电源也有优点：纹波小，调整率好，对外干扰小，适合用于模拟电路、各类放大器领域。

而开关电源的功率器件工作在开关状态（一开一关，频率非常快，一般平板开关电源的频率为100～200kHz，模块电源为300～500kHz），同时它对变压器有要求，需要用高磁导率的材料来制作变压器。

总之，与线性电源相比，开关电源的功率转换效率高，可达65%～90%（美国最好的VICOR开关电源模块的效率高达99%），发热少，功率体积系数可达60～100W/dm3，对电网电压大范围变化具有很强的适应性，电压、负载稳定度高，输出电压保持时间长达20ms；开关电源不需要工频变压器，工作频率高，所需的滤波电容、电感小，因此其体积小，质量轻，动态响应速度快；开关电源的开关频率都在20kHz以上，超出人耳的听觉范围，没有令人心烦的噪声；开关电源可以采用有效的功率因数校正技术，使功率因数达到0.9以上，高的甚至达到0.99（安圣的HD4850整流模块）。这些使得开关电源在通信电源领域已大量取代线性电源。

开关电源的主要缺点就是线路复杂，输出纹波较大。开关电源电路问世之初，其控制线路都是由分立元件或运算放大器等集成电路组成的，元件多，线路复杂，随之产生的可靠性差等原因严重影响了开关电源的广泛应用。

开关电源的发展依赖于元器件和磁性材料的发展。20世纪70年代后期，随着半导体技术的高度发展，高反压快速功率开关管使无工频变压器的开关电源迅速实用化。而集成电路的迅速发展为开关电源控制电路的集成化奠定了基础。陆续涌现出的开关电源专用的脉冲调制电路，如SG3525和TL494等为开关电源提供了成本低、性能优良可靠、使用方便的集成控制电路芯片，从而使得开关电源的电路由复杂变为简单。目前，开关电源的输出纹波已降至100mV以下，射频干扰和电磁干扰也被抑制到很低的水平上。总之，随着电力电子技术的发展，开关电源的缺点正逐步被克服，其优点也得以充分发挥。尤其在当前能源比较紧张的情况下，开关电源的高效率能够在节能上做出很大的贡献。正因为开关电源具有这些优点，所以它得到了蓬勃的发展。

1.2.4 单片开关电源

1.概述

单片开关电源自20世纪90年代中期问世以来便显示出强大的生命力。它作为一项颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍关注。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，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。目前，单片开关电源正朝着短、小、轻、薄、节

能、安全的方向发展，并已涌现出许多单片开关电源的新技术和新产品。

2.单片开关电源的产品分类

目前生产的单片开关电源主要有 TOPSwitch、TOPSwitch-Ⅱ、TinySwitch、TNY256、MC33370、TOPSwitch-FX、TOPSwitch-GX几大系列。此外，还有 L4960系列、L4970/L4970A系列单片开关式稳压器，共80余种型号。其中，TOPSwitch、TOPSwitch-Ⅱ、Ti-nySwitch、TNY256和 TOPSwitch-FX、TOPSwitch-GX系列均为美国 PI公司的产品；MC33370系列为Motorola公司的产品；L4960、L4970/L4970A系列为意-法半导体有限公司（SGS-Thomson）的产品。根据引出端的数量，单片开关电源可划分成三端、四端、五端、多端共4种。

3.三端单片开关电源芯片的性能特点

三端单片开关电源芯片是目前国际上正在流行的新型开关电源芯片。专业从事电源半导体芯片设计和生产的美国PowerIntegration公司在世界上率先研制成功的三端隔离式脉宽调制单片开关电源集成电路，被誉为“顶级开关电源”。其第一代产品以1994年推出的TOP100/200系列为代表，第二代产品则是1997年问世的TOPSwitch-Ⅱ。TOPSwitch-Ⅱ与第一代产品相比，不仅在性能上有进一步的改进，而且其输出功率得到了显著提高，现已成为国际上开发中、小功率开关电源及电源模块的优选集成电路。

TOPSwitch-Ⅱ芯片有显著的优点：①由于高压MOSFET、PWM及驱动电路等集成在一个芯片里，大大提高了电路的集成度，所以用该芯片设计的开关电源，外接元器件少，可降低成本，缩小体积，提高可靠性；②内置高压MOSFET，寄生电容小，可减少交流损耗；内置的启动电路和电流限制减少了直流损耗，加上CMOS的PWM控制器及驱动器功耗也只有6mW，因此有效地降低了总功耗，提高了效率；③电路设计简单，只有三个功能引脚，分别是源极、漏极和控制极；MOSFET的耐压高达700V，因此220V交流电经整流滤波后，可直接供给该电路使用；④芯片内部具有完善的自动保护电路，包括输入欠压保护、输出过流、过热保护及自动再启动功能。

4.TOPSwitch-Ⅱ系列芯片的管脚排列和封装

TOPSwitch-Ⅱ系列芯片有三种封装形式：TO-220型、DIP-8型和SMD-8型。其中最常见的为三引脚的TO-220封装，如图1-12所示。

（1）控制极C：占空比控制误差放大器输入端和反馈电流输入脚。启动时，由内部高压电流源提供内部偏置电流；正常工作时，它流入反馈控制电流。它同时用做电源旁路电容和自动启动/补偿电容的接入点。

（2）源极S：在TO-220封装中，它既是MOSFET的源极接点，也是开关电源初级回路的公共点和参考点。

（3）漏极D：MOSFET的漏极接入点。在启动时，它提供内部偏置电流。

5.单片开关电源的基本原理

TOPSwitch系列单片开关电源的典型应用电路如图1-13所示。由于单端反激式开关电源电路简单、所用元件少，输出与输入间有电气隔离，能方便地实现多路输出，开关管驱动简单，所以该电源便采用了单端反激式拓扑结构。由图1-13可知，高频变压器初级绕组NP的极性与次级绕组NS、反馈绕组NF的极性相反。当TOPSwitch导通时，次级整流管VD2截止，此时电能以磁能量形式存储在初级绕组中；当TOPSwitch截止时，VD2导通，能量传输给次级。高频变压器在电路中兼有能量存储、隔离输出和电压变换三大功能。在图1-13中，BR为整流桥，CIN为输入端滤波电容，COUT为输出端滤波电容。交流电压UAC经过整流滤波后得到直流高压UI，经高频变压器的初级绕组加至TOPSwitch的漏极上。在MOSFET关断瞬间，高频变压器的漏感会产生尖峰电压。另外，其在初级绕组上还会产生感应电压（即反向电动势）UOR，两者叠加在直流输入电压UI上，加至内MOSFET的漏极上，因此，必须在漏极增加钳位保护电路。钳位保护电路由瞬态电压抑制器或稳压二极管VDZ1、阻塞二极管VD1组成，VD1宜采用超快恢复二极管。当MOSFET导通时，变压器的初级极性为上正下负，从而导致VD1截止，因而钳位保护电路不起作用。在MOSFET截止瞬间，变压器的初级极性则变为上负下正，此时尖峰电压就被VDZ1吸收掉。

该电源的稳压原理简述如下：反馈绕组电压经过 VD3、CF整流滤波后获得反馈电压UFB，经光耦合器中的光敏三极管给TOPSwitch的控制端提供偏压。CT是控制端C的旁路电容。设稳压二极管VDZ2的稳定电压为 UZ2，限流电阻 R1两端的压降为 UR，光耦合器中LED发光二极管的正向压降为UF，则输出电压UO可表示为UO=UZ2+UF+UR。当由于某种原因（如交流电压升高或负载变轻）致使UO升高时，因UZ2不变，则UF就随之升高，使LED的工作电流IF增大，再通过光耦合器使TOPSwitch的控制端电流IC增大。但因TOPS-witch的输出占空比D与IC呈反比，故D减小，这就迫使UO降低，从而达到了稳压目的。反之，UO↓→UF↓→IF↓→IC↓→D↑→UO↑，同样起到稳压作用。由此可见，反馈电路是通过调TOPSwitch的占空比，使输出电压趋于稳定的。

6.单片开关电源的应用领域

（1）通用开关电源，如各种普通开关电源模块、精密开关电源模块、智能化开关电源模块。

（2）专用开关电源，如计算机、USB接口电源、彩电、录像机（VCR）、摄录像机（CVCR）等高档家用电器中的待机电源；电子仪器仪表中的电源；调制解调器电源；辅助电源；IC卡付费电度表中的小型化开关电源模块；机顶盒（Set-topBox）电源；手机电池充电器；AC/DC电源适配器等。

（3）特种开关电源，如复合型开关电源、恒压/恒流型开关电源、截流输出型开关电源、恒功率输出型开关电源、功率因数校正器（PFC）。