穩(wěn)壓電路中的整流濾波電路和穩(wěn)壓器的作用

穩(wěn)壓電路是指能夠穩(wěn)定輸出電壓的電路，其主要組成部分包括整流濾波電路和穩(wěn)壓器。

整流濾波電路的作用是將交流電信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電信號(hào)，并通過濾波電路削弱殘留的交流成分，以使得輸出電壓盡量平穩(wěn)。整流濾波電路一般由整流橋、濾波電容和濾波電阻組成。

首先，整流橋是整流濾波電路的核心部件之一，它可以將輸入的交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為單向的直流信號(hào)。整流橋一般由四個(gè)二極管組成，分別是正向?qū)ǘO管和反向截止二極管。當(dāng)輸入交流電通過整流橋時(shí)，其正負(fù)半周期分別經(jīng)過兩對(duì)反向并聯(lián)連接的二極管，因而交流信號(hào)被轉(zhuǎn)換為單向的直流信號(hào)。

接下來，濾波電容和濾波電阻則主要起到濾波的作用。濾波電容負(fù)責(zé)去除直流電壓的紋波成分，其具有良好的頻率特性，可以讓高頻成分通過，但將低頻成分盡量阻隔。濾波電阻則主要起到平滑輸出電壓的作用，通過形成一個(gè)RC電路，能夠進(jìn)一步減小輸出電壓的紋波。

整流濾波后得到的直流電信號(hào)仍然可能存在一定程度的功率波動(dòng)，因此需要進(jìn)一步使用穩(wěn)壓器進(jìn)行穩(wěn)壓。

穩(wěn)壓器是穩(wěn)壓電路的另一個(gè)重要組成部分，它能夠根據(jù)輸入電壓的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓，以保持輸出穩(wěn)定。穩(wěn)壓器一般可以分為線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器兩種。

線性穩(wěn)壓器是一種較為常見的穩(wěn)壓器，它的核心是穩(wěn)壓二極管和負(fù)反饋電路。它通過改變負(fù)載電阻來調(diào)節(jié)輸出電壓，使之保持穩(wěn)定。穩(wěn)壓二極管是一種特殊的二極管，其工作在反向擊穿狀態(tài)下，具有穩(wěn)定的工作電流和工作電壓。負(fù)反饋電路能夠通過對(duì)輸出電壓的監(jiān)測(cè)和比較，自動(dòng)調(diào)節(jié)控制信號(hào)，使得輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值。

開關(guān)穩(wěn)壓器則是一種高效率、高穩(wěn)定性的穩(wěn)壓器。其核心是PWM調(diào)制器件及反饋控制電路。開關(guān)穩(wěn)壓器將輸入電壓逐段切換，并通過調(diào)節(jié)切換的占空比來保持輸出電壓穩(wěn)定。PWM調(diào)制器件可以通過不同的切換頻率和占空比來實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)，反饋控制電路則起到監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)輸出電壓的作用。

綜上所述，穩(wěn)壓電路主要由整流濾波電路和穩(wěn)壓器組成。整流濾波電路通過整流橋、濾波電容和濾波電阻將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并使輸出電壓盡量平穩(wěn)。穩(wěn)壓器通過穩(wěn)壓二極管(線性穩(wěn)壓器)或PWM調(diào)制器件及反饋控制電路(開關(guān)穩(wěn)壓器)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。這些組成部分相互協(xié)作，共同構(gòu)成了穩(wěn)壓電路，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的穩(wěn)定性和可靠性。

具有固定開關(guān)頻率的開關(guān)電源，也并非總是顯示連續(xù)的脈沖。在某些情況下，由于各種原因，脈沖會(huì)被忽略。在考慮輸出紋波電壓和EMI效應(yīng)時(shí)，這一點(diǎn)非常重要。

用于電壓轉(zhuǎn)換的開關(guān)穩(wěn)壓器通常采用可調(diào)的或固定的開關(guān)頻率。這個(gè)值通常在開關(guān)穩(wěn)壓器IC數(shù)據(jù)手冊(cè)的第一頁(yè)列出。對(duì)于電源電路來說，開關(guān)頻率的選擇是很重要的，因?yàn)樗鼤?huì)影響到外部無源器件的尺寸和成本。此外，開關(guān)頻率還會(huì)影響可實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換效率。對(duì)于整個(gè)電路(不僅是功率轉(zhuǎn)換器，還包括系統(tǒng)中的其他電路部分)，開關(guān)頻率的選擇也非常重要。ADI通常在整個(gè)系統(tǒng)受干擾最小的頻率范圍內(nèi)選擇開關(guān)頻率。受印刷電路板的寄生效應(yīng)影響，電源的開關(guān)頻率通常通過電容和電感耦合方式與電路的許多部分耦合。

在選擇了正確的開關(guān)頻率之后，電路設(shè)計(jì)人員在評(píng)估實(shí)際電路時(shí)，往往會(huì)得出令人驚訝的結(jié)果。在選定的開關(guān)頻率下，所設(shè)計(jì)的電路常常不能按預(yù)期開關(guān)。通常有以下兩方面原因。

突發(fā)模式

許多應(yīng)用需要非常高的轉(zhuǎn)換效率，即使在低輸出負(fù)載下也是如此。如果所需的輸出功率只有幾mW，開關(guān)穩(wěn)壓器本身的供電電流是嚴(yán)重不成比例的。如果以百分比表示效率，這一點(diǎn)尤其明顯。為了提高這些情況下的效率，開關(guān)穩(wěn)壓器IC通常會(huì)配置特殊的突發(fā)模式。圖1顯示在突發(fā)模式®下，開關(guān)穩(wěn)壓器的電壓隨時(shí)間的變化。在切換到較長(zhǎng)的暫停階段之前，開關(guān)節(jié)點(diǎn)會(huì)開關(guān)一次。在這個(gè)暫停階段，開關(guān)穩(wěn)壓器IC的許多功能進(jìn)入睡眠模式，只需消耗極少量的電能。圖1顯示了開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓、電感電流和輸出電壓

在突發(fā)模式下工作時(shí)，輸出電壓的紋波更大。相比在正常工作條件下由開關(guān)頻率設(shè)置的電壓紋波，其頻率要低得多。根據(jù)電壓轉(zhuǎn)換器IC和電路條件，在突發(fā)階段操作時(shí)，通常會(huì)存在極少量的脈沖，例如，一個(gè)脈沖或大量脈沖。通常，在輸出電壓達(dá)到設(shè)定的上限閾值之前，會(huì)產(chǎn)生盡可能多的脈沖。之后會(huì)暫停一段時(shí)間，直到輸出電壓降到低于閾值下限。在這種情況下，在脈沖期間，仍然會(huì)按照選定的開關(guān)頻率進(jìn)行開關(guān)，但由突發(fā)階段定義的更低的頻率和暫停階段也會(huì)出現(xiàn)在頻譜中。

脈沖跳頻模式

另一種模式是脈沖跳頻模式。許多類型的功率轉(zhuǎn)換器都提供這種模式。在許多拓?fù)湓O(shè)計(jì)中，開關(guān)節(jié)點(diǎn)上每出現(xiàn)一次脈沖時(shí)，會(huì)有一定量的電能基于正常的最低導(dǎo)通時(shí)間從功率轉(zhuǎn)換器的輸入端移動(dòng)到輸出端。但是，如果在這時(shí)候，負(fù)載不需要或只需要很少量的電能，輸出電壓會(huì)上升。一些脈沖會(huì)被跳過，以防輸出電壓上升過多。此時(shí)，輸出電壓的電壓紋波也會(huì)增大。脈沖跳頻模式通常由反饋節(jié)點(diǎn)上的過壓比較器激活。例如，如果跳過每秒脈沖，即可在頻譜中看到相當(dāng)于設(shè)置開關(guān)頻率一半的開關(guān)頻率(FFT表示法)。

與突發(fā)模式相比，在脈沖跳頻模式下，只需讓輸出電壓保持在特定范圍內(nèi)，不會(huì)節(jié)省大量電能。所以，轉(zhuǎn)換效率只會(huì)稍稍提高。

因此，如果開關(guān)穩(wěn)壓器以不同于設(shè)置頻率的開關(guān)頻率開關(guān)，可能是因?yàn)殡娐诽幱谕话l(fā)模式或脈沖跳頻模式。

但是，可能有其他原因?qū)е略陂_關(guān)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)非連續(xù)脈沖。其中包括：一般控制環(huán)路不穩(wěn)定、達(dá)到現(xiàn)有的限流值、溫度超過熱關(guān)斷限值等。

結(jié)論

開關(guān)模式電源能夠以不同于預(yù)期開關(guān)頻率的脈沖運(yùn)行。這一般發(fā)生在低負(fù)載條件下。理解這種行為背后的機(jī)制，這在評(píng)估開關(guān)模式電源電路時(shí)是非常有用的。設(shè)計(jì)人員可以以此為依據(jù)，準(zhǔn)確推斷電源是否正在可靠運(yùn)行。