稳压器
稳压器,顾名思义,就是使输出电压稳定的设备。所有的稳压器,都利用了相同的技术实现输出电压的稳定输出电压通过连接到误差放大器(Error Amplifier)反相输入端(Inverting Input)的分压电阻(Resistive Divider)采样(Sampled),误差放大器的同相输入端(Non-inverting Input)连接到一个参考电压Vref。 参考电压由IC内部的带隙参考源(Bandgap Reference)产生。 误差放大器总是试图迫使其两端输入相等。为此,它提供负载电流以保证输出电压稳定。
目录
分类
作用
区分UPS
稳压器适用范围
参考资料
分类
开关稳压器
根据调整管的工作状态,常把稳压电源分成两类:线性稳压电源和开关稳压电源。此外,还有一种使用稳压管的小电源。
开关稳压器
开关稳压器使用输出级,重复切换“开”和“关”状态,与能量存贮部件(电容器和感应器)一起产生输出电压。它的调整是通过根据输出电压的反馈样本来调整切换定时来实现的。在固定频率的稳压器中,通过调节开关电压的脉冲宽度来调节切换定时,这就是所谓的 PWM 控制。在门控振荡器或脉冲模式稳压器中,开关脉冲的宽度和频率保持恒定,但是,输出开关的“开”或“关”由反馈控制。
根据开关和能量存贮部件的排列,产生的输出电压可以大于或小于输入电压,并且可以用一个稳压器产生多个输出电压。在大多数情况下,在同样的输入电压和输出电压要求下,脉冲(降压)开关稳压器比线性稳压器转换电源的效率更高。
LDO(低压降)稳压器
线性稳压器
LDO 是一种线性稳压器。线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或 FET,从应用的输入电压中减去超额的电压,产生经过调节的输出电压。所谓压降电压,是指稳压器将输出电压维持在其额定值上下 100mV 之内所需的输入电压与输出电压差额的最小值。正输出电压的 LDO(低压降)稳压器通常使用功率晶体管(也称为传递设备)作为 PNP。这种晶体管允许饱和,所以稳压器可以有一个非常低的压降电压,通常为 200mV 左右;与之相比,使用 NPN 复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降为 2V 左右。负输出 LDO 使用 NPN 作为它的传递设备,其运行模式与正输出 LDO 的 PNP设备类似。
更新的发展使用 CMOS 功率晶体管,它能够提供最低的压降电压。使用 CMOS,通过稳压器的唯一电压压降是电源设备负载电流的 ON 电阻造成的。如果负载较小,这种方式产生的压降只有几十毫伏。
线性稳压器与开关稳压器的比较
优点
缺点线性稳压器输出纹波电压低
出色的 line 和负载稳压
对负载和 line 的变化响应迅速
电磁干扰 (EMI) 低 效率低
如果需要冷却设备,则要求较大的空间
开关稳压器
效率高(降低了冷却所需的源电源需求)
能够处理较高的电源密度
拓扑学结果可用于传递单个或多个输出电压,
大于或小于生成的输出电压 输出纹波电压高
瞬时恢复时间较慢
产生电磁干扰(EMI)
开关电容式转换器
一个典型的开关电容式转换器包括四个大型 MOS 开关,其开关顺序为典型的开关、加倍或减半输入电源电压。能量的传递与存贮由外部电容器提供。
在开关周期的第一部分,输入电压作用于一个电容器(C1)。在开关周期的第二部分,电荷从 C1 传送到第二个电容器 C2 上。最传统的开关电容式转换器的构造是一个反用换流器,其中 C2 具有一个接地正端,其负端传递负输出电压。经过几个周期之后,通过 C2 的电压将被施加到输入电压。假设 C2 上没有负载、开关上没有损耗并且在电容器中没有连续的电阻,则输出电压将正好是输入电压的负数。在现实中,电荷传送的效率(以及由此导致的输出电压的精确性)取决于开关频率、开关的电阻、电容器的值和连续电阻。一种类似的拓扑结构 ?倍压器使用相同的开关和电容器组,但更改了接地连接和输入电压。其它更复杂的变种产品使用附加开关和电容器实现输入电压与输出电压的其它变换比率,并且在一些情况下,使用专门的开关次序来产生分数关系(例如 3/2)。在各种最简单的形式中,开关电容式转换器是不具备稳压功能的。一些新的 National 半导体开关电容式转换器具有自动调节的增益级别以产生经过稳压的输出;其它开关电容式转换器使用一个内置的低压降线性稳压器产生未经过稳压的输出。
错误标记
错误标记是一个集电极开路输出,当经过稳压的输出电压低于额定输出电压 5%(典型的)时,它会发出一个信号。开始时,错误标记为低,直到输出电压达到额定输出电压的 95% 为止。在一些情况下,电源转换中出现的错误标记会有延迟。这个延迟是由外部电容器设置的,并可用作开机重置功能将微处理器重新设置为加电。
如果显示状态“错误”,输出电压为低情况使得集电极开路的输出为高(标记晶体管显示 OFF)。当输出电压在额定电压上下 5% 范围以内时,此标记输出为低。
开/关或停机
“开/关”或“停机”功能使稳压器能够在带电的情况下打开或关闭。尽管在“关闭”或“停机”模式下,稳压器的供给电流因为输出被禁用而降至一个较低的级别,但是内部偏置电路仍处于运行状态。当重新启用之后,稳压器将以比输入电压关闭又打开的情况下快得多的速度重新对输出电压进行稳压。如果显示在”开”的状态,则稳压器将被逻辑高电平启动。否则,将被逻辑低电平启动。
同步或频率调整
在开关稳压器和开关电容式转换器中,使用一个内部振荡器来设置输出晶体管的开关频率。该开关频率的值可以确定转换器中使用的某些外部组件,确定转换器产生的噪音的频率,并影响转换器的性能。某些转换器允许通过调整内部震荡器频率(“频率调整”)或通过同步振荡器与外部电源(“同步”)来更改开关频率。一般来说,通过提高开关频率,可以在转换器输出级中使用较小的部件(电容器,感应器)。这可能降低转换器的效率,因为增加了开关损耗,除非同时使用更高质量的部件。性能良好的更高频率的转换器将比频率较低的转换器具有更快的瞬时响应。如果一个板上有几个转换器,则通常最好将它们同步到一个公共源。这可以控制整个批量产生的噪音,并尽量减小可能产生的任何“敲击频率”。这个问题对于高功率转换器(例如 5W 或更高功率)通常很重要。在许多情况下,开关频率只能从其预设值增加。产品数据表将标出该功能的频率范围。
作用
电路模型
随着社会飞速前进,用电设备与日俱增。但电力输配设施的老化和发展滞后,以及设计不良和供电不足等原因造成未端用户电压的过低,而线头用户则经常电压偏高,对用电设备特别是对电压要求严格的高新科技和精密设备,独如一颗不定时炸弹。市电系统作为公共电网,上面连接了成千上万各种各样的负载,其中一些较大的感性、容性、开关电源等负载不仅从电网中获得电能,还会反过来对电网本身造成影响,恶化电网或局部电网的供电品质,造成市电电压波形畸变或频率漂移。另外意外的自然和人为事故,如地震、雷击、输变电系统断路或短路,都会危害电力的正常供应,从而影响负载的正常工作。
不稳定的电压会使设备造成致命伤害或误动作,影响生产,造成交货期延误、品质不稳定等多方面损失。同时加速设备的老化、影响使用寿命甚至烧毁配件,使业主面临需要维修的困扰或短期内就要更新设备,浪费资源;严重者甚至发生安全事故,造成不可估量的损失。
根据电力专家的测试,电网中经常发生并且对电脑和精密仪器产生干扰或破坏的问题主要有以下几种:
1、电涌(power surges):指输出电压有效值高于额定值110%,而且持续时间达一个或数个周期。电涌主要是由于在电网上连接的大型电气设备关机时,电网因突然卸载而产生的高压。
2、高压尖脉冲(high voltage spikes):指峰值达6000v,持续时间从万分之一秒至二分之一周期(10ms)的电压。这主要由于雷击、电弧放电、静态放电或大型电气设备的开关操作而产生。
3、暂态过电压(switching transients):指峰值电压高达 20000V,但持续时间界于百万分之一秒至万分之一秒的脉冲电压。其主要原因及可能造成的破坏类似于高压尖脉冲,只是在解决方法上会有区别。
4、电压下陷(power sags):指市电电压有效值介于额定值的80%至85%之间的低压状态,并且持续时间达一个到数个周期。大型设备开机,大型电动机启动,或大型电力变压器接入都可能造成这种问题。
5、电线噪声(electrical line noise):系指射频干扰(RFI)和电磁干扰(EFI)以及其它各种高频干扰。马达的运行、继电器的动作、马达控制器的工作、广播发射、微波辐射、以及电气风暴等,都会引起线噪声干扰。
6、频率偏移(frequency variation):系指市电频率的变化超过3Hz以上。这主要由应急发电机的不稳定运行,或由频率不稳定的电源供电所致。
所以使用稳压器,对用电设备特别是对电压要求严格的高新科技和精密设备来说是必不可少的。
区分UPS
UPS
稳压器和UPS是不同的概念,但很多朋友总是错误的认为稳压器就是UPS,如果你给电脑配个稳压器,那你的电脑离损坏就不远了。上面介绍了稳压器的概念,这里说说UPS是什么?
UPS的中文意思为“不间断电源”,是英语“Uninterruptible Power Supply”的缩写,它可以保障计算机系统在停电之后继续工作一段时间以使用户能够紧急存盘,使您不致因停电而影响工作或丢失数据。它在计算机系统和网络应用中,主要起到两个作用:一是应急使用,防止突然断电而影响正常工作,给计算机造成损害;二是消除市电上的电涌、瞬间高电压、瞬间低电压、电线噪声和频率偏移等“电源污染”,改善电源质量,为计算机系统提供高质量的电源。
从基本应用原理上讲,UPS是一种含有储能装置,以逆变器为主要元件,稳压稳频输出的电源保护设备。主要由整流器、蓄电池、逆变器和静态开关等几部分组成。
1)整流器:整流器是一个整流装置,简单的说就是将交流(AC)转化为直流(DC)的装置。它有两个主要功能:第一,将交流电(AC)变成直流电(DC),经滤波后供给负载,或者供给逆变器;第二,给蓄电池提供充电电压。因此,它同时又起到一个充电器的作用;
2)蓄电池:蓄电池是UPS用来作为储存电能的装置,它由若干个电池串联而成,其容量大小决定了其维持放电(供电)的时间。其主要功能是:当市电正常时,将电能转换成化学能储存在电池内部。当市电故障时,将化学能转换成电能提供给逆变器或负载;
3)逆变器:通俗的讲,逆变器是一种将直流电(DC)转化为交流电(AC)的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成;
4)静态开关:静态开关又称静止开关,它是一种无触点开关,是用两个可控硅(SCR)反向并联组成的一种交流开关,其闭合和断开由逻辑控制器控制。分为转换型和并机型两种。转换型开关主要用于两路电源供电的系统,其作用是实现从一路到另一路的自动切换;并机型开关主要用于并联逆变器与市电或多台逆变器。
稳压器是靠继电器的跳动稳定电压的。当电网电压稍有波动,或在一定范围内其它电器的开放或关闭,都会引起电力稳压器的自动纠正电路启动,使继电器频繁跳动。每一次继电器跳动换挡,都会使供电电源发生一次短暂的中断。尽管这一中断未影响家庭其它电器的正常使用,但对高度灵敏的电脑内的读写干扰却很大,每一次稳压器跳动换档,犹如电脑内瞬间输入一个脉冲,容易造成电脑出现错误信号,严重时还会使硬盘损坏或软盘驱动器卡死。
因此,家用电脑在使用中,不需要配制稳压器。如果你所处的电网电压严重不稳,不妨配置一个不间断电源转换系统,即UPS为好。
稳压器适用范围
稳压器适用于工矿企业、油田、铁路、建筑工地、学校、医院、邮电、宾馆、科研等部门的电子计算机、精密机床、计算机断层扫描摄影(CT)、精密仪器、试验装置、电梯照明、进口设备及生产流水线等需要电源电压稳定的场所。也适应于电源电压过低或过高、波动幅度大的低压配电网末端的用户及负载变动大的用电设备,特别适用于一切对电网波形要求高的稳压用电场所。