自激振蕩開關(guān)電源

1、.自激振蕩（ RCC）開關(guān)電源中山市技師學院一、概述目前市場上銷售的手機充電器，從電路結(jié)構(gòu)和充電方式上可分為兩大類：第一類是“機充式”充電器，另一類是“直充式”充電器（也叫座充）。所謂“機充式”充電器，就是電源進入手機后由充電管理IC控制預充電、恒流充電、恒壓充電、電池狀態(tài)檢測、溫度監(jiān)控、充電結(jié)束低泄漏、充電狀態(tài)指示等（比 SL1051、BQ241010/2/3 等），輸出電壓一般在5.5 6.5V；而“直充式”充電器也叫萬能充電器，直接對電池充電，由于鋰電池（充）滿電壓為4.2V ，所以這類充電器輸出電壓一定要稍小或等于4.2V 。手機充電器輸出功率都比較小，一般在 5W以下，國內(nèi)廠商生產(chǎn)的

2、充電器 1更是小到 2-3W。為了節(jié)約成本，國內(nèi)許多廠商都采用 RCC（Ringing Chock Converter ）開關(guān)電源設(shè)計方案。 RCC設(shè)計方案理論技術(shù)成熟、電路結(jié)構(gòu)簡單、元器件常見、成本低廉，所以深受國內(nèi)廠商青睞。然而，讀者可能耳聞目睹許多充電器質(zhì)量事故頻頻發(fā)生，原因不是產(chǎn)品原理有問題，而是制造廠家為了追求利潤使用了質(zhì)量較差元件或二次回收元件造成的；更有甚者部分廠商為了能在激烈的市場競爭環(huán)境下生存，不得不使出最下策只要能輸出電壓，盡其所能地節(jié)省元件 !另外，國內(nèi)廠商生產(chǎn)的充電器初、次級通常沒有設(shè)計光藕（反饋），因此輸出電壓很難控制，負載能力較差，空載時輸出電壓偏高，帶上負載后電壓

3、才正常。從目前市場上流通的充電器來看，成本基本在2-3元之間。國外知名公司出于市場定位和維護自身品牌形象考量，一般采用集成電路設(shè)計方案，電路結(jié)構(gòu)完善、生產(chǎn)用料考究、產(chǎn)品可靠性高，成本通常是國內(nèi)廠商的3-5 倍，質(zhì)量當然要好。由于手機充電器輸出功率較小（對電網(wǎng)干擾?。a(chǎn)品受體積所限（消費者審美要求和拼比心理把廠家“逼上梁山”），無論國內(nèi)廠商還是國外知名公司出品的手機充電器，輸入側(cè)電源濾波器（與EMC測試有關(guān)的元器件）都一概省去，部分國內(nèi)廠商更是把“熱地”與“冷地”之間的安規(guī)電容（Y 電容）也節(jié)省掉了，所以，幾乎沒有任何一個廠家的手機充電器能通過EMC測試。既然通不過 EMC測試，依照中國法律就

4、不能銷售，因此廠家就打 “擦邊球”，把充電器定位為贈品， 國家對電器贈品并沒有強制安規(guī)要求。再則，質(zhì)量認證部門考慮到手機充電器輸出功率小、對電網(wǎng)干擾小，在對手機作認證時對充電器“睜一只眼、閉一只眼”，于是，不符合國家標準的手機充電器就堂而皇之地進入市場了。當然，對于用戶來說這些元器件的存在與否與充電的電性能幾無關(guān)系，并不會影響消費者正常使用，只是與國家標準要求不符而已！RCC充電器電路結(jié)構(gòu)簡單，工作頻率由輸入電壓與輸出電流 （自適應）改變，控制方式為頻率調(diào)制（PFM），工作頻率較高，如圖 1 是 RCC充電器原理框圖。1由于許多國外知名公司的手機充電幾乎都由國內(nèi)廠商代工，所以該處應理解為國內(nèi)廠

5、商生產(chǎn)的自主品牌的內(nèi)銷充電器，下同。;.Vi 是整流濾波后的直流電壓，DC-DC變換器包括變壓器和開關(guān)元件，輸出電壓Vo 經(jīng)電阻R1、R2 分壓2采樣與基準電壓 VR 比較，差值進入 PFM控制器，輸出信號控制開關(guān)元件的導通/ 截止，從而調(diào)節(jié)輸出電壓。本文介紹的幾種 RCC開關(guān)電源，由于圖1 中的部分環(huán)節(jié)就被省掉了，整機的可靠性大為降低。圖（ 1）RCC 充電器原理框圖本文通過對幾種不同 RCC充電器電路關(guān)鍵節(jié)點波形的測試分析，簡述它們的工作原理，依據(jù)電路結(jié)構(gòu)特點，提示讀者正確辯識它們性能的優(yōu)缺點，最后順便講述一些開關(guān)電源的通用電路知識，在此過程中體驗數(shù)字存儲示波器在電子測量和原理分析中的應用

6、。 希望讀者通過該文的閱讀， 對 RCC充電器有一定認識，若讀者能在該文的指導下排除充電器的簡單故障，乃讀者之幸，筆者之幸甚也！二、 RCC變換器測試分析圖 2 是深圳市某電子有限公司生產(chǎn)的“快速手機充電器”（廠家命名）。產(chǎn)品規(guī)格：輸入 AC180-240V 50/60Hz 0.1A輸出 DC6.5V 500mA MAX2PFM PWM是英文是英文Pulse Frequence Modulation縮寫， 脈沖頻率調(diào)制之意，Pulse Width Modulation縮寫， 脈沖寬度調(diào)制之意。RCC變換器的工作方式，而集成式開關(guān)電源大都為PWM工作方式，;.圖（ 2）圖 3 是東莞市某電子科技

7、有限公司生產(chǎn)的萬能手機充電器。產(chǎn)品規(guī)格：輸入 AC220V 100mA輸出 DC4.2V 180 ±80 mA 適用于 250-3000mAh（毫安時）電池圖（ 3）;.圖 4 是中山市某電子有限公司給中山市小霸王電子公司配用的MP3/4/5 充電器。產(chǎn)品規(guī)格：輸入AC110-250V 50/60Hz 0.1A輸出 DC5V 300 mA圖（ 4）中山市小霸王電子公司MP3/4/5 配用的充電器深圳市某電子有限公司生產(chǎn)的“快速手機充電器”完整電路如圖5。為方便說明問題，圖中專門標注了P1-P6 共六個測試點，其中P4 最為關(guān)鍵。借助數(shù)字存儲示波器，提取關(guān)鍵點的波形，幫助大家分析電路的

8、工作方式，因此P4 測試點波形會在多個圖中出現(xiàn)，以期對比之用。市電經(jīng)保險電阻R1 輸入（也叫熔斷電阻，兼具電阻和保險絲的雙重功能），經(jīng) D1 D4 橋式整流、 C1濾波后到開關(guān)變壓器。 廠家在設(shè)計時保留C1的位置，但是實際生產(chǎn)時并沒有安裝，為了測試需要筆者加裝之，如圖 2（個頭大點），輕載時 P1點電壓約 300V（圖 6 測量值為V322V ）。電阻 R2 阻值較大，給 Q1提供啟動電流（ R2也叫起動電阻，系統(tǒng)一旦正常工作， R2不再起控制作用，斷開它系統(tǒng)仍能正常工作） 。剛上電時先由 R2 使 Q1導通，變壓器主繞組（ - ）產(chǎn)生自感電動勢，極性“正負”，輔助繞組（ - ）極性“正負”

9、、經(jīng) C3&R7支路加到 Q1的基極 ,Q1 迅速飽和導通，集電極電流線性增加正反饋效應 （通俗地說就是一旦導通就讓它狠狠地通） 。此時次級繞組極性 “負正”，整流二極管 D8 反偏截止，變壓器主繞組蓄積能量。開關(guān)管 Q1的集電極電流 iC 增加到接近峰值 i CP 時，變壓器主繞組極性反轉(zhuǎn)“正負”，輔助繞組“負正”， Q1基極有反向偏置電流 Q1截止正反饋效應（通俗地說就是一旦退出導通就快速地截止）。;.123R1D1C1T1C24D10/1W1N40074.7uF/400VP11保險電阻D2A21N4007C6R82D315282k5B470uF/16V6R31.5k12D11N4

10、007JP1D4R2D61N4007C1MFR107P2P33C3472P4Q1R713001/4XW6822B820R5/BV68P51kD5R4P61N41486.8C410uFQ2D7AS80505.1V123D81N5819JP2D6LEDCBA4圖（ 5）深圳市某電子有限公司生產(chǎn)的“快速手機充電器”;.此時次級繞組“正負” ，D8 正偏導通，變壓器主繞組蓄積的能量瞬間耦合到次級，由次級再釋放給負載。RCC充電器屬自激振蕩開關(guān)電源，它無需激勵電路就可自由振蕩持續(xù)工作（工作方式類似無線電2009 年第七期電子鎮(zhèn)流器中VT1、VT2 交替開關(guān)），正常工作時P2、 P4 點電壓波形如圖7。如

11、果沒有C1 電路仍然能正常工作，但是整流后的100Hz脈動直流周期性沖擊Q1，使 Q1工作于險惡的環(huán)境下，它的安全性能大打折扣。圖（ 6） P1 點電壓波形圖（ 7） 1是 P2 點電壓波形，2 是 P4 點電壓波形R4 是一個非常關(guān)鍵的元件，P5 點電壓與 Q1發(fā)射極電流成正比，電壓越高Q1發(fā)射極電流越大，如圖8 信號 CH1。圖（ 8）1是 P5 點電壓波形，2 是 P4 點電壓波形圖（ 9）P5點電壓波形圖 8 顯示在某負載下 P5點電壓峰值約為 472mV(V 472mV ) ，由此可知 Q1發(fā)射極電流峰值約為69.4mA（472mV/6.8）。此時，還可以粗略計算出占空比D（ =t

12、ON /T ），方法如下：關(guān)掉通道CH2拉開波形，如圖9，啟用數(shù)字存儲示波器測量功能， 測量 Q1導通時間 t ON =1.52us ，而開關(guān)頻率 f98.5KHz ，即 T10.15us，因此 D tON / T 13.2% 這個數(shù)值顯示負載比較輕！;.理論分析：若以熱地為參考點，當輔助繞組“正負”時P3 電壓為零（實際上約為-0.6V ，D7 的箝位作用），當輔助繞組“正負”時P3 電壓為某個高電壓，那么P3 點電壓狀況究竟如何？實測P3 點電壓波形如圖 10，圖 10 顯示 P3 點電壓近似矩形波，低電平寬、高電平窄（占空比D 小），高電平峰值接近 40V，該電壓是輔助繞組自感電動勢與電

13、容C4電壓的疊加。圖（ 10）1是 P3 點電壓波形，2 是 P4 點電壓波形需要說明一下：正常工作時P6 點電壓相當穩(wěn)定，電壓值約5.7V ，該值等于 D5 反向擊穿電壓和Q2發(fā)射結(jié)之和。三、 RCC變換器等效拓樸電路研究圖 5 中輔助繞組整流方式和控制電路不太符合大家的欣賞習慣，它的的等效拓樸電路結(jié)構(gòu)如圖11這個電路就是筆者之一葛中海于2004 發(fā)表在貴刊年第七期的 簡易手機鎳氫電池充電器原理解析文中講過 RCC變換器，有興趣的讀者可去查找它的完整電路。圖（ 11） 反饋繞組及相關(guān)電路等效拓樸結(jié)構(gòu);.圖 11 反饋繞組及相關(guān)電路等效拓樸結(jié)構(gòu)與圖 5 工作原理基本相同， 區(qū)別只是 P3 點電

14、壓波形如圖 10，沿縱向向下平移因為圖 5 開關(guān)管導通時 P3 點電壓是反饋繞組感生電壓與 C4 電壓之加，而圖 11 開關(guān)管導通時 P3 點電壓就是反饋繞組感生電壓，如圖 12。需要說明的是這個電路 Q1具有過流保護功能，當 P5點電壓升高 0.7V 以上 Q2導通，拉低 P4 點電壓保證 Q1的安全運行。圖（ 12） 1是 P3 點電壓波形，2 是 P4 點電壓波形圖 5 中 D7用于設(shè)置 C4 正極的直流電位， 穩(wěn)壓值越大 C4正極直流電位越高； 由于初、次級之間沒有反饋通路，次級輸出電壓就由 D7穩(wěn)壓值和主、輔繞組參數(shù)而定，穩(wěn)壓值越大輸出電壓越高，反之亦反；而等效拓樸電路中 D7 用于

15、設(shè)置 C4 負極的直流電位， 穩(wěn)壓值越大 C4負極直流電位越低， 同時輸出電壓越高， 反之亦反。順便提示：同樣負載下圖 12 電路開關(guān)工作頻率升高為 106kHz（頻率高乃效率高） 。有些公司為了節(jié)省成本干脆把 Q2去掉，在 P4 與地之間串入一只幾千歐的電阻作為穩(wěn)壓管 D7的限流電阻，電路結(jié)構(gòu)進一步簡化，如圖 13。需要說明的是簡化電路結(jié)構(gòu)安全性、可靠性都降低了。由于本電路Q1不具有過流保護功能，所以當電路工作異常時，Q1和 R4 很容易同時燒斷。圖（ 13）反饋繞組及相關(guān)電路等效拓樸結(jié)構(gòu)圖（簡化）實測圖 13 電路 P3、P4 點電壓波形如圖14。;.圖（ 14） 1 是 P3 點電壓波形

16、， 2 是 P4 點電壓波形圖（ 15） 輕載間歇振蕩現(xiàn)象（原電路P3 點電壓波形）筆者實際的測試體驗：同樣負載下，開關(guān)管發(fā)熱最小的是圖11 等效拓樸電路，圖5 和圖 13 差不多。需要說明的是，當負載較輕時Q1的基極電流 i B 會相應減小，集電極電流峰值iCP 也減小，同時導通時間 t ON 也隨之變短，另外，輸入電壓的升高也會引起導通時間tON 變短?？梢韵胂螅寒斴斎腚妷鹤罡?，輸出功率最小時 tON 也最短；若輸入電壓升高，輸出電流又下降，它作為tON 最小值的輸入電壓與輸出電流的界限時，就不能維持正常振蕩，從而出現(xiàn)間歇振蕩現(xiàn)象，見圖15。該電路次級輸出與初級沒有反饋通路，所以輸出電壓不

17、是絕對的穩(wěn)定。實際上充電器設(shè)計時是以輸入電壓 220V 時來考量的，若輸入電壓減小很多，輸出電壓也會適當下降，負載很重時輸出電壓也會下降。四、其它電路認識圖 16 東莞市某電子科技有限公司生產(chǎn)的萬能手機充電器， 該圖反饋繞組及相關(guān)電路采用圖 11 等效拓樸結(jié)構(gòu)。廠家為了節(jié)約成本，只用一只高壓二極管整流，虛線框內(nèi)的器件是筆者補畫上的，原電路板根本沒有設(shè)計上，見圖 3。端子 J1 和 J2 由導線接到面殼的兩個彈片， 作為電池的充電通路。 U2是變色燈，外形如是透明的 LED，內(nèi)部有 3 個發(fā)光二極管管芯，并配有單片機控制 3 個發(fā)光二極管單獨或混合發(fā)光，并按一定時間規(guī)律循環(huán)發(fā)光，有 6、7 種不

18、同的發(fā)光顏色，是近幾年新出的器件，本圖由筆者自編符號。R7給 Q3提供基極電流， Q3導通、輸出電壓由R16、R17 分壓后控制 U2，而 R7 和 U2組合又反過來調(diào)控 Q3基極電位。正常工作時 U2的 2 腳為 2.5V，因此 Q3輸出電壓被調(diào)整到約 4.3V（Q3基極約 4.9V ），當該電壓由于某種原因升高（或降低）時，經(jīng) R16、R17 分壓后控制 U2，使 U2 吸納的電流增大（或減?。?，由于 R7的調(diào)壓作用，使 Q3輸出電壓保持穩(wěn)定。再來分析本電路是如何充電的！初始觀察 Q4 Q7 及外圍電阻 R11R14，電路呈對稱分布，連給電池充電的地線都沒有，怎么能充電呢？雖然電路呈對稱

19、分布，但參數(shù)不可能完全一致。假設(shè)Q4 先導通（基極有電流通路：基極R11R13Q7發(fā)射結(jié)），發(fā)射極輸出高電平，該電平立即促使Q6 導通 J1 接地（若沒有 Q6，Q4和 Q7基極都有偏置;.電壓，它們導通把Q3輸出電壓接地），Q4維持導通電路自鎖！J2 為高電平。假設(shè) Q5先導通（基極有電流通路：基極 R14 R14Q6發(fā)射結(jié)），發(fā)射極輸出高電平，該電平立即促使Q7 導通 J2 接地（若沒有Q7，Q5和 Q6基極都有偏置電壓， 它們導通把 Q3輸出電壓接地），Q5維持導通電路自鎖！ J1 為高電平。上述分析認為端子J1 和 J2“誰高誰低”完全是隨機的，無論電路是哪種導通組合通路電流都很小。當

20、電池裝入時情況將發(fā)生奇妙的變化J1 和 J2“誰高誰低”完全由電池裝入的極性而定！當J1 接電池正極、 J2 接電池負極， Q5、Q7組合導通給電池充電；當J1 接電池負極、 J2 接電池正極， Q4、Q6組合導通給電池充電，因此這種電路不存在因電池裝反致壞之事，所以稱萬能充電器。U3變色燈工作方式如下： 空載或負載較輕時 Q8發(fā)射結(jié)臨界截止、 輸出電壓較低，不足以驅(qū)動 U3工作。當負載較重時 Q8發(fā)射結(jié)達 0.7V 以上，流過 R8 的電流約 90mA100mA，Q8飽和導通、輸出電壓較高。給電池充電的電流一部分來至 R8，另一部分來自 Q8發(fā)射結(jié)。圖 17 是中山市小霸王電子公司 MP3/

21、4/5 配用的充電器， USB接口輸出、適合于小巧精致的袖珍電器充電，該圖反饋繞組及相關(guān)電路采用圖 13 等效拓樸結(jié)構(gòu)。廠家為了節(jié)約成本，只用一只高壓二極管整流，見圖 4。另外，本電路初、次級雖有光耦反饋控制，但是次級電壓取樣和電壓比較放大環(huán)節(jié)電路原理設(shè)計有問題，所以輸出電壓也不穩(wěn)定。需要說明的是， 無論采用哪種電路拓樸結(jié)構(gòu)， 最常損壞的器主要都是開關(guān)管、 開關(guān)管發(fā)射極電阻和穩(wěn)壓管，部分充電器開關(guān)管燒穿后引起保險電阻燒斷，因此在檢修時特別留意這幾個位置的元器件。13001 是小功率晶體管，電流放大倍數(shù)約20 左右， TO92封裝，可以代換它的小功率晶體管有XW6822和 BV68，如圖 5。;

22、.1D1C1D4.7uF/400V1N400721R1JP110 保險電阻CR4560KC3472D2R71N4148B820D39.1VR5E147010uFQ2C1815A12C6R815282kD6FR107Q113001R66.82.34T1 5C2Q8R131220uF/16V8550200DU3D5變色燈E21N5819R726R810uF3308.2R15Q32.2k8050Vo = 4.3VCQ4Q5LED1385508550J1R1642.4KR11R14V351K1K.2U2=2BfTL431erR13R12V11K1KR173.3KJ2Q7Q680508050A34圖（

23、16）東莞市某電子科技有限公司生產(chǎn)的萬能手機充電器;.12D1L1N400734C110uF/400V56T1D4C11N5819470uF/10V1578R8 2/1WD1N1CBR11保險電阻R6510C3103C2R710282kR2D21MFR107Q113001/XW6822/BV68R42k26Q39015R13R91k1K3D5Red4U1EL817CR10D3301234R118.2kJ1USBCD6GreenR1568BR12D31N4148Q2C945AR310C410uF1KD55.1VA12345678圖（ 17）中山市小霸王電子公司MP3/4/5 配用的充電器;.五、

24、開關(guān)電源一般知識1反饋電路開 關(guān) 電 源 次 級 反 饋 控 制 電 路 一 般 采 用 圖18的 電 路 結(jié) 構(gòu) ， 輸 出 電 壓 Vcc 可 以 表 示 成VccVref(1R3 ) ，其中 Vref2.5V 。TL431 是這個電路的核心器件，R3 和 R4是采樣電阻， 由于 TL431R4基準端基本不取電流， R3、 R4分壓節(jié)點的電壓為2.5V ，若由于某種原因使輸出升高，節(jié)點電壓隨之升高，TL431 導通增強、吸納更多電流，于是光耦二極管發(fā)光增強，從而控制初級開關(guān)電路，使輸出電壓降低。若輸出降低反饋電路同樣能自適應調(diào)整，使輸出電壓升高。關(guān)于這個電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇，有更多的專業(yè)知

25、識和工作經(jīng)驗需要補充，但是，因篇幅所限，在此從略。圖（ 18）開關(guān)電源標準反饋控制電路2RCD吸收電路參看圖 5， R8、C6 和 D6 構(gòu)成 RCD吸收電路（電阻、電容和二極管） ，用以吸 Q1截止時變壓器主繞組產(chǎn)生的反電動勢。因為 Q1截止時變壓器主繞組產(chǎn)生的反電動勢極性“負正” ，該電壓與電源同相串聯(lián)施加到開關(guān)管 Q1的集電極， Q1集電計將承受很高的電壓，增加 RCD吸收電路可以適當減小峰值電壓（原理類似于三極管控制繼電器，在繼電器兩端反并聯(lián)二極管，三極管由導通截止時，繼電器線圈感生電動勢由反并聯(lián)二極管提供電流通路、釋放能量）。既使有 RCD吸收電路保護，在Q1剛截止時集電極的電壓仍然高達 400V 左右，見圖 7。若沒有 RCD吸收電路， Q1集電極電壓更高這是Q1安全工