基于串联开关型稳压电源的分析与研究

武峭山

（大连交通大学 辽宁 大连 116028）

在工农业生产和科学实验中经常用直流电源供电，有些电子线路和自动控制装置中还需要用电压非常稳定的直流电源。工程技术上常采用串联型稳压电源来实现稳压，这种电路虽然能稳定直流电压，但调整管（晶体三极管）是工作在放大状态，功耗PC=UCEIC比较大，效率比较低，只有30%~40%左右。采用串联开关型稳压电源可以解决这一问题，由于调整管工作在饱和导通和截止状态，所以把调整管称之为开关管。因开关管饱和时UCE≈0，截止时IC≈0，所以功耗比较小，效率比较高，可提高到70%~80%左右，稳压效果也能达到工程要求。分析和研究串联开关型稳压电源电路结构、工作原理，可设计和制造串联开关型稳压电源，以满足生产和实验的需要

1 电路组成

串联开关型稳压电源原理电路由三大部分组成，如图1所示。变压器Tr，整流二极管D1~D4组成单相桥式整流电路，主要作用是将变压器次级线圈上的单相正弦交流电压变为全波直流电压；集成运算放大器 A1、A2，电阻 R1~R6，电容 C1和双向稳压二极管DZ1组成矩形波—三角波发生器电路，主要作用是将集成运算放大器A1输出的矩形波电压转换成A2输出的三角波电压；晶体管T，集成运算放大器A3、A4，电感L，电容 C2，二极管 D5，稳压二极管 DZ2，电阻 R7~R9组成串联开关型稳压电路，主要作用是稳定直流电压和滤掉直流电压中的交流分量（滤波）；P是交流电源，RL是负载电阻。

2 原理分析

整流电路部分。变压器Tr将初级线圈上交流电源P产生的正弦交流电压，变换为次级线圈上同频率的正弦交流电压u。在变压器次级线圈电压u的正半周时，变压器次级线圈电压上正下负，二极管D1、D3导通，D2、D4截止，导通的二极管D1、D3正向压降忽略（设为理想二极管），则整流电路输出一个半波电压Ui≈u；在变压器次级线圈电压u的负半周时，变压器次级线圈电压上负下正，二极管 D2、D4导通，D1、D3截止，导通的二极管D2、D4正向压降忽略（设为理想二极管），则整流电路又输出一个半波电压Ui≈u；在变压器次级线圈电压u的整个周期内，由整流二极管D1~D4整流输出的直流电压Ui为全波，整流前后的电压波形如图2所示。

图2 单相桥式整流电路的电压波形Fig.2 Single phase bridge rectifier circuit voltage waveform

矩形波—三角波发生器电路部分。这部分电路中的集成运算放大器 A1， 电阻 R1、R2、R4、R5和双向稳压二极管 D Z1组成了滞回比较器；集成运算放大器A2，电阻R3、R6和电容C1组成了积分电路。

电路工作稳定后，当比较器输出电压uo1为－UZ（稳压二极管DZ1的稳定电压）时，应用叠加定理可确定出A1同相输入端的电位。

当A1的输出端电压uo1单独作用，A2的输出端电压uo2不作用（uo2＝0，即 A2的输出端接地）时，A1同相输入端电位

当A2的输出端电压uo2单独作用，A1的输出端电压uo1不作用（uo1＝0，即 A1的输出端接地）时，A1同相入输端电位

比较器A1的参考电压u1-=0，要使输出电压uo1由－UZ变为+UZ，必须在 u1+=u1-=0 时实现，由（1））式得

A1、A2输出端电压共同作用时，A1同相输入端电位即当uo2上升到Z时，uo1才能从－UZ变为+UZ。

同理，当比较器输出电压uo1为+UZ时，用叠加定理可确定出A1同相输入端的电位是

要使比较器A1的输出电压uo1由+UZ变为－UZ，也必须在u1+=u1-=0 时实现，由（2）式得

即当uo2下降到-UZ时，uo1才能从+UZ变为－UZ。

这样周期性地变化，A1输出的是矩形波电压uo1，A2输出的是三角波电压uo2。如图3所示。

图3 矩形波-三角波发生器电路的电压波形Fig.3 Rectangular wave，triangular wave generator voltage waveform of the circuit

串联开关型稳压电路部分。图1中晶体管T是调整管，电感L和电容C2组成LC滤波电路，D5为续流二极管，电阻R8、R9组成采样电路，A4为比较放大器，A3为电压比较器，电阻R7、稳压二极管DZ2组成基准电压电路。这部分电路主要起到滤波和稳压作用。

首先分析滤波作用。调整管T集电极上加的电压是整流后的输出电压Ui，基极上加的电压是电压比较器A3的输出电压uB，波形如图4所示。

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

当uB为高电平电压时，调整管T饱和导通，此时晶体管发射极电压等于二极管D5上电压为

UCES为调整管饱和管压降，值很小忽略，续流二极管D5承受反向电压而截止。Ui经LC滤波器滤波后向负载电阻RL供电，同时向电容器C2充电，输出电压uo基本平滑。

当uB为低电平电压时，调整管T截止，整流电路与滤波电路断开，电感电流iL方向不变，流经负载电阻RL和续流二极管D5，同时电容C2也向负载电阻RL放电，此时输出电压uo也基本平滑。调整管发射极电压为

UD为续流二极管D5的正向压降。uB、uE和uo的波形如图4所示。

其次分析稳压作用。在图1中，从采样电路取得采样电压UF与基准电压电路提供的基准电压UR经比较放大器A4比较放大后，得出输出电压Uo3。若 UF＜UR时，Uo3为正。Uo3与三角波电压uo2在电压比较器A3中比较后得到调整管基极电压uB。当Uo3＞uo2时，uB为高电平电压，使调整管饱和导通；反之，uB为低电平电压，使调整管截止。电压Uo3、uo2的波形如图4所示。

串联开关型稳压电路输出电压的uo的平均值，在忽略电感直流电压的情况下为调整管发射极电压的平均值。即：

当由于输入电压或负载电阻变化使输出电压Uo发生变化（设减小）时，稳压过程可分析如下：

保持输出电压Uo基本不变，达到了稳压目的。

当由于输入电压或负载电阻变化使输出电压Uo发生变化（设增大）时，稳压过程同上式相反，即

同样保持输出电压Uo基本不变，达到了稳压目的。

3 结 论

以上利用模拟电子技术基本理论，阐述了串联开关型稳压电源电路的组成。通过单元分析法对串联开关型稳压电源电路原理进行了分析与研究。得出结论是：串联开关型稳压电源可将交流电转换为电压稳定的直流电，稳压效果好，工作效率高。稳压的控制方式是通过改变调整管基极电压的占空比来实现的。这种稳压电源的体积小，重量轻，功耗低，稳压范围宽，功率从几十瓦到几千瓦，可为不同需要的电子设备提供直流电源。分析和研究串联开关型稳压电源电路结构与原理对于指导直流稳压电源的设计和生产具有实际意义。

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