开关稳压电源的特点和应用

开关稳压电源中的调整管工作在开关状态，依靠调节调整管的导通时间来实现稳压。由于调整管主要工作在截止和饱和两种状态，管耗很小，因此使稳压电源的效率明显提高，可达80%～90%，而且这一效率几乎不受输入电压大小的影响，即开关稳压电源有很宽的稳压范围。由于效率高，使得电源体积小、重量轻。开关稳压电源的主要缺点是输出电压中含有较大的纹波。但由于开关稳压电源优点显著，故发展非常迅速，使用也越来越广泛。

1.串联型开关稳压电路

图5-9所示为串联型开关稳压电路的原理图。图中VT为开关调整管，它与负载R_L串联；VD为续流二极管，L、C构成低通滤波器；R₁和R₂组成取样电路、A为误差放大器、C为电压比较器，它们与基准电压源、三角波发生器组成开关调整管的控制电路。误差放大器对来自输出端的取样电压u_F与基准电压U_REF的差值进行放大，其输出电压u_A送到电压比较器C的同相输入端。三角波发生器产生一频率固定的三角波电压u_T，它决定了电源的开关频率。u_T送至电压比较器C的反相输入端与u_A进行比较，当u_A＞u_T时，电压比较器C输出电压u_B为高电平，当u_A＜u_T时，电压比较器C输出电压u_B为低电平，u_B控制开关调整管VT的导通和截止。u_A、u_T、u_B的波形如图5-10a、b所示。

图5-9 串联型开关稳压电路的原理图

图5-10 开关稳压电源的电压、电流波形

电压比较器C输出电压u_B为高电平时，调整管VT饱和导通，若忽略饱和压降，则u_E≈U_i，二极管VD承受反向电压而截止，u_E通过电感L向R_L提供负载电流。由于电感自感电动势的作用，电感中的电流i_L随时间线性增大，L同时存储能量，当i_L＞I_o时，电容C开始被充电，U_o略有增大。电压比较器C输出电压u_B为低电平时，调整管截止，u_E≈0。因电感L产生相反的自感电动势，使二极管VD导通，于是电感中存储的能量通过VD向负载释放，使负载R_L中继续有电流通过，所以将VD称为续流二极管，这时i_L随时间线性下降，当i_L＜I_o时，电容C开始放电，U_o略有下降。u_E、i_L、U_o波形如图5-10c、d、e所示，图中I_o、U_o为稳压电路输出电流、电压的平均值。由此可见，虽然调整管工作在开关状态，但由于二极管的续流作用和L、C的滤波作用，仍可获得平稳的直流电压输出。

开关调整管的导通时间为T_on，截止时间为T_off，开关的转换周期为T，T=T_on+T_off，它决定于三角波电压u_T的频率。显然，若忽略滤波器电感的直流压降、开关调整管的饱和压降以及二极管的导通压降，输出电压的平均值为，其中D=T_on/T称为脉冲波形的占空比。可见U_o正比于脉冲占空比D，调节D就可以改变输出电压的大小，因此，将图5-9所示电路称为脉宽调制（PWM）式开关稳压电路。(www.xing528.com)

根据以上分析可知，在闭环情况下，电路能根据输出电压的大小自动调节调整管的导通和关断时间，维持输出电压的稳定。当输出电压U_o升高时，取样电压u_F增大，误差放大器的输出电压u_A下降，调整管的导通时间T_on减小，占空比D减小，使输出电压减小，恢复到原大小；反之，若U_o下降，则u_F下降，u_A上升，调整管的导通时间T_on增大，占空比D增大，使输出电压增大，恢复到原大小，从而实现了稳压的目的。当u_F=U_REF时，u_A=0，脉冲占空比D=50%，此时稳压电路的输出电压U_o等于预定的标称值。所以，稳压电源取样电路的分压比可根据u_F=U_REF求得。

2.并联型开关稳压电路

图5-11 并联型开关稳压电路的原理图

并联型开关稳压电路如图5-11a所示，图中VT为开关调整管，它与负载R_L并联，VD为续流二极管，L为滤波电感，C为滤波电容，R₁、R₂组成取样电路，控制电路的组成与串联开关稳压电路相同。当控制电路输出电压u_B为高电平时，VT管饱和导通，其集电极电位近似为零，使VD管反偏而截止，输入电压U_i通过电流i_L使电感L储能，同时电容C对负载放电供给负载电流，如图5-11b所示。当控制电路输出电压u_B为低电平时，VT管截止，由于电感L中电流不能突变，这时在L两端产生自感电动势u_L并通过VD管向电容C充电，以补充电容放电时所消耗的能量，同时向负载供电，电流方向如图5-11c所示。此后u_B再为高电平、低电平，VT管再次导通、截止，重复上述过程。因此，在输出端获得稳定的、且大于U_i的直流电压输出。可以证明，并联开关稳压电路的输出电压，T_on、T_off分别为开关调整管的导通时间和截止时间。

并联型开关稳压电路的输出电压总是大于输入电压，且T_on越长，电感L中储存的能量越多，在T_off时间内向负载提供的能量越多，输出电压也就越大于输入电压。

3.集成开关稳压器

目前常用的集成开关稳压器分为两类：一类是单片的脉宽调制器，其代表产品有CW1524等，这类脉宽调制器需要外接开关功率管，电路较复杂，但应用灵活；另一类是脉宽调制器和开关功率管制作在同一芯片上，构成单片集成开关稳压器，其代表产品有CW4960/4962等，这类集成开关稳压器集成度更高，使用方便。