电脑开关电源制作及工作原理

电脑开关电源制作及工作原理

直流稳压电源的组成

直流稳压电源是将交流电变换成功率较小的直流电的电路，一般由降压、整流、滤波和稳压等几部分组成（见图16-1）。整流电路用来将交流电压变换为单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压；稳压电路的作用是输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。

图16-1 直流稳压电源组成

桥式整流电路

图16-2为桥式整流电路，图中V1、V2、V3、V4四只整流二极管接成电桥形式，故称为桥式整流。

1．工作原理和输出波形

设变压器二次电压

22sin()

u tω

=，波形如电压、电流波形图(a)所示。在u2的正半周，即a点为正，b点为负时，V1、V3承受正向电压而导通，此时有电流流过R L，电流路径为a→V1→R L→V3→b，此时V2、V4因反偏而截止，负载R L上得到一个半波电压，如电压、电流波形图(b)中的0～π段所示。若略去二极管的正向压降，则u O≈u2。

电压、电流波形在u2的负半周，即a点为负b点为正时，V1、V3因反偏而截止，V2、V4正偏而导通，此时有电流流过R L，电流路径为b→V2→R L→V4→a。这时R L上得到一个与0～π段相同的半波电压如电压、电流波形图(b)中的π～2π段所示，若略去二极管的正向压降，uＯ≈-u2。

由此可见，在交流电压u2的整个周期始终有同方向的电流流过负载电阻RL，故R L上得到单方向全波脉动的直流电压。可见，桥式整流电路输出电压为半波整流电路输出电压的两倍，所以桥式整流电路输出电压平均值为uＯ=2×0.45U2=0.9U2。桥式整流电路中，由于每两只二极管只导通半个周期，故流过每只二极管的平均电流仅为负载电流的一半，在u2的正半周，V1、V3导通时，可将它们看成短路，这样V2、V4就并联在u2上，其承受的反向

峰值电压为

2

RM

U=。同理，V2、V4导通时，V1、V3截止，其承受的反向峰值电压也

为

2

RM

U=。二极管承受电压的波形如电压、电流波形图(d)所示。

由上图可见，在交流电压u 2的整个周期始终有同方向的电流流过负载电阻R L ，故R L 上得到单方 向全波脉动的直流电压。可见，桥式整流电路输出电压为半波整流电路输出电压的两倍。桥式整流电路与半波整流电路相比较，其输出电压U O 提高，脉动成分减小了。

2．参数估算

输出电压的平均值

0220

1

sin()()0.9U t d t U π

ωωπ

=

=⎰

流过二极管的平均电流 2

00.45D L

U I I R == 二极管承受的反向峰值电压

2RM U =

滤波电路

整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。应在整流电路的后面加接滤波电路，滤去交流成分。 1．电容滤波

（1）电路和工作原理

设电容两端初始电压为零，并假定t=0时接通电路，u 2为正半周，当u 2由零上升时，V 1、V 3导 通，C 被充电，同时电流经V 1、V 3向负载电阻供电。忽略二极管正向压降和变压器内阻，电容充电时间常数近似为零，因此uo=u c ≈u 2，在u 2达到最大值时，u c 也达到最大值，然后u 2下降，此时，u c >u 2，V 1、V 3截止，电容C 向负载电阻RL 放电，由于放电时间常数τ=R L C 一般较大，电容电压uc 按 指数规律缓慢下降，当下降到|u 2|>u c 时，V 2、V 4 导通，电容C 再次被充电，输出电压增大，以后重复上述充放电过程。其输出电压波形近似

为一锯齿波直流电压。

图16-3 桥式整流滤波简化电路

（2）波形及输出电压

空载时即负载电阻为无穷大：02U

；带负载时：2020.9U U << 通常取 021.2U U =，RC 越大0U 越大，为了获得良好的滤波效果。

图16-4 整流电压输出波形和二极管电流波形

2．其他形式滤波电路

（1）电感滤波电路

电路如图16-5所示，电感L 起着阻止负载电流变化使之趋于平直的作用。直流分量被电感 L 短路，交流分 量主要降在L 上 ，电感越大，滤波效果越好 。一般电感滤波电路只使用于低电压、大电流的场合。

（2）π型滤波

为了进一步减小负载电压中的纹波可采用π型LC 滤波电路(见图16-6)。由于C 1、C 2 对交流容抗小，而电 感对交流阻抗很大，因此，负载R L 上的纹波电压很小。

u O -

稳压电路

16.4.1 并联稳压电路

调整管并与负载并联的稳压电路，称为并联型晶体管稳压电路。硅稳压二极管稳压电路的电路图如图16-7所示。

它是利用稳压二极管的反向击穿特性稳压的，由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。

1．当输入电压变化时如何稳压

根据电路图16-7可知： 输入电压V I 的增加，必然引起V O 的增加，即V Z 增加，从而使I Z 增加，I R 增加，使V R 增加，从而使输出电压V O 减小。这一稳压过程可概括如： V I ↑→V O ↑→V Z ↑→I Z ↑→I R ↑→V R ↑→V O ↓

这里V O 减小应理解为，由于输入电压VI 的增加，在稳压二极管的调节下，使V O 的增加 没有那么大而已。V O 还是要增加一点的，这是 一个有差调节系统。

2．当负载电流变化时如何稳压

负载电流I L 的增加，必然引起I R 的增加， 图16-7 硅稳压二极管稳压电路 即V R 增加，从而使V Z =V O 减小，I Z 减小。I Z 的减小必然使I R 减小，V R 减小，从而使输出电压V O 增加。这一稳压过程可概括如下：

I L ↑→I R ↑→V R ↑→V Z ↓（V O ↓）→I Z ↓→I R ↓→V R ↓→V O ↑

稳压二极管的缺点是工作电流较小，稳定电压值不能连续调节。 16.4.2 线性串联型稳压电路 1．线性串联稳压电源原理

采用三极管作为调整管 并与负载串联的稳压电路，称为串联型晶体管稳压电路；当调整管工作在线性放大状态则称为线性稳压器。线性串联稳压电源的工作原理可用图16-8来说明。显然，V O =V I -V R ，当V I 增加时，R 受控制而增加，使V R 增加，从而在一定程度上抵消了V I 增加对输出电压的影响。若负载电流I L 增加，R 受控制而减小，使V R 减小，从而在一定程度上抵消了因I L 增加，使V I 减小，对输出电压减小的影响。

图16-8 线性串联稳压电源的工作原理 图16-9 串联型稳压电路 2．实际串联稳压电路组成

在实际电路中，可变电阻R 是用一个三极管来替代的，控制基极电位，从而就控制了三极管的管压降V CE ，V CE 相当于V R 。要想输出电压稳定，必须按电压负反馈电路的模式来构成串联型稳压电路。 3．典型的串联型稳压电路

典型的串联型稳压电路如图16-9所示。它由调整管、放大环节、比较环节、基准电压源，采样电路几个部分组成。

(1)输入电压变化，负载电流保持不变

输入电压V I 的增加，必然会使输出电压V O 有所增加，输出电压经过取样电路取出一部

R I V V V V V R I R I Z O ==-=-Z

L R +=I I

I