辨析A3开关电源工作原理.doc

2007年 6 月第 25 卷 第 3 期龙 岩 学 院 学 报JOURNAL OF LONGYAN UNIVERSITYJune 2007Vol.25 No.3辨析 A3 开关电源工作原理傅智河( 龙岩学院物理与机电工程学院福建龙岩364000)摘要: 通过分析集成脉宽调制式开关电源, 对 A3 开关电源的工作原理及其带载能力弱的原因提出自己的观点和看法, 并用实验所观测到的现象以及所测得的数据进行验证。 关键词: 开关电源; 导通; 截止; 电容充放电中图分类号: TN86文献标识码: A文章编号: 1673- 4629(2007)03- 0019- 031引言无工频变压器开关电源的控制方式, 大致有以下三种:则D= ton =ton( 1)Tston+toff脉宽调制方式, 简称脉宽调制(Pulse Width Modulation, 缩写为 PWM)式; 脉冲频率调制方式, 简称脉频调制(Pulse Fre- quency Modulation, 缩写 为 PFM)式 及 混 合 调 制 方 式1。 脉 宽调制方式特点是固定开关频率, 通过改变脉冲宽度来调节占空比。目前开关电源大多采用 PWM 方式。采用 PWM在图 2 和式( 1) 中, ton 为器件导通时间, toff 为器件关断时间, Ts 为周期, Vcontrol 为反馈的实际电平经过放大后 的 电 平, 它反应了输出信号高于或低于期望值的信息。一般锯 齿波信号工作频率为几十到几百 KHz, 甚至某些双极型电 路工作频率可以达到 1 MHz, 但 Vcontrol 变化频率很低。当输 出外部电压变化时, 反馈信号也变化, 所以 Vcontrol 在工作点 基础上产生动态变化, 通过和锯齿波比较后得到开关器件的导通时间 ton 改变, 即 D 改变, 从而控制输出电压。方式的 A3 开关电源结构简 单 , 稳 定 可 靠 ,深 受 人 们 的 青睐, 因此被很多型号的电视机所采用。而用 A3 开关电源的电视机是学校实验教学中经常遇到的机型。正确认识和弄 清该机型的工作原 理 , 对 于 改 进 教 学 具 有 十 分 重 要 的 意 义。A3 型开关电源电路普遍具有带载能力强、适应交流进 线电压变化范围宽、转换效 率 高 的 特 点 , 但 在 工 作 时 间 长 的机型中, 由于各元器件老化出现带载能力弱是一个常见 的故障, 很少有人去分析和检验开关电源带载能力下降的 真正原因, 解决故障时盲目 大 面 积 更 换 元 件 , 导 致 开 关 电 源的工作不稳定。为彻底解决其带载能力下降的问题, 正确分析电源的工作原理是关键。2集成脉宽调制式开关电源的基本原理近年来已经开发出许多高频开关电源控制集成电路,这些电路包含了建立 PWM 开关电源所需要的所有功能 ,使开关电源用一片集成电路和若干附加元件即可制成。简 化原理图如图 1 所示, 采用 PWM 方式的开关电源从本质 上讲, 它属于 DC- DC 电源变换器。DC- DC 变换电路是通过 控制开关器件的导通和关断时间, 将一个输入的不稳定直 流电压转换成另一个输出稳定的直流电压。由图 1 可以看 出控制信号是由反 馈 的 实 际 电 压 和 期 望 值 通 过 差 分 放 大 得到 , 然后和锯齿波信号比 较 , 由 此 得 到 开 关 器 件 实 际 工 作的驱动信号。PWM 比较器实际仿真结果如图 2。如果定义开关器件开通时间占整个周期的比值为 D,图 1脉宽调制式开关电源的基本原理图图 2 PWM 比较器工作波形图收稿日期: 20061225作者简介: 傅智河( 1970 ) , 男, 福建上杭人, 讲师, 主要研究方向: 电子技术应用。3A3 开关电源原理的分析使输出电压稳定。从电路形式上可以看出, V512 不可能工作在放大状态。对于 V512 来说它的上下偏置电阻分别为 R526 和 R515, 其中, R526 为 2.2k, R515 为 22k。V512 选用的是 NPN 硅管, 这样的偏置电阻只能使 V512 工作在 开关状态。图 4 中的 VB 和 VC 的波形说明了其作用是 PWM 比较器。可见对 A3 的分析研究完全可参照集成脉宽调制 式开关电源的原理。把电路划分成 PWM 比较器、锯齿波发 生器、基准与比较放大电路等模块进行分析。开关电源的带载能力弱的原因开 关 电 源 带 负 载 能 力 弱 的 故 障 现 象 是 待 机 和 断 开 负 载时, 开关电源输出电压正常, 接上负载后, 开关电源输出 电压低于正常值, 光栅出现几何失真, 图像不稳定。曾有一 台长虹 2118FA 彩电, 电源为 A3 开关电源, 出现图像亮度 增大或换频道的瞬间, 行幅缩小, 左、右两边约有 1cm 宽黑 边的故障, 这是开 关 电 源 的 带 载 能 力 弱 的 典 型 故 障 。 用33nF 更换 C515 后故障消失, 更换前后测得 V512 基极、集 电极及 V513 集电极的波形如图 4、图 5 所示。由基本原理 分析可知, C515 是锯齿波形成电容, 它的充/放电时间是决 定 V513 饱和时间长短的关键因素。更换后 V512 导通时间 相对变短, V513 的饱和时间变长, D 值变大输出能力增强。 由此可见, 该电源电路的 C515 也是提高带载能力的关键 元件。4图 3 A3 开关电源部分电路图A3 开关电源电路的主要部分如图 3 所示, 其工作原理见仁见智, 尤其是对 V518、V519 支路和 C515 的讨论。很 多文章都认为 VD519 二极管是过压保护电路, 文献2就对 VD519 电路的过压保护进行过讨论。但实验证明 VD519 电 路中的限流电阻不能太小, 否则, VD519 中电流太大, 会出 现带负载能力差。VD519 中的电流也不能太小, 否则, 此电 路不起任何作用。很明显, 这个电流不能太大, 又不能太小 的事实足以推翻“过压保护”理论, 参照集成脉宽调制式开 关 电 源 的 基 本 原 理 , VD519 的 电 流 当 是 形 成 Vcontrol 工 作 点 的重要支路, 它的电流和 V511 的电流及 R526 中的电流在R515 共同决定 Vcontrol 工作点高低,因而三者的比例关系决定 控 制 的 能 力 , 也 决 定 开 关 电 源 性 能 好 坏 。 文 献3提 到C515 在稳压环路中占据显著地位, C515 的取 值 过 大 会 影 响稳压上限, 过小 则 降 低 输 出 功 率 和 启 动 性 能 。 并 就 把 C515 当作滤波电容的观点提出批评, 总结认为 C515 是脉 冲延时元件。事实上用示波器测量 C515 两端即 V 512 基 极的波形, 发现其为锯齿波脉冲, 其反向峰值电压为- 3.6V 左右, 这锯齿波脉冲应伴随开关电源自由振荡产生而来, 当 T511 中流经、脚的电流变大时, 感生电动势由 T511 的脚 通 过 VD517、R526 加 到 V512 的 基 极 , 给 C515 充 电, 使 V512 饱和导通, 并使 V513 基极的输入电压被短路 而迫使 V513 退出饱和导通状态转入截止状态。于是, T511 中流经、脚的电流变小, 随即在、脚两端产生正负的反向感生电压。该电压一路经过 R517、VD516 形成 的回路对 C515 反向充电, 在 C515 两端形成下正上负的电 压, 使 V512 退出饱和导通状态变为截止。因此我们完全有 理由认为这是锯齿波发生器, C515 是锯齿波形成电容, 控 制着开关器件整个周期 TS。另外, 对于 V512 有文章把它看成是工作在放大状态14,认为它在电路中起分流作用, 用来改变 V513 的导通强度,图 4V512V V512VV513V( )C 及C 波形 换前B图 5 V512VB V512VC 及 V513VC( 换后)文献5实验指出: 减小 VD519 电路 的 限 流 电 阻 R525为 6.8K 欧时, 会出现带负载能力差故障。其原因分析如下,当 R525 减小时, 此支路电流增大, Vcontrol 工作点过高, 开关器件 V513 的导通时间 ton 减小, D 值变小, 输出电压低;与此同时 V511 反馈电流动态控制范围小,因而电源的带载能力变弱。由此可见 R515 的正确设置是提高带载能力又一重要因素。有人认为 VD519 及 R525 电路是稳压控制电 路的一部分, 是稳压控制的 粗 调 部 分 , 光 耦 电 路 的 稳 压 控三点与众不同的重要结论来重新认识 A3 开关电源。参考文献:1韩广兴. 彩色电视机电源电路原理与维修 图 说M.北京:电子工业出版社, 2004.2杨 志 伟. A3 机 心 电 源 终 极 篇 J. 家 电 维 修 , 2006( 2) : 12- 13.3索杨军. 深入剖析 A3 电源J. 家电维修, 2002 ( 2) :5- 8.4苏永安. 关于 A3 电源的明白话J. 家电维修, 2005 (8): 8- 12.5连登才. A3/A6 机心电源的话题 J. 家电维修, 2001( 8) : 8- 11.( 责任编辑: 邱维敦)制是在 VD519 电路的粗调基础上进行的,光耦电路为细调, 细调作用将调整到额定值。VD519 电路可以扩展稳压范围上下限。这完全可理解为 VD519 及 R525 电路确定了Vcontrol 工作点,光耦电路电流在 Vcontrol 工作点形成动态变化保证+B 电压的稳定输出。总之, 对 A3 开关电源原理的分析, 不能按照传统的固 定模式来看待; 集成脉宽调制式开关电源是分立元件开关 电源的提炼与升华, 但反过来也能为我们分析分立元件开 关 电 源 提 供 参 照 。 应 以 C515 是 锯 齿 波 形 成 电 容 , V518、 V519 支路是建立 Vcontrol 工 作 点 及 V512 是 PWM 比 较 器 的Analysis on the Pr inciple of Switch A3s Power SupplyFu Zhi- heAbstr act : Through analyses on the power supply of PWM switch, the author puts forward his opinion about the A3 switchs working principle and its low load, which is proved by the occurrence and the results of the experiments.Key wor ds: switch power supply; turn- on; cut- off; charge and discharge of a capacitor!( 上接第 18 页)板使用的根文件系统。首先需要为根文件系统选择文件系 统的类型, 然后需要将根文件系统的内容转换成选用的文 件系统格式, 或者将根文件系统安装在具有所选用文件系 统格式的设备上。做完这些工作之后就可以把根文件系统 加载到开发板上。主要步骤。至于具体细节应随具体应用而改变, 例如根文件系统应包含哪些 文 件 应 视 系 统 的 存 储 容 量 和 系 统 所 要 完成的功能而配置。内核的配置也是和具体的处理器架构而有很大区别。参考文献:1Karim Yaghmour. Building Embedded Linux SystemsM/0L. 北京: OReilly, 2003.2郭玉东. linux 操作系统结构分析M. 西安: 西安电 子科技大学出版社, 2002.3赵烔. linux 内核完全剖析M. 北京: 机械工业出版社, 2006.( 责任编辑: 邱维敦)5结束语Linux 是一个成熟而稳定的网络操作系统。将 Linux 植入嵌入式设备具有众多优点。首先, Linux 的源代码开放,任何人都可以获取并修改, 并用于开发自己的产品。其次,Linux 是可定制的, 其系统内核最小只有约 134KB3。另外,它和多数 Unix 系统兼容,应用程序的开发和移植比较容易。良好的可移植性使 Linux 支持数百种硬件平台。本文简单介绍了利用通用 Linux 操作系统制作嵌入式操作系统的Constr ucting Embedded Systems Based On LinuxCHEN Xue- yunAbstr act : Linux has already become an important embedded operating system. The thesis makes an introduction to steps and methods of constructing embedded system