河北科技大学信息科学与工程学院

河北科技大学信息科学与工程学院2009.4

数字化测量技术

第六章通用集成稳压电源

稳压电源是各种电子设备的动力之源。

稳压器是稳压电源的核心部分，它属于非隔离式 DC/DC 变换器，利用稳压器可将一种直流电压转换成另一种或几种直流电压。若给稳压器配上变压器、整流滤波器等电路，即可构成与电网隔离的稳压电源。

第六章通用集成稳压电源

第一节集成稳压电源的分类第二节三端固定式线性稳压器的原理与应用第三节三端可调式线性稳压器的原理与应用第四节低压差线性稳压器的基本原理第五节低压差线性稳压器的应用技巧及设计要点第六节由脉宽调制器构成的开关电源第七节单片开关式稳压器的原理与应用第八节散热器的设计第九节稳压电源测量技术

第一节集成稳压电源的分类

集成稳压器

线性电源

开关电源

标准线性稳压器固定式

可调式

三端固定式

多端固定式

三端可调式多端可调式

PNP 型低压差线性稳压器准低压差线性稳压器超低压差线性稳压器

低压差线性稳压器

脉宽调制器

脉频调制器

开关稳压器

单片开关电源

效率为 45% 左右

效率 80% ～ 95%

效率 70% ～ 90%


集成稳压器

线性电源

开关电源


可调式

三端固定式

多端固定式




脉宽调制器

脉频调制器

开关稳压器

单片开关电源


效率 80% ～ 95%

效率 70% ～ 90%

美国仙童公司（现更名为飞兆公司）于 20 世纪 70 年代初首先推出 μA7800 系列和 μA7900 系列三端固定式集成稳压器。它能以最简方式（类似于三极管）接入电路，并具有较完善的过电流、过电压、过热保护功能。目前， 7800 系列和 7900 系列已成为世界通用系列，是用途最广、销量最大的集成稳压器。其优点是使用方便，不需作任何调整，外围电路简单，工作安全可靠，适合制作通用型、标称输出的稳压电源。其缺点是输出电压不能调整，不能直接输出非标称值电压，电压稳定度还不够高。


集成稳压器

线性电源

开关电源


可调式

三端固定式

多端固定式




脉宽调制器

脉频调制器

开关稳压器

单片开关电源


效率 80% ～ 95%

效率 70% ～ 90% 可调式是 20 世纪 70 年代末至 80 年代初发展起来的、由美国国家半导体公司（ NSC ）首创的第二代三端集成稳压器。它既保留了三端固定式稳压器结构简单之优点，又克服了电压不可调整的缺点，并且在电压稳定度上比前者提高了一个数量级。适合制作实验室电源及多种供电方式的直流稳压电源。它也可以设计成固定式来代替三端固定式稳压器，进一步改善稳压性能。


集成稳压器

线性电源

开关电源


可调式

三端固定式

多端固定式




脉宽调制器

脉频调制器

开关稳压器

单片开关电源


效率 80% ～ 95%

效率 70% ～ 90% 低压差集成稳压器（ LDO ）属于高效率线性集成稳压器，其输入 - 输出压差约为 500mV ，电源效率明显高于 NPN 型线性稳压器。超低压差线性稳压器（ VLDO ）是 21 世纪初在 LDO 的基础上发展起来的新型线性集成稳压器。它采用通态电阻非常低的场效应管来代替 PNP 型功率管作为调整管，其输入 - 输出压差可低至 45 ～ 150mV 。


集成稳压器

线性电源

开关电源


可调式

三端固定式

多端固定式




脉宽调制器

脉频调制器

开关稳压器

单片开关电源


效率 80% ～ 95%

效率 70% ～ 90%

开关电源亦称低损耗电源，由于内部器件工作在高频开关状态，所以本身消耗的能量很低。单片开关电源属于 AC/DC 电源变换器。单片开关电源集成电路自 20 世纪 90 年代中期问世以来便显示出强大的生命力。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等优点，现已成为开发中、小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。


集成稳压器

线性电源

开关电源


可调式

三端固定式

多端固定式




脉宽调制器

脉频调制器

开关稳压器

单片开关电源


效率 80% ～ 95%

效率 70% ～ 90%

第二节三端固定式线性稳压器的原理与应用

一、三端固定式线性稳压器的产品分类

三端固定式线性稳压器分为 78 和 79两个系列，其中 78 系列输出电压为正极性， 79 系列输出电压为负极性。一般有 5V、 6V、 9V、 12V、 15V、 18V、 24V等七个电压档次。输出电流分为 1.5A， L ：0.1A，M： 0.5A三个档次。

LM78L05 ：输出电压 +5V，最大输出电流 0.1A ；

CW7915 ：输出电压 -15V，最大输出电流 1.5A。

二、标准线性稳压器的基本原理

UI （ RL ）↑→ UO↑→UQ↑→Ur↓→UB↓→UO↓


REFOQ URR

RUU

21

2

＋ )1(2

1

R

RUU REFO


最小压差 ΔU ＝ UI － UO ＝ 2UBE ＋ U

CES

三、三端固定式线性稳压器的工作原理

a ） TO-220封装 b ） TO-3封装

CW7800 电路原理图

CW7800 的原理框图

电压调整率：给稳压电源接上额定负载，首先测出在标称输入电压时的输出电压值 UO ，然后连续调节输入电压，使之从规定的最小值一直变化到最大值，记下输出电压与标称值的最大偏差△ UO ，则电压调整率为

%100 I

OV U

US

负载调整率：若将输入电压固定在标称值上，分别测量稳压电源在满载与空载下的输出电压值 U1 、 U2 ，则负载调整率为

%100 1

12I U

UUS

－

电容CI 用来滤除高频纹波，防止电路产生自激振荡； CO为输出电容，利用其两端压降不能突变的特性可改善负载的瞬态响应。

三、三端固定式线性稳压器的应用技巧 ———————典型应用

电源变压器：把高压或 220V电网电压降至所需电压。

线性稳压电源的组成

整流电路：利用二极管的单向导电性，把交流电压转换成脉动的直流电压。


滤波电路：利用电容上的电压或者电感上的电流不能突变的特性构成，以减小脉动使输出电压平滑。


稳压电路：在电网电压波动或负载电流变化时保持输出电压基本不变。


整流电路

正半周时， D1、 D3导通， D２、 D４截止。

负半周时， D2、 D４导通， D1、 D3截止。

2

2

9022

U.U

U)AV(O

整流电路的输出信号虽为单一方向的直流信号，但脉动较大。为了进一步平滑输出信号，利用滤波电路，消除输出信号的交流成分。

滤波电路

电容滤波电路

当负载开路时：

当 RLC=(3~5)T/2时 :

2)AV(O U2.1U

2)AV(O U2U

许多电子仪器设备、运算放大器需要正、负对称的双电源供电。将 7800 与 7900搭配使用，即可构成同时输出正压和负压的稳压电源。

三、三端固定式线形稳压器的应用技巧 —————正、负压固定输出

电路实质上是通过改变公共端的电位，来控制稳压器输出电位的高低。需要注意的是，当 |±UO|＜ 2.5V时，稳压器可能无法正常工作，此时输出电压不确定。

三、三端固定式线形稳压器的应用技巧 —————正、负压可调输出

恒流原理：因为稳压器的输出电压 UO 稳定不变，所以通过 R 的电流（亦即通过外部负载 RL 上的电流） IH 也不变。计算 IH 的公式为 IH＝ UO/R

三、三端固定式线形稳压器的应用技巧 —————恒流源电路

偏置电阻 R 的阻值：

三、三端固定式线形稳压器的应用技巧 —————提高输入电压的方法

FEhI

UU

hI

UU

I

UUR

OM

ZI

FEC

ZI

B

ZI '

/

'' －－－

如果实际需要的电压高于现有三端稳压器的输出电压，可用升压电路来解决。设稳压值为 UZ

U'O＝ UO＋ UZ

三、三端固定式线形稳压器的应用技巧 —————提高输出电压的方法

三、三端固定式线形稳压器的应用技巧 ————— 扩展输出电流的方法

外部功率调整管的偏置电阻

)/( FECR

BE

hII

UR

－＝

第三节三端可调式线性稳压器的原理与应用

可调式是 20 世纪 70 年代末至 80 年代初发展起来的、由美国国家半导体公司（ NSC ）首创的第二代三端集成稳压器。它既保留了三端固定式稳压器结构简单之优点，又克服了电压不可调整的缺点，并且在电压稳定度上比前者提高了一个数量级。适合制作实验室电源及多种供电方式的直流稳压电源。它也可以设计成固定式来代替三端固定式稳压器，进一步改善稳压性能。

一、三端可调式线性稳压器的产品分类

特点国产型号最大输出电流IOM/A

输出电压UO/V 国外对应系列或型号

正压输出

CW117L/217L/317L 0.1 1.25～ 37 LM117L/217L/317L

CW117M/217M/317M 0.5 1.25～ 37 LM117M/217M/317M

CW117/217/317 1.5 1.25～ 37μA117， LM117， TA117， μP

C117

CW117HV/217HV/317HV

1.5 1.25～ 57 LM117HV/217HV/317HV

W150/250/350 3 1.2～ 33 LM150/250/350

W138/238/338 5 1.2～ 32 LM138/238/338

W196/296/396 10 1.25～ 15 LM196/296/396

负压输出

CW137L/237L/337L 0.1－ 1.2～－

37LM137L/237L/337L

CW137M/237M/337M 0.5－ 1.2～－

37LM137M/237M/337M

CW137/237/337 1.5－ 1.2～－

37LM137， μPC137， TA137， S

G137， FS137

LM317 的主要技术指标为 UI＝ 2 ～ 40V ， UO＝ 1.25 ～ 37V ， IOM＝ 1.5A 。其电压调整率 SV＝ 0.02％，负载调整率 SI＝ 0.1％，比 7800 系列提高近一个数量级。

二、三端可调式线性稳压器的工作原理

输出电压的计算公式为

UO＝ 1.25×（ 1 ＋） 1

2

R

R

三、三端可调式线性稳压器的应用技巧 ——————典型应用

R1 的阻值有两种取法：①取 R1＝ 240Ω ，此时 IL＝ 1.25V/240Ω≈5mA ， R

2 选用 6.8kΩ 可调电阻；②取 R1＝ 120Ω ， IL≈10mA ， R2 可选 3.4kΩ 。调整 R2时均可获得 1.25 ～ 37V 的稳压输出。

三、三端可调式线性稳压器的应用技巧 ——————典型应用

刚通电时由于 C2 上的压降不能突变，使 VT处于导通状态， R2被短路， UO＝ 1.25V 。随着 UO经过 R1 、 R3 给C2充电， VT 的基极电位逐渐升高，使之从导通状态过渡到截止状态， UO 也从 1.25V逐渐升高到额定值＋ 15V 。UO 的上升速率取决于时间常数 τ＝（ R1＋ R3 ） C2 。

三、三端可调式线性稳压器的应用技巧 —————软启动线性稳压器

三、三端可调式线性稳压器的应用技巧 —————宽范围跟踪式线性稳压器

当－ UO 变得更负时，会使 UB降低，导致 UC 和 UADJ升高，＋UO 也随之升高，最终使＋ UO＝ |－ UO| ，正、负压输出达到平衡。

在线测量技术亦称等电位隔离技术。它能在不破坏电路完整性的前提下，准确测量电子设备印制线路中的电流、电阻、晶体管等参数。近年来在线测量技术正在逐步推广应用，它不仅简便易行，而且能够测量印制板上的电流分布情况，还能对单元电路及元器件进行故障诊断。因此，在线测量技术具有很高的实用价值，也为设计、检修仪器仪表或家用电器提供了新的测试手段。

第一节数字仪表的在线测量电路

采用四线制以减小接触电阻，并且利用两组双探针和运算放大器一起对电路进行隔离，被测在线电流经过 I/U 转换后，由毫安表直接测出电流值。

一、在线测量直流电流1. 测量原理

UO＝－ KUI＝－ KIxR0＝ I1RI

I1 ＝－＝－I

0x

I

O

R

RKI

R

U＝－ x

I

0 IR

KR I1＝ IX



局部短路测量法：用 I1去抵消 R0 上的电流 Ix ，使R0 上的压降为零， a 、 b两点呈等电位。因 R0 很小，故不会影响 Ix 。

一、在线测量直流电流2. 在线电流测量仪的电路设计

265

6 URR

RU

＝

O

43

31

43

4 URR

RU

RR

RU

12

653

436O UU

RRR

RRRU

）（）（

UO＝ UI

在线测量电阻 Rx 的基本原理是，无论电路多么复杂，总可以把与 Rx相并联的元件等效为两只互相串联的电阻R1 和 R2 ，由此构成三角形电阻网络。只要使 R1 （或 R

2 ）两端呈等电位，此时 UR1＝０，则 R1相当于开路， R

2 变成运放的负载电阻， R1 和 R2就不起分流作用，这样即可直接测量 Rx 的阻值。 E 为测试电压， IS 为测试电流。

二、在线测量电阻1. 测量原理

二、在线测量电阻

x0

xSxxx RR

ERIRIU

1. 测量原理

IS＝ Ix＋ I1＋ IIB

IS＝ Ix

IS＝ E/R0

二、在线测量电阻2. 4 量程在线电阻测量仪

在线测量电阻的误差是由运放的输入偏流 IIB 和 R1 上的电流 I1 所引起的。 I1 的形成是由于 Ucd≠0 ， Ucd 与运放失调电压 UI0 和开环电压增益 AVD 有关。因此所用运放的 UI0

要尽量低，而 AVD要足够大。

三、在线测量晶体管的 hFE

首先由集成恒流源向被测晶体管提供恒定的基极电流 IB


采用隔离技术使图中 b 、 m 、 n 三点呈等电位，迫使晶体管的上、下偏流 I1＝ I2＝ 0 ，即恒定电流 IH＝ IB＋ I1＋ I2

＝ IB


选 EC 作集电极电源， EC经过取样电阻 R0 接在 C-E 极之间，再用数字电压表测出 UR0 值并除以 R0 ，得到集电极电流 IC


代入公式 hFE＝ IC/IB ，求出电流放大系数。

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