整流(整流电路)

半波整流（half-waverectification）的电路非常简单，如下图所示：

图2-3.02

设输入电压为经过变压器变压后的正弦电压，表达式为：

当输入电压vi处于正半周且大于0.7V时，二极管导通，此时输出电压vo仅比vi小0.7V；当输入电压小于0.7V时（整个负半周和正半周小于0.7V的部分），二极管截止，输出电压vo为0，其输入和输出的对比波形图如下图所示：

图2-3.03

当然，上图只是我们假想的理想二极管的波形，实际上，由于二极管伏安特性的非线性，在波峰处的输入电压和输出电压的差值要更大一些，真正的输入电压和输出电压的对比波形放大后是如下图所示这样的，下面是输入Vm为5V时示波器观察到的波形：

图2-3.04

当输入电压的Vm远大于0.7V时，其实这点微小的偏差可以忽略不计。

另外，再考虑一下在半波整流情况下，二极管的反偏峰值电压（PIV），当输入电压处于负半周时，几乎所有的反偏电压都加在二极管上，所以对二极管反偏电压参数的要求是：

PIV额定值≥Vm （半波整流）

一般半波整流在实际中并不太用到，因为效率太低，整个负半周都浪费掉了。所以上面介绍的半波整流，仅仅是用来帮助初步理解整流的概念的，真正实用的是下面要介绍的全波整流。

2. 全波整流

（1）桥式全波整流

最常用的桥式（bridge network）全波整流（full-wave rectification）电路图如下图所示：

图2-3.05

当输入电压处于正半周时，二极管D2和D3导通，二极管D1和D4截止。当输入电压处于负半周时，二极管D4和D1导通，二极管D2和D3截止。电流流动情况分别如下图所示：

图2-3.06

注意在上图中，流过负载电阻R的电流方向始终是从右向左的，所以在R上的电压极性始终是一个方向的。另外，电流通路要经过2个二极管，所以输出电压会比输入电压下降2个0.7V（即1.4V），最终的全波整流的输入和输出波形是这个样子的：

图2-3.07

当输入电压的Vm远大于1.4V时，可以忽略这个1.4V，近似认为输出电压的波形是这样的：

图2-3.08

根据电路基础理论中的关于交流电“平均值”和“有效值”的公式，可以得到以下结果：

最后再来看全波整流对于二极管的PIV参数的要求，以正半周为例（此时D2和D3导通，可近似视为短路），在下图中可以看到，无论是D1还是D4，都承受了几乎所有的vi电压

图2-3.09

所以对全波整流二极管的选型，PIV的参数要求为：

PIV额定值≥Vm （桥式全波整流）

（2）中心抽头变压器全波整流

另一种比较常见的全波整流电路为使用中心抽头变压器（center-tapped transformer）的整流电路，也叫CT全波整流，如下图所示：

图2-3.10

变压器的初级和次级线圈绕组的匝数为1:2，次级线圈上会产生2倍于vi的电压，但是对于中间的抽头O点引出后，无论是AO之间还是BO之间，都只有次级线圈的一半匝数，故它们的电压vAO和vBO都等于vi。

当输入电压处于正半周时，二极管D1导通，D2截止，负载R上的电压为vo等于次级线圈的一半（即AO之间）的电压，此值大小等于vi，流过R的电流方向为从右至左；当输入电压处于负半周时，二极管D2导通，D1截止，负载R上的电压为vo等于次级线圈的另一半（即BO之间）的电压，此值大小也等于vi，流过R的电流方向同样为从右至左。输出电压vo的波形如下图所示：

图2-3.11

中心抽头变压器全波整流对于二极管PIV参数的要求与桥式整流不同，从前面图中可以看到，对于每个二极管，当其反偏时，要承受整个整个次级线圈的反偏电压，即2倍的vi，所以对于中心抽头变压器全波整流二极管的选型要求为：

PIV额定值≥2Vm （CT全波整流）

3. 滤波与稳压

接下来我们再简单介绍一下整流器后端的滤波器和稳压器。

图2-4.01

（1）滤波器

滤波器（filter）可以做得很复杂，也可以做得很简单，最简单的滤波器就是一个电容。一般对于交流电源整流后滤波来讲，一个大电容基本上就够用了，如下图所示：

图2-4.02

上图中，输出电压vo等于滤波器的电容电压vC，我们来分析滤波过程：

（1）在全波整流的输出电压第1次到达峰值Vm以前，整流器的输出电压给电容C充电，此时vo等于整流器输出电压，如下图所示，图中灰色虚线为无滤波器时的整流器输出电压：

图2-4.03

（2）当整流器输出电压经过峰值Vm后，其输出电压开始变小，此时电容上存储的电压为Vm，已经超过整流器输出电压，但是由于整流器的D2和D4反向截止，电容无法向整流器放电，只能通过负载电阻RL进行放电。由于滤波电容一般都会用比较大的电容，所以通过负载RL放电的速度比较缓慢，如下图所示：

图2-4.04

（3）当整流器的输出电压第2次接近峰值Vm时，由于电容放电速度比较缓慢，电容电压vC比峰值Vm略低，当整流器输出电压超过电容电压时，整流器再次对电容进行充电，如下图所示：

图2-4.05

（4）当整流器输出电压再次小于峰值Vm时，电容再次开始放电。如此周而复始，由于输出电压vo等于电容电压vC，最终输出的电压波形如下图所示：

图2-4.06

这种形状的输出电压波形称为波纹电压（ripple voltage）。一般来讲，电容取得越大，波纹就越小，滤波效果越好。同时，负载RL的阻值也不能太小，否则也会因为放电速度太快而使波纹波动幅度加剧。

• 浪涌限制电阻

最后再补充一点关于浪涌（surge）的知识。在电源刚接通时，滤波电容C是未充电的，当开关SW合上的瞬间，电容相当于并联在整流器的输出电压上，会产生非常巨大的瞬间充电电流，这个称为浪涌电流（surge current）。如果开关闭合的时机正好在整流器输出电压处于峰值Vm输出的时候，会产生最糟糕的情况，此时会产生极大的浪涌电流。如下图所示：

图2-4.07

大的浪涌电流很可能损坏二极管，或者导致变压器前级的保险丝熔断，因此通常会在充电通路上加一个抗浪涌电阻Rsurge，以形成RC充电回路，防止充电电流过大，如下图所示：

图2-4.08

这个抗浪涌电阻的阻值选择比较讲究，既不能太大（阻值太大会导致这个电阻上本身产生很大的压降，而影响电源效率）；也不能太小（阻值太小会导致抗浪涌效果不好）。最好是电路启动的时候阻值比较大，以取得较好的抗浪涌效果；然后电路正常工作的时候阻值较小，以避免在抗浪涌电阻上产生过多压降。有没有这种理想的抗浪涌电阻呢？

答案是有的。通常我们用NTC（负温度系数）热敏电阻来作为抗浪涌电阻。负温度系数的特点是：温度越高，阻值越低。当电路刚启动时，温度一般为常温，NTC电阻阻值会比较大，这时抗浪涌效果会比较好。当电路工作一段时间后，流过NTC电阻的电流会导致电阻发热，使其阻值下降，这样就可以避免在抗浪涌电阻上产生过大的压降。

当然，这种用法也有缺点，就是断电后，要等一段时间，使NTC电阻冷却下来后，才能再次开启，否则初始抗浪涌的效果会变差，一般典型的冷却时间大约为1分钟左右。如果对于需要频繁开启的情况，就需要设计更复杂的抗浪涌电路。

（2）稳压器

稳压器（regulator）的作用是将滤波器输出的纹波电压，转换成比较理想的恒定直流电压，并且在即使输入电压有波动、温度有波动或负载电阻有波动时，仍能保持比较恒定的直流电压输出。

一个典型的完整包含“整流器、滤波器、稳压器”的可产生5V的直流电源的电路如下图示：

图2-4.09

上图中，C1即为滤波器，C2主要用于稳压器输出电压中的高频噪声，这个电容值比较小（一般为0.1uF~1uF左右）。D1~D4可选用上一章我们提到的1N4007二极管。

• 线性电源与开关电源

上面我们分析的都是线性电源（linear power supplier），其优点是结构简单，对外界产生的干扰也较小。其缺点主要有2个：一个是重量太重（大部分重量是由铁芯变压器产生的），另一个是转换效率稍低，IC稳压器会产生一定的热量损耗，一般需要对IC稳压器做单独散热。

另一种形式的直流电源称为开关电源（SMPS），它的优点是轻便、转换效率高；缺点是会产生大量的电磁干扰（EMI），还会对配电网造成一定影响（主要是会在配电网中产生大量高次谐波并拉低功率因数）。为了抵消这些影响，开关电源必须设计得更为复杂。