直流電源向低壓直流穩(wěn)定電源的轉(zhuǎn)換

直流電源是電子設(shè)備重要組成部分，直流電源電路是電子設(shè)備基本電路之一，其作用是把市電(220V或380V交流電壓)轉(zhuǎn)換成電子電路內(nèi)部元器件所需的低壓直流穩(wěn)定電源。

對電源電路總的要求是：穩(wěn)定度高(即負載調(diào)整率、輸入電壓調(diào)整率小，且紋波系數(shù)小)、效率高、體積小、成本低，具有完善的保護功能(過流保護、過熱保護、輸出過壓保護、輸入欠壓保護等)，穩(wěn)定性好、可長時間連續(xù)工作。

根據(jù)電源電路工作原理，可以將電源電路分為線性穩(wěn)壓和開關(guān)穩(wěn)壓兩大類。大致由電源變壓器(也稱為工頻變壓器，開關(guān)穩(wěn)壓電路一般不需要工頻變壓器)、整流、濾波、穩(wěn)壓電路等部分組成，如圖1所示。

工頻變壓器在線性穩(wěn)壓電源電路中，起變壓(將220V交流電壓變?yōu)閹追?、十幾伏、幾十伏的交流低?和隔離雙重作用，使變壓器次級后的電路與電網(wǎng)實現(xiàn)電氣上隔離，成為不帶電的“冷板”。由于市電頻率低(50Hz或60Hz)，工頻變壓器初級繞組多，繞線寄生電阻大，銅損偏高;另一方面，硅鋼片構(gòu)成的磁芯材料電阻率低，渦流損耗也較大，即工頻變壓器效率不高。此外，還存在體積大、重量重、成本高的缺點。工頻變壓器體積、重量嚴重制約了線性穩(wěn)壓電源的小型和微型化。

整流電路一般由二極管組成，利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒔涣麟妷鹤優(yōu)閱蜗蛎}動直流電壓，圖1給出了常用半波整流、全波整流(包括橋式整流)電路的輸出波形。

為使穩(wěn)壓電路輸入電壓的脈動性盡可能小，借助電容或電容-電感構(gòu)成的無源低通濾波器對整流輸出電壓進行低通濾波。從圖1中可以看出濾波后，輸出電壓脈動性已大大下降，某些對電源穩(wěn)定性要求不高的電路(如音響的功放級)，可直接使用濾波后的電壓作電源電壓。

濾波后的直流電壓脈動性盡管已較低，但還不能作為對電源穩(wěn)定性較敏感的電路，如AD轉(zhuǎn)換電路、微弱信號放大電路、TTL邏輯電路等的工作電源，還必須經(jīng)過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后才能獲得不受電網(wǎng)電壓波動、負載變動、溫度變動等因素影響的高穩(wěn)定性的直流電源。

整流電路

所謂“整流”電路就是利用二極管的單向?qū)щ娦?，將交流電變?yōu)閱蜗蛎}動直流電。常用的整流電路有半波整流、全波整流和橋式整流等形式，電路結(jié)構(gòu)及波形如圖2所示。

 工作原理與輸出電壓波形

半波整流電路最簡單，只用一只二極管。在2u的正半周二極管D導通，如果忽略二極管D上的壓降，在純電阻負載LR上電壓ou的波形與2u相同;而在2u負半周，二極管D反偏，處于截止狀態(tài)，如果忽略二極管反向漏電流，沒有電流流過負載電阻LR，輸出電壓ou為零。半波整流電路輸出波形如圖1所示，可見半波整流輸出電壓脈動很大。變壓器次級線圈只在半個周期工作，利用率低，只用于輸出功率較小電源電路中(在工頻電路中，用普通整流二極管;在低壓開關(guān)電源電路中一般采用導通電阻較低的肖特基二極管)。

在全波整流電路中，由次級帶有中心抽頭的變壓器和兩只二極管組成。在2u正半周，二極管D1導通、D2截止，如果忽略二極管D1上的壓降，純電阻負載LR上獲得的輸出電壓ou極性上正下負，波形與2u相同，電流方向如圖(b)中的實線所示;而在2u的負半周，二極管D2導通、D1截止，如果忽略二極管D2上的壓降，純電阻負載LR上獲得的輸出電壓ou極性也是上正下負，波形與2u也相同，電流方向如圖2中的虛線所示。

全波整流電路輸出波形如圖2所示，可見全波整流輸出電壓脈動比半波整流小。盡管全波整流在2u正、負半周均能向負載提供電流，但變壓器兩個次級線圈總是處于交替工作狀態(tài)，利用率并不高(與半波整流相同)。

由于脈動電流僅流過一只二極管，損耗小，在低壓、大電流整流電路中得到了廣泛應用，如開關(guān)電源的高頻低壓、大電流整流電路。為進一步減小整流二極管功耗，在低壓、大電流整流電路中用導通電壓較小的肖特基二極管作整流二極管;當肖特基二極管壓降也嫌大時，可采用同步整流方式，在同步整流電路中使用導通內(nèi)阻為mΩ級的MOS管作整流管。

橋式整流電路由四只二極管組成，在2u的正半周，D2、D4截止，D1、D3導通，輸出電壓ou的極性上正下負，當忽略二極管D1、D3上的壓降時，ou波形與2u相同，電流方向如圖(c)中的實線所示;而在2u的負半周，D1、D3截止，D2、D4導通，輸出電壓ou的極性也是上正下負，當忽略二極管D2、D4上的壓降時，ou波形也與2u相同，電流方向如圖(c)中的虛線所示。橋式整流電路輸出電壓ou的波形與全波整流相同;在2u的正、負半周，變壓器次級均處于工作狀態(tài)，利用率高，即相同輸出功率的整流電路，橋式整流電路所需工頻變壓器體積最小，因此在電源電路中得到了廣泛應用(對工頻電壓進行整流時，可用普通的整流二極管;對高頻信號整流時，可用工作頻率高的快恢復二極管)。

但由于單向脈動電流要流過兩只二極管，二極管損耗比全波整流電路大，因此不適用于輸出電壓僅為幾伏的低壓大電流整流電路。

圖3 輸入/輸出波形