自激式串聯(lián)開關(guān)電源

1、6第3章自激式開關(guān)電源的原理自激式開關(guān)電源驅(qū)動開關(guān)管的信號由自激振蕩產(chǎn)生，在一定程度上簡化了電路。它所用的元器件少，電路簡單成本低。由于自激式開關(guān)電源經(jīng)濟實用，目前仍有較多的電子設(shè)備采用自激式開關(guān)電源，比如自動化儀器儀表、視盤機、電視機、顯示器、打印機和手機充電器等。本章在講述自激式開關(guān)電源的基本電路的基礎(chǔ)上，以自激式開關(guān)電源的電路實例為載體，分析幾種變壓器耦合型開關(guān)電源的工作原理。/3-1自激式開關(guān)電源的工作原理3.1.1 自激式開關(guān)電源的特點1 .自激式開關(guān)電源的工作原理(1)自激式開關(guān)電源結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)制造成本低廉。(2)自激式開關(guān)電源的脈沖信號是自激振蕩形成的，是一種非固定頻率的變換電

2、路，隨輸 入電壓和負載變化而變化，空載時開關(guān)頻率可達100kHz,滿載時可能會降到 20kHz,頻率的變化幾乎與變壓器的匝數(shù)和電感量無關(guān)。(3)自激式開關(guān)電源的具備了一定的自保護功能，一旦負載過重，必然破壞反饋條件，振 蕩將因損耗過大而減少或和停振，因此保護電路也比較簡單，這是自激式開關(guān)電源的一大優(yōu)點。(4)自激式開關(guān)電源在改變占空比 D時，振蕩兼開關(guān)管的iE與UCE相對值發(fā)生變化，因此D變化范圍較小，一般不大于 0.5。(5)自激式開關(guān)電源的開關(guān)電流峰值高、紋波電流大，由于它的工作頻率隨著輸入電壓和 負載電流變化而變化， 在高功率、大電流工作時穩(wěn)定性差， 因此僅用于60W以下的小功率場合。2

3、 .自激式開關(guān)電源的類型自激式開關(guān)電源按輸入、輸出連接方式可分為串聯(lián)型(降壓式非隔離型)、并聯(lián)型(升壓式韭隔直里)租變壓造耦合型(隔離里1。在變壓器耦合型自激式開關(guān)電源中，按開關(guān)管的連接方 式又可分為單管式、推挽式和橋式等。由于自激式并聯(lián)型屬于升壓型，實際應(yīng)用很少，所以，本 章我們主要講述用于 AC-DC變換的自激式中的串聯(lián)型和變壓器耦合型開關(guān)電源。3.1.2 自激式串聯(lián)型開關(guān)電源1 .自激式串聯(lián)型開關(guān)電源的工作原理自激式串聯(lián)型開關(guān)電源是早期采用的一種開關(guān)電源，由于開關(guān)管、儲能電感與負載串聯(lián)， 其輸出電壓比輸入電壓低，也稱為降壓式非變壓器耦合型開關(guān)電源。如圖3-1所示為自激式串聯(lián)型開關(guān)電源的結(jié)

4、構(gòu)原理圖。CI、CO分別是輸入電壓UI、輸出電壓Uo的濾波電容；開關(guān)管用一個開關(guān)符號模擬替代；L為儲能電感；VD為續(xù)流二極管。電路中還包含采樣電路、電壓基準、比較放大和脈寬調(diào)制電路的功能框圖。開關(guān)管/圖3-1自激式串聯(lián)型開關(guān)電源結(jié)構(gòu)原理圖輸入直流電壓Ui經(jīng)過功率開關(guān)管的通斷控制，變成周期性矩形波；設(shè)周期為T ,開關(guān)管導(dǎo) 通時間為toN ,截止時間為toFF。當開關(guān)管導(dǎo)通時，電感 L的電壓極性為“左正右負”，續(xù)流二極管VD反偏截止；電感L中的電流隨時間tON線性增大、電感儲能；當開關(guān)管截止時，電感 L的電壓極性為“左負右正”，續(xù)流二極管VD正偏導(dǎo)通，電感 L中的電流隨時間tOFF線性減小、電感釋

5、能。為了控制和調(diào)節(jié)輸出電壓，用分壓器對輸出電壓采樣， 送入誤差放大器一個輸入端，誤差放大器另一個輸入端接基準電壓。兩個輸入電壓進行比較、放大后經(jīng)脈寬調(diào)制電路控制開關(guān)管通斷時間比，從而調(diào)節(jié)和穩(wěn)定輸出電壓。2 .自激式串聯(lián)型開關(guān)電源的基本電路自激式串聯(lián)型開關(guān)電源的基本電路 如圖3-2所示。CI、CO分別是輸入、輸出電壓的濾波電容；VTi為功率開關(guān)管；T為儲能變壓器；VDi為放電二極管；VD 2為續(xù)流二極管；VT2為脈寬調(diào)制管；VT3為誤差放大器； R4、R5構(gòu)成輸出電壓的采樣電路；R、VSi構(gòu)成基準電壓。變壓器T有兩種功能：一是由初級繞組-構(gòu)成儲能電感；二是由次級繞組-構(gòu)成脈沖變壓器，使 VTi可

6、以依靠正反饋作用產(chǎn)生振蕩脈沖。圖3-2自激式串聯(lián)型開關(guān)電源基本電路初始上電時， R給VTi提供啟動電流。VTi導(dǎo)通時，T繞組端輸出正極性感應(yīng)脈沖加到 VTi基極，使VTi快速進入飽和；當-繞組電流開始下降時，同樣的正反饋過程使VTi快速截止，完成一個振蕩周期，功率開關(guān)管完成一次通斷過程。在上述過程中，R2構(gòu)成G的充電通路，同時 旦還限制了正反饋電流，防止過大的正反饋電流使VTi進入過飽和狀態(tài)，增大VTi基區(qū)電荷的存儲效應(yīng) ，加大開關(guān)管的損耗。VD2構(gòu)成C1 的放電通路， G的容量對振蕩頻率影響較大，即使VTi未進入飽和區(qū)，在 VTi導(dǎo)通期間的正反饋過程中，G的充電電流小到一定程度，也會迫使 V

7、Ti截止，提前進入下一個振蕩周期。VT2是VTi導(dǎo)通周期的基極可變分流器，可以控制VTi的導(dǎo)通時間。在 VTi振蕩過程中，VT i由通態(tài)轉(zhuǎn)為止態(tài)的轉(zhuǎn)折點是PlB <IC的某一點；在此進程，如果 VT2導(dǎo)通、分流VTi基極電流，即可減小Ibi,使VTi提前達致轉(zhuǎn)折點，VTi的通態(tài)時間變短，儲能電感的儲能減小，開 關(guān)電源的輸出電壓必然降低一一這就是VT2的脈寬調(diào)制功能。VT2的導(dǎo)通電流受控于 VT3。VT 3為誤差檢測和電流放大管，其發(fā)射極接入簡單的二極管穩(wěn) 壓電路，作為基準電壓；輸出電壓UO由R4、R5采樣后送到VT3基極。正常工作時，采樣電壓比基準電壓高一個 VT3發(fā)射結(jié)壓降。若某種原因

8、使 Uo升高時，則VT 3發(fā)射結(jié)壓降增大、集電極 電流增大，VT3導(dǎo)通電流也增大，控制 VT2導(dǎo)通電流也增大，分流更多 VTi正反饋的電流，VTi 的通態(tài)時間變短，輸出電壓降低。由于VT 2發(fā)射極電壓幾乎等于輸入電壓 U 1，故VT2始終工作于放大狀態(tài)。 若VT2飽和，VTi將截止；若VT2截止，VTi將失去控制，處于 R、Ci參數(shù)決定的充電過程的最大脈寬狀態(tài)，造 成輸出電壓異常升高，還會增大VTi的開關(guān)損耗甚至于熱擊穿。雖然這個電路能夠?qū)崿F(xiàn)降壓，但不能完成過大的降壓比。因為大幅度地降低電壓， 必然是盡量縮短VTi的通態(tài)時間，這將使得 VTi的自激振蕩處于臨界狀態(tài)，導(dǎo)致振蕩不穩(wěn)定，輸出電壓 的

9、紋波增大且穩(wěn)定性也又t以保證；同時，VTi的通態(tài)時間過短，輸出電流也無法增大，所以，這種電源只適合于小功率的負載?；鶇^(qū)存儲的由于晶體管基區(qū)電荷的存儲效應(yīng)，發(fā)射結(jié)電壓突變?yōu)榱銜r，晶體管并不能立即關(guān)斷；越是過飽和, 電荷越多，延時關(guān)斷的時間越長。3.2.8顯示器開關(guān)電源有許多計算機顯示器使用自激式開關(guān)電源，如圖3-40所示為一種雙頻彩色顯示器的自激式開關(guān)電源電路。它主要由電源濾波、整流濾波、自激振蕩與穩(wěn)壓、同步激勵與保護、輸出電壓與 轉(zhuǎn)換等電路組成，各部分電路工作過程如下。圖3-40自激式顯示器開關(guān)電源電路原理圖1 .市電輸入電路及變換市電經(jīng)保險管F901輸入，C901濾除差模干擾；C903、C9

10、04與L901(450)構(gòu)成共模濾波器, 濾除共模干擾；NTC是熱敏電阻，減小開機沖擊電流，實現(xiàn)軟啟動保護。為了適應(yīng)各種不同的輸入電壓，顯示器開關(guān)電源電路設(shè)置有110/220V轉(zhuǎn)換開關(guān)，電路分解如圖3-41所示。(a) Si開路，適用于220V(b) Si閉合，適用于110V圖3-41110/220V轉(zhuǎn)換電路分解圖如圖(a),當S1開路時，電路為橋式全波整流，適用于輸入電壓為 AC220V的情況，電源輸入L正N負，D901、D903導(dǎo)通，電流方向見圖中所示，C906、C907串聯(lián)同時充電；電源輸入L負N正，D902、D904導(dǎo)通，電流方向見圖中所示，也是C906、C907串聯(lián)同時充電。如圖(b

11、),當S1閉合時，電路變?yōu)槿ū秹赫?。電源輸入L正N負，D901導(dǎo)通對C906充電，電流方向見圖中所示；電源輸入L負N正，D904導(dǎo)通對C907充電，電流方向見圖中所示。兩種工作狀況 D902和D903均不導(dǎo)通。倍壓整流、濾波電壓為輸入市電電壓最大值的兩倍， 適用于輸入電壓為 AC110V的情況。2 .自激振蕩與穩(wěn)壓電路開關(guān)變壓器T901與功率管VT92構(gòu)成自激振蕩功率變換器，R901、R902是VT92的啟動偏置 電路。R907與C913引入繞組的正反饋脈沖至 VT92的基極，使VT 92間歇振蕩通斷工作。在 VT92 截止期，T901向次級負載電路提供電壓。光電耦合器4N35和精密可調(diào)穩(wěn)

12、壓器 TL431構(gòu)成穩(wěn)壓控制系統(tǒng)。電源的行供電電壓輸出后，經(jīng)R957、R963和Rp91分壓，得到取樣電壓，送到 TL431的控制極。當輸出電壓升高時，TL431電流增大，光電耦合器4N35內(nèi)部三極管C-E間的內(nèi)阻降低，經(jīng) V901使VT 91的基極電壓升高，導(dǎo)通程度增強，分流VT92的基極電流，VT92提前截止，迫使輸出電壓降低。 若輸出電壓降低時， 電路動作與上述相反，以維持輸出電壓的穩(wěn)定。電路中，V905對正反饋繞組整流，C911濾波后作為光電耦合器4N35內(nèi)部三極管的電源。3 .過流保護與延時電路功率管VT 92的導(dǎo)通電流，在R906上產(chǎn)生與其阻值成正比的電壓降，該電壓降經(jīng)R903加到

13、VT 91的基極。當 VT92電流增大到600mA時，R906壓降達到0.6V , VT91開始導(dǎo)通，分流 VT92 基極電流，迫使 VT 92集電極電流減小，提前導(dǎo)通。R903和C909構(gòu)成VT91的延遲導(dǎo)通電路，如果VT92的電流只是瞬間增大，R906的壓降經(jīng)R903XC909充電，因電流峰值過后，C909尚未充滿到克服 VT 91發(fā)射結(jié)的死區(qū)電壓，所以VT91不會導(dǎo)通，這樣延遲導(dǎo)通，就是為了避免開機瞬間的沖擊電流使VT 91產(chǎn)生誤動作。4 .同步激勵電路該電源還設(shè)有行逆程同步電路“行FBT'。“行FBT”是用絕緣導(dǎo)線在行輸出變壓器磁心旁柱上穿繞一圈，以產(chǎn)生感應(yīng)行逆程脈沖。行逆程期

14、間，其極性為正負，正脈沖通過C901使V902導(dǎo)通，VT 92觸發(fā)導(dǎo)通，以使自激振蕩與行頻同行。5 .輸出電壓轉(zhuǎn)換電路雙頻顯示器可以支持兩種不同模式的顯示卡，兼容CGA、VGA模式，因此其行掃描頻率應(yīng)適應(yīng)適應(yīng)15.75kH和31.5kHz兩種頻率。在行掃描電路中，行振蕩電路受控于模式識別系統(tǒng)而改 變其振蕩頻率。由于行頻的差別較大，轉(zhuǎn)換顯示模式的同時行輸出級的供電電壓必須改變。當行頻升高時，行偏轉(zhuǎn)線圈的感抗相應(yīng)增大，行偏轉(zhuǎn)電流隨之減小。此時，為了使行掃描滿幅，只有 提高行掃描電壓，使行掃描偏轉(zhuǎn)電流增大。當行頻降低時，行偏轉(zhuǎn)線圈的感抗減小，行偏轉(zhuǎn)電流 增大，此時要降低行掃描電壓，否則，不僅行幅增大

15、，還會損壞顯像管。需要指出的是，此時只 降低行輸出級的供電，其他各繞組供電必須保持不變。在圖3-39中，行供電設(shè)有兩組電壓： 一組由V954整流、C955濾波的45V,用于低行頻供電； 另一組由V952整流、C953濾波的65V,用于高行頻供電。低行頻時，“行頻模式”為低電平，VT93、VT94和VT95截止，行輸出級供電為 45V。這時，取樣電路由R957與R963、Rp91串聯(lián)阻值之比決定，微調(diào)Rp91可得到精確的45V電壓。高行頻時，“行頻模式”為高電平，VT93、VT94和VT 95均導(dǎo)通，行輸出級供電為65V。這時，取樣電路是電阻混聯(lián)：R960、Rp92與R963、Rp91并聯(lián)，再與

16、R957串聯(lián)，加到TL431控制端。微調(diào) Rp92可使65V電壓在60V70V之間變動，以便使高行頻顯示模式有足夠的行幅度。在顯示模式變換過程中， 開關(guān)電源其他繞組輸出電壓不應(yīng)有明顯變化，否則，說明Rp91、Rp92設(shè)置不當。雙頻顯示器的開關(guān)電源，首先應(yīng)在低行頻工作模式下調(diào)整 Rp91,使行掃描供電為45V; 然后，轉(zhuǎn)換到高行頻時，調(diào)整 Rp92使行掃描供電為65V,同時，在這兩種模式下檢測 25V輸出 應(yīng)在25± 1V范圍之內(nèi)。12圖3-8 (b)原圖圖3-5 (b)原圖圖3-8 (b)原圖圖3-9 (b)原圖Fairchild Semiconductor 公司推出的 KA5H03

17、65R/0380R 系列芯片、Infineon Technologies (IT) 公司推出的 COOLMOSICE2A165/265/365 系列芯片、Power Integrations (PI)公司推出的 TOP2217 系列芯片等，都是把功率開關(guān)與控制電路包括反饋電路集成于同一芯片上。用這類芯片用做開關(guān)電 源無需加散熱器，在通用電網(wǎng)即可輸出2050W的功率，而且保護功能齊全，電路結(jié)構(gòu)簡單，有的芯片還能自動降低空載時的工作頻率，從而降低待機狀態(tài)的損耗，故在中小功率開關(guān)電源中有著廣 泛的應(yīng)用前景。現(xiàn)以離線反激式開關(guān)電源在DVD機中的應(yīng)用為例，以 Fairchild 一個FPS (Fairc

18、hild PowerSupply)的求解過程，探討如何根據(jù)輸入、輸出的具體參量對開關(guān)電源的設(shè)計進行細化、分析、 計算，并講述反激式開關(guān)電源設(shè)計的注意事項和特定電路的設(shè)計技巧。7.2.1 技術(shù)指標技術(shù)指標見表7-2所示。表7-2反激式開關(guān)電源技術(shù)指標輸入電壓單相交流220V輸入電壓變動范圍交流 220V-20% 220V+10%輸入頻率50Hz輸出功率19W24 V0.1A9V0.5A3.3V1.2A5V1.5A開關(guān)頻率50kHz最大占空比45%轉(zhuǎn)換效率刈=85%圖7-14反激式開關(guān)電源7.2.2 確定輸入?yún)?shù)1.確定輸入電容Cin選擇收入濾波電容，Cin按表7-3。表73 Cin范圍輸入電壓Cin （ V F/VVUimin （V）100 Vac /115 Vac23之90230Vac1之240通用輸入23>90因為輸出功率PO =19W,由表7-3,取1.5科F/VV則Cin的容量為1.5 科 F/W19W=28.5 曠33科F,故確定Gn為33 d F。在標準電容系列中，與該參數(shù)最近的電容為2 .計算最低DC輸入電壓Uimin2FOU Im in2 U ac,minCIN(7-27)式中，tc是橋式整器導(dǎo)通時間，設(shè) tc=3ms； Cin是輸入電容；fL交流電網(wǎng)頻率;U ac, min 電網(wǎng)