功率电子线路及其分类与应用

【实验教会我】

1.了解功率电子线路的分类、特点和性能参数，掌握主要性能参数的仿真方法；

2.认识功率电子线路中甲类、乙类功放和稳压电路的基本电路结构，学会基本参数的测试方法；

3.认识基本的电源电路。

【实验器材表】

【背景知识回顾】

本实验涉及的理论知识包括甲类、乙类功率放大器和电源电路。

功率电子线路是高效率地实现能量变换和控制的一类电子线路。根据应用领域和处理对象不同，功率电子线路可分为功率放大电路和电源变换电路两大类。本实验内容主要包含功放中的甲类和乙类功放，电源变换电路中的串联稳压电路和开关稳压电路。

1）功率放大器

（1）甲类功率放大器

如图3-9-1（a）所示为甲类变压器耦合功率放大器的原理电路，直流通路如图3-9-1（b）所示。若初、次级绕组匝数（W1，W2）比为n，则交流负载电阻，相应的交流通路如图3-9-1（c）所示。直流功率为PD=VCCICQ，在充分激励且保持Q点处于交流负载线中点的条件下，输出功率达到最大，即PL=Po=VCmICm/2=VCCICQ/2=PD/2，因此，最大集电极效率为ηCmax=Po/PD=0.5=50%。增加VCC和，或者增加ICQ并减小，都可以增加输出功率。

图3-9-1　甲类变压器耦合功率放大器

（2）乙类功率放大器

图3-9-2是一种典型的乙类功放原理电路，采用两管轮流导通的推挽电路来避免半周导通带来的失真。

图3-9-2　乙类互补推挽功率放大器原理电路

若输入充分激励，VCm≈VCC，ICm≈VCC/RL，相应的Po和PD达到最大，即Pomax=，相应的最大集电极效率。由于功率晶体管发射结导通电压的影响，在零偏置情况下，图3-9-2所示乙类推挽电路的输出电压波形将产生严重失真，这种失真称为交叉（或交越）失真。为了克服这种失真，必须在输入端为两管加合适的正偏电压。另外，单电源供电的互补推挽电路还需要在输出负载端串接一个大容量的隔直流电容CL。

2）电源变换电路

（1）串联稳压电路

串联稳压电路是由调整管、取样电路、基准电压源和比较放大器构成的自动控制电路，如图3-9-3所示。若因VI增大或负载增大等因素造成VO增大，则VS相应增大，T2管集电极电流增大，集电极电压减小，由此引起调整管T5的基极电流减小，导致T5管的管压降增大，从而使VO的增大受到抑制，反之亦然。可见，串联稳压电路就是根据VS和VREF的比较结果控制调整管的管压降来稳定输出电压的。稳压电路的效率η可近似表示为

图3-9-3　串联稳压电路的原理电路

（2）低压差线性稳压器

与串联稳压电路结构类似，低压差线性稳压器（Low Drop Out regulator，LDO）也是基于负反馈自动调节作用来获得稳定的输出电压。它的基本电路如图3-9-4所示，由串联调整管T、取样电阻R1和R2、比较放大器A和基准电压源电路组成。与图3-9-3比较可知，LDO与一般串联稳压电路的最大区别在于调整管的接法，LDO中的调整管在负反馈环路中为共源连接，且其可工作在饱和区和非饱和区。当调整管工作于非饱和区时，其输出电压可以非常接近输入电压，即其可以获得非常小的输入/输出电压差，这也是这种稳压器被称为低压差稳压器的名称由来。

图3-9-4　低压差线性稳压器基本电路图

（3）开关稳压电路

与串联稳压电路不同，在开关稳压电路中，调整管工作在开关状态，通过控制开关的启闭时间来自动调整输出电压。

直流—直流变换器是开关稳压电路中的核心组成部分。直流—直流变换器有降压型、升压型和降压—升压型三种典型电路，本节重点介绍降压型变换器。图3-9-5（a）为降压型变换器的原理电路，相应的电压和电流波形如图3-9-5（b）所示。vA是幅度为VI的周期性重复脉冲波形，通过L1、C2低通滤波器在RL上产生的平均值VA为。

图3-9-5　降压型变换器的原理电路和相应波形

根据电感中电流iL在一个周期中的正增量应等于负增量也可以得到同样的结论。当S闭合时，iL的正增量；当S断 开 时，iL的 负 增 量，根据，可得到VO=d VI。当VI一定时，控制d值，就可改变VO值。d越大，VO就越大。不过，VO恒小于VI，故称为降压型变换器。升压型变换器和降压—升压型变换器的电路构成和分析方法与降压型变换器类似。

图3-9-6（a）示出了降压型变换器构成开关稳压电路的原理图。图中，R1和R2为取样网络，取样电压VS和基准电压源提供的基准电压VREF加到误差放大器的两个输入端，误差放大器输出反映它们之间差值的电压v-，将它加到电压比较器的反相输入端。振荡器产生特定频率的三角波电压v+，加到电压比较器的同相输入端。当v+＞v-时，比较器输出高电平，开关管T1饱和导通；而当v+＜v-时，比较器输出低电平，T1管截止。相应的波形如图3-9-6（b）所示。

图3-9-6　开关稳压电路的原理电路和相应波形

当VS=VREF时，误差放大器输出静态电压，经电压比较器使T1管的导通时间为ton或占空系数为d0，则稳压器输出电压。现若某种原因引起VO升高，相应地，VS＞VREF，则误差放大器输出电压增大，致使T1管的导通时间或d（d＜d0）减小，结果是阻止了VO的升高，反之亦然。

【背景知识小考查】

考查知识点：甲类功放

图3-9-7和图3-9-8分别是纯电阻负载甲类功放和LC耦合甲类功放，若忽略MOS管压降，

（1）当功放达到最佳状态时，试计算二者的静态电流，最大输出功率和效率；

（2）若改变偏置电压，使二者的静态电流都增加一倍，此时二者的最大输出功率和效率如何变化？若要使二者最大输出功率也增加一倍，且都达到最佳状态，负载电阻应如何取值？

【一起做仿真】

1）甲类功率放大器

按照图3-9-7和图3-9-8中参数进行直流工作点仿真，根据静态电流计算得到电源提供的功率PD，再进行瞬态仿真，根据输出电压幅度（Vom约为峰峰值的一半）计算得到负载电阻R1和R4中的输出交流功率Po，最后分别求出两种功放的效率ηC，完成表3-9-1。若输入信号幅度都减小一半，重新进行瞬态仿真，分别计算两种功放的效率ηC，完成表3-9-2，并提交两种条件下输出电压的瞬态波形图，观察波形的失真度在改变输入信号幅度前后有何变化？

图3-9-7　纯电阻负载甲类功放

图3-9-8　LC耦合甲类功放

仿真设置：(www.xing528.com)

静态工作点仿真：依次点击Simulate→Analyses→DC Operating Point，测量V3和V4中的电流；

瞬态仿真：依次点击Simulate→Analyses→Transient Analysis，瞬态仿真步长为1 μs，仿真时间大于5 ms。

表3-9-1　甲类功放的效率（输入信号振幅Vim1=0.35 V，Vim2=0.55 V）

表3-9-2　甲类功放的效率（输入信号振幅Vim1=0.35/2 V，Vim2=0.55/2 V）

在图3-9-7和图3-9-8所示电路中，当负载电阻和输出功率确定后，你能总结出使甲类功放达到最优状态的优化设计步骤吗？

2）乙类功放

图3-9-9是乙类功放的原理电路，采用正负电源供电，其中图（a）所示电路没有输入偏置电路，图（b）所示电路增加了二极管偏置电路，为输出级NPN管和PNP管提供大约2VBE（on）的电平差异。

（1）按照图中电路参数对二者分别进行瞬态仿真，分别提交输入/输出电压波形图，对比二者的输出波形差异，认识乙类功放的交越失真；

（2）按照图中电路参数对图（b）进行瞬态仿真，根据仿真结果计算PD、Po和ηC，计算中采用函数avg得到电源平均电流，完成表3-9-3。

仿真设置：

瞬态仿真：依次点击Simulate→Analyses→Transient Analysis，瞬态仿真步长为1μs，仿真时间大于10 ms。

图3-9-9　乙类功放原理电路和具有输入偏置的乙类功放

表3-9-3　乙类功放的效率

（1）在图3-9-9（b）所示电路中，仿真得到的效率和在此输出幅度下乙类功放的理论效率存在差异吗？若有差异，请解释原因。

（2）图3-9-9（b）所示电路的效率有可能达到乙类功放的理论最大值吗？为什么？

3）降压型直流—直流变换器

图3-9-10是降压型直流—直流变换器，其中PNP管Q1作为控制开关，等同于图3-9-5中的S。控制信号V3为脉冲信号源PULSE_VOLTAGE，初始电平为5 V，脉冲电平为0 V，周期为5μs，边沿时间为1 ns。设置控制信号的脉冲宽度分别为1μs，2.5μs，4μs时，通过瞬态仿真得到输出电压波形，并与理论值对比，若有误差，请分析误差原因，并通过测量和计算完成表3-9-4。

图3-9-10　降压型直流—直流变换器

表3-9-4　降压型直流—直流变换器的效率

仿真设置：

瞬态仿真：依次点击Simulate→Analyses→Transient Analysis，瞬态仿真步长为0.1 μs，仿真时间大于1 ms。

若将降压型直流—直流变换器中的PNP管2N3906换成NPN管2N3904，对电路的性能有什么影响？

【动手搭硬件】

乙类功率放大电路

图3-9-11是由运放LM358P和推挽输出级共同构成的乙类功率放大电路，采用±5V电源供电。在面包板上设计完成该电路，采用Pocket Lab进行测试。

图3-9-11　运放驱动的乙类功放

实验任务：

（1）提交输入振幅为300 m V，频率分别为100 Hz，1 k Hz，10 k Hz时的输出电压波形；

（2）提交输入信号频率为1 k Hz，振幅分别为10 m V，100 m V，300 m V时的输出电压波形；

（3）在输入信号频率为1 k Hz，振幅为300 m V时采用万用表测量两路电源的平均电流，计算整个功放电路的效率；

（4）若条件允许，尝试接入实际的音频信号，并采用32Ω阻抗的喇叭作为负载对电路进行测试，可将R2改为可变电阻以适应不同的音源输出幅度。

若将运放的反馈电阻R2改由节点3反馈，对电路会有什么影响？

提示：尝试在Multisim中对该电路进行Fourier分析，得到电路总谐波失真THD，对比分析反馈点改变带来的影响。

【设计挑战】

参考图3-9-6所示开关稳压电路原理图和图3-9-10所示降压型直流—直流变换器，采用PNP管2N3906，运放LM358P，比较器LM293P，二极管1N3064，1 m H功率电感等器件，设计一个开关稳压电路，单电源供电，电源电压为15 V，输出电压为5 V，负载电阻为50Ω，要求输出纹波小于0.5 V。参考电压为1 V，采用理想直流电压源，三角波采用理想信号源，幅度范围为3.5 V～11.5 V，周期为5μs，下降沿时间为2.5μs。在Multisim中完成电路设计，给出电路图和参数，并给出开关管控制信号波形，电感中的电流波形和输出电压波形，并计算电路的整体效率（测量电源平均电流时仿真时间要足够长，直到输出稳定，平均电流不再变化）。

提示：由于开关稳压电路是一闭合环路，存在稳定性问题，需要在环路中设计一个主极点，可以在误差放大器的输出端串联RC低通网络构成主极点，同时，还可以在输出端分压电阻上并联电容引入零点，改善环路稳定性。

【研究与发现】

串联稳压电路

图3-9-12是由运放LM358P构成的串联稳压电路，电源为15 V，输出电压为5 V，负载电阻为50Ω，与“设计挑战”中的开关稳压电路条件一致，请在Multisim中完成仿真和分析。

（1）瞬态仿真得到输出电压波形，计算电路的效率，与“设计挑战”中的开关电源效率进行对比，分析效率存在差异的原因；

（2）对比开关稳压电路和串联稳压电路的瞬态输出波形，分析二者输出噪声存在差异的原因，以及对应用产生的影响；

（3）将图3-9-12中的直流电源V2改成交流电压源AC_VOLTAGE，直流偏置电压为15 V，交流信号幅度为1 V，频率分别为1 k Hz，10 k Hz和100 k Hz时，通过瞬态仿真得到输出电压波形，对比输出端噪声，分析电路对不同频率电源噪声的抑制能力存在差异的原因。

图3-9-12　串联稳压电路