穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)原理圖解析

今天給大家分享的是：穩(wěn)壓電路。

一、什么是穩(wěn)壓電路？

穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓器是一種?用于調(diào)節(jié)電壓的電路?。 穩(wěn)壓電壓是?平滑的電壓供應(yīng)?，沒(méi)有任何噪音或干擾。?穩(wěn)壓器的輸出與負(fù)載電流、溫度和交流線(xiàn)路變化無(wú)關(guān)?。 幾乎所有電子產(chǎn)品或家用電器（如電視、冰箱、電腦等）中都有穩(wěn)壓器，以穩(wěn)定電源電壓。

基本上，穩(wěn)壓器可最大限度地減少電壓變化以保護(hù)設(shè)備。 在配電系統(tǒng)中，電壓調(diào)節(jié)器位于饋線(xiàn)或變電站。 該線(xiàn)路使用的穩(wěn)壓器有兩種，一種是?步進(jìn)穩(wěn)壓器?，其中開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)電流供應(yīng)。 另一種是?感應(yīng)調(diào)節(jié)器?，它是一種類(lèi)似于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的交流電機(jī)，作為二次電源提供電力，最大限度地減少電壓變化并提供穩(wěn)定的輸出。

這里有?一個(gè)穩(wěn)壓電路的典型示例?：如果你的設(shè)備需要5V，但你只有一個(gè)9V的電池。 穩(wěn)壓器可以將9V作為輸入并產(chǎn)生穩(wěn)定的5V輸出，你就可以使用該輸出為設(shè)備供電。

穩(wěn)壓電路的典型示例

或者，如果你構(gòu)建的電路需要不同的電壓電平，假設(shè)你有一個(gè)電路，其微控制器需要 5V，電機(jī)需要 12V。 你可以只使用一個(gè)12V電源，添加一個(gè)穩(wěn)壓器為微控制器提供5V電壓，而不是使用2個(gè)電源。

二、如何連接穩(wěn)壓器

一般情況下，都?需要將一些額外的組件連接到穩(wěn)壓器，這樣可以讓輸出更穩(wěn)定一點(diǎn)?。 通常會(huì)添加1-2個(gè)電容，但具體還是取決于你的選擇哪個(gè)穩(wěn)壓器，你在Datasheet中可以找到如何連接特定穩(wěn)壓器的信息。

（如果想查詢(xún)元器件信息，查看下載Datasheet，可以點(diǎn)擊以下鏈接：采芯網(wǎng)FindIC-電子元器件查詢(xún),datasheet下載,電子元器件搜索引擎）

例如：普通的電壓調(diào)節(jié)器7805，提供5V輸出，從7805 數(shù)據(jù)表中，可以找到你需要的2個(gè)電容的示例電路：

下面為：具有 5V 輸出的穩(wěn)壓器

具有 5V 輸出的穩(wěn)壓器

三、穩(wěn)壓電路的工作原理

穩(wěn)壓電路主要分為三大類(lèi)：

1、線(xiàn)性穩(wěn)壓電路

串聯(lián)穩(wěn)壓器

分流穩(wěn)壓器

2、齊納穩(wěn)壓電路

3、開(kāi)關(guān)線(xiàn)性穩(wěn)壓電路

降壓型

升壓型

降壓/升壓型

1、線(xiàn)性穩(wěn)壓電路的工作原理

1）串聯(lián)穩(wěn)壓器

串聯(lián)電壓調(diào)節(jié)器是線(xiàn)性電壓調(diào)節(jié)器的一部分，也稱(chēng)為串聯(lián)調(diào)節(jié)器。 串聯(lián)的可變?cè)?，用于保持輸出電壓恒定?當(dāng)改變串聯(lián)元件的電阻時(shí)，它兩端的電壓降會(huì)發(fā)生變化，以確保輸出兩端的電壓恒定。

串聯(lián)穩(wěn)壓器

如下圖，串聯(lián)穩(wěn)壓器的電路圖，NPN 晶體管T1 是串聯(lián)元件，齊納二極管用于提供參考電壓。

串聯(lián)穩(wěn)壓器

線(xiàn)性穩(wěn)壓電路的工作原理?：

當(dāng)輸出電壓增加時(shí)，基極-發(fā)射極電壓降低，因?yàn)榫w管 T1 導(dǎo)通減少。 由于 T1 傳導(dǎo)較少，它會(huì)降低輸出電壓，從而保持輸出電壓恒定。

當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，基極-發(fā)射極電壓升高，因?yàn)榫w管 T1 導(dǎo)通更多。 隨著 T1 傳導(dǎo)更多，它會(huì)增加輸出電壓，從而保持輸出電壓恒定。

輸出電壓定義為：

V O = V Z - V BE

VO是輸出電壓

VZ是齊納擊穿電壓

VBE是基射極電壓

2）分流穩(wěn)壓器

分流穩(wěn)壓器

未穩(wěn)壓電壓與串聯(lián)電阻兩端的電壓降成正比，該電壓降取決于負(fù)載消耗的電流。 如果負(fù)載的電流消耗增加，基極電流也將減少?，并且由于這個(gè)原因，較少的集電極電流將流過(guò)集電極發(fā)射極端子，因此通過(guò)負(fù)載的電流將增加，反之亦然。

并聯(lián)穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓輸出電壓定義為：

V 輸出 = V Z + V BE

3）線(xiàn)性穩(wěn)壓電路優(yōu)缺點(diǎn)

串聯(lián)穩(wěn)壓器和分流穩(wěn)壓器是電子產(chǎn)品中?最常用的穩(wěn)壓器，用于保持穩(wěn)定的輸出電壓?。 線(xiàn)性穩(wěn)壓器的作用類(lèi)似于分壓器電路。 在該穩(wěn)壓器中，電阻隨負(fù)載變化而變化，并提供恒定的輸出電壓。 下面給出線(xiàn)性穩(wěn)壓器的一些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：

（1）優(yōu)點(diǎn)

輸出紋波電壓低

響應(yīng)速度快

噪音小

（2）缺點(diǎn)

效率低下

需要大空間

輸出電壓總是小于輸入電壓

2、齊納穩(wěn)壓器

齊納穩(wěn)壓器更便宜，只適用于?低功率電路?。 可用于調(diào)節(jié)期間浪費(fèi)的功率量不是主要問(wèn)題的應(yīng)用。

一個(gè)電阻與齊納二極管串聯(lián)，以限制流過(guò)二極管的電流量， 輸入電壓 Vin（必須大于齊納電壓）。

如下圖所示跨接在輸出電壓 Vout 上，跨過(guò)齊納二極管，Vout = Vz（齊納電壓）。 正如我們所知，當(dāng)施加的電壓高于齊納二極管的擊穿電壓時(shí)，齊納二極管開(kāi)始反向?qū)ā?因此，當(dāng)它開(kāi)始導(dǎo)通時(shí)，它會(huì)在其兩端保持相同的電壓并回流額外的電流，從而提供穩(wěn)定的輸出電壓。

齊納穩(wěn)壓器

3、開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可以是?降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器或兩者的組合?，比線(xiàn)性穩(wěn)壓器更通用。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)包括它們?效率高、熱性能更好?，并且可以支?持更高電流和更寬的 V IN / V OUT應(yīng)用。?根據(jù)應(yīng)用要求，它們可以?實(shí)現(xiàn) 95% 以上的效率?。 與線(xiàn)性穩(wěn)壓器不同，開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)可能?需要額外的外部元件?，例如電感、電容、FET 或反饋電阻。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器分為三種類(lèi)型：

降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器

升壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器

降壓/升壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器

1）降壓或降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器

下面是?降壓轉(zhuǎn)換器的基本概念?：

降壓轉(zhuǎn)換器

要了解降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的工作原理，就必須要了解電感的工作原理。

當(dāng)按下開(kāi)關(guān)時(shí)，電流從電池流入電感、電容和負(fù)載。 電感和電容都被充電。 當(dāng)開(kāi)關(guān)釋放時(shí)，電感和電容中存儲(chǔ)的能量為負(fù)載提供電流。

在實(shí)際應(yīng)用中，通常都用晶體管代替開(kāi)關(guān)，并且有一種傳感機(jī)制可以檢查輸出電壓并更快或者更難打開(kāi)和關(guān)閉晶體管。

降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器用于降低輸出端的電壓，甚至可以用分壓電路來(lái)降低輸出電壓，但分壓電路的效率很低，因?yàn)殡娮钑?huì)以熱量的形式耗散能量。

通常在電路中使用?電容、二極管、電感和開(kāi)關(guān)?。?降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的電路圖如下：

降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的電路圖

當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，二極管保持反向偏置，電源連接到電感?。 當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，電感的極性反轉(zhuǎn)，二極管變?yōu)檎蚱貌㈦姼薪拥?，然后通過(guò)電感的電流隨斜率減?。?/p>

d I L / dt = （0-V 輸出 ） / L

電容用于防止負(fù)載兩端的電壓降至零。 如果我們繼續(xù)打開(kāi)和關(guān)閉開(kāi)關(guān)，負(fù)載兩端的平均電壓將小于提供的輸入電壓，你可以通過(guò)改變開(kāi)關(guān)設(shè)備的占空比來(lái)控制輸出電壓。

輸出電壓 =（輸入電壓）*（開(kāi)關(guān)打開(kāi)的時(shí)間百分比）

2）升壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器

升壓穩(wěn)壓器用于?升高負(fù)載兩端的電壓?，升壓穩(wěn)壓器電路圖如下：

當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，二極管表現(xiàn)為反向偏置，電感上的電流不斷增加?。 現(xiàn)在，當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，電感會(huì)產(chǎn)生一個(gè)力，使電流繼續(xù)流動(dòng)，電容開(kāi)始充電。?通過(guò)連續(xù)打開(kāi)和關(guān)閉開(kāi)關(guān)，我們將在負(fù)載上接收到高于輸入電壓的電壓。 我們可以通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通（Ton）時(shí)間來(lái)控制輸出電壓。

輸出電壓 = 輸入電壓 / 開(kāi)關(guān)打開(kāi)的時(shí)間百分比

3）降壓-升壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器

降壓-升壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是降壓和升壓穩(wěn)壓器的組合，它提供可以大于或小于所提供輸入電壓的反相輸出。

當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，二極管表現(xiàn)為反向偏置，電感存儲(chǔ)能量，當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，電感開(kāi)始釋放具有反極性的能量，從而為電容充電。 當(dāng)電感中存儲(chǔ)的能量變?yōu)榱銜r(shí)，電容開(kāi)始以反極性向負(fù)載放電。 由于這種升降壓穩(wěn)壓器也稱(chēng)為?反相穩(wěn)壓器?。

輸出電壓定義為：

Vout = Vin (D / 1-D)，其中，D 是占空比

因此，如果占空比低，則調(diào)節(jié)器表現(xiàn)為降壓調(diào)節(jié)器，而當(dāng)占空比高時(shí)，調(diào)節(jié)器表現(xiàn)為升壓調(diào)節(jié)器。

三、穩(wěn)壓器電路設(shè)計(jì)

1、線(xiàn)性穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)

1）簡(jiǎn)單線(xiàn)性穩(wěn)壓器

設(shè)計(jì)線(xiàn)性穩(wěn)壓器的方法有很多，下面這個(gè)電路可能是最簡(jiǎn)單的之一：

線(xiàn)性穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)

輸出?：始終是?二極管的齊納電壓減去晶體管的 V BE電壓?。 V BE通常在0.6V到0.7V左右。 因此，使用 5.6V 齊納二極管，獲得大約 5V 的輸出電壓。

如果輸出電壓超過(guò) 5V，則意味著 V BE變低。 這將使晶體管降低電流，從而使電壓再次下降。 如果輸出低于 5V，則會(huì)發(fā)生相反的情況。

2）正線(xiàn)性穩(wěn)壓電路

下面用?7850集成電路設(shè)計(jì)了一個(gè)正線(xiàn)性穩(wěn)壓電路?。 該 IC 具有提供 5 伏穩(wěn)壓電源的所有電路。 輸入電壓應(yīng)至少比額定值高出 2v，如 LM7805，我們至少應(yīng)提供 7v。

正線(xiàn)性穩(wěn)壓電路

未調(diào)節(jié)的輸入電壓提供給 IC，我們?cè)谳敵龆双@得調(diào)節(jié)電壓。?78代表正號(hào)，05代表穩(wěn)壓輸出電壓值。 如上圖，為 7805IC 提供 9V 電壓并在輸出端調(diào)節(jié) +5V。?電容C1、C2起濾波作用。

正線(xiàn)性穩(wěn)壓電路

3）輸出可調(diào)的LM317電路

下面這個(gè)示例是?具有可調(diào)輸出電壓的 LM317?。

輸出可調(diào)的LM317電路

4）MP2018 等線(xiàn)性穩(wěn)壓器

MP2018 等線(xiàn)性穩(wěn)壓器僅需要一個(gè)輸入和輸出電容即可運(yùn)行?（如下圖）?。 簡(jiǎn)單又可靠，通常會(huì)被應(yīng)用在直觀(guān)和簡(jiǎn)單的設(shè)備中，而且成本會(huì)比較低。

MP2018 線(xiàn)性穩(wěn)壓器

2、齊納穩(wěn)壓電路-5.1V 齊納二極管

下面這個(gè)案例為：使用 5.1V 齊納二極管的齊納穩(wěn)壓器。

5.1V 齊納二極管的齊納穩(wěn)壓器

齊納二極管用作?傳感元件?。 當(dāng)電源電壓超過(guò)其擊穿電壓時(shí)，它開(kāi)始反向?qū)ú⒃谄鋬啥吮３窒嗤碾妷翰⒒亓黝~外的電流，從而提供穩(wěn)定的輸出電壓。 在這個(gè)電路中，我們提供 9V 的輸入電壓并獲得近 5.1 的穩(wěn)壓輸出電壓。

齊納穩(wěn)壓電路-5.1V 齊納二極管

3、開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器

1）HF920開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器

HF920 是提供高可靠性和高效電源調(diào)節(jié)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，如下圖所示：

HF920 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器

2）MPQ4430-AEC1 降壓穩(wěn)壓器

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器有利于更通用的應(yīng)用，尤其適用于需要效率和性能的應(yīng)用?，例如消費(fèi)、工業(yè)、企業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用?（如下圖）?。 例如，如果應(yīng)用需要大型降壓解決方案，則開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器更適合，因?yàn)榫€(xiàn)性穩(wěn)壓器會(huì)產(chǎn)生高功率耗散，從而損壞其他電子元件。

下圖為：MPQ4430-AEC1 降壓穩(wěn)壓器

MPQ4430-AEC1 降壓穩(wěn)壓器

　　審核編輯：湯梓紅