开关电源电路图解析

开关电源电路图解析开关电源电路图解析 所谓开关电源开关电源 故名思议 就是这里有一扇门 一开门电源就通过 一关门电源就停 止通过 那么什么是门呢 开关电源里有的采用可控硅 有的采用开关管 这两个元器件 性能差不多 都是靠基极 开关管 控制极 可控硅 上加上脉冲信号来完成导通和截 止的 脉冲信号正半周到来 控制极上电压升高 开关管或可控硅就导通 由 220V 整流 滤波后输出的 300V 电压就导通 通过开关变压器传到次级 再通过变压比将电压升高或 降低 供各个电路工作 振荡脉冲负半周到来 电源调整管的基极 或可控硅的控制极电 压低于原来的设置电压 电源调整管截止 300V 电源被关断 开关变压器次级没电压 这时各电路所需的工作电压 就靠次级本路整流后的滤波电容放电来维持 待到下一个脉 冲的周期正半周信号到来时 重复上一个过程 这个开关变压器就叫高频变压器 因为他 的工作频率高于 50HZ 低频 那么推动开关管或可控硅的脉冲如何获得呢 这就需要有个 振荡电路产生 我们知道 晶体三极管有个特性 就是基极对发射极电压是 0 65 0 7V 是 放大状态 0 7V 以上就是饱和导通状态 0 1V 0 3V 就工作在振荡状态 那么其工作点 调好后 就靠较深的负反馈来产生负压 使振荡管起振 振荡管的频率由基极上的电容充 放电的时间长短来决定 振荡频率高输出脉冲幅度就大 反之就小 这就决定了电源调整 管的输出电压的大小 那么变压器次级输出的工作电压如何稳压呢 一般是在开关变压器 上 单绕一组线圈 在其上端获得的电压经过整流滤波后 作为基准电压 然后通过光电 耦合器 将这个基准电压返回振荡管的基极 来调整震荡频率的高低 如果变压器次级电 压升高 本取样线圈输出的电压也升高 通过光电耦合器获得的正反馈电压也升高 这个 电压加到振荡管基极上 就使振荡频率降低 起到了稳定次级输出电压的稳定 太细的工 作情况就不必细讲了 也没必要了解的那么细的 这样大功率的电压由开关变压器传递 并与后级隔开 返回的取样电压由光耦传递也与后级隔开 所以前级的市电电压 是与后 级分离的 这就叫冷板 是安全的 变压器前的电源是独立的 这就叫开关电源 开关电源电路图 一 主电路 从交流电网输入 直流输出的全过程 包括 1 输入滤波器 其作用是将电网存在的杂波过滤 同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公 共电网 2 整流与滤波 将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电 以供下一级变换 3 逆变 将整流后的直流电变为高频交流电 这是高频开关电源的核心部分 频率越高 体积 重量与输出功率之比越小 4 输出整流与滤波 根据负载需要 提供稳定可靠的直流电源 二 控制电路 一方面从输出端取样 经与设定标准进行比较 然后去控制逆变器 改变其频率或脉宽 达到输出稳定 另一方面 根据测试电路提供的资料 经保护电路鉴别 提供控制电路对 整机进行各种保护措施 三 检测电路 除了提供保护电路中正在运行中各种参数外 还提供各种显示仪表资料 四 辅助电源 提供所有单一电路的不同要求电源 开关控制稳压原理 开关 K 以一定的时间间隔重复地接通和断开 在开关 K 接通时 输入电源 E 通过开关 K 和滤波电路提供给负载 RL 在整个开关接通期间 电源 E 向负载提供能量 当开关 K 断开时 输入电源 E 便中断了能量的提供 可见 输入电源向负载提供能量是断续的 为 使负载能得到连续的能量提供 开关稳压电源必须要有一套储能装置 在开关接通时将一 部份能量储存起来 在开关断开时 向负载释放 图中 由电感 L 电容 C2 和二极管 D 组成的电路 就具有这种功能 电感 L 用以储存能量 在开关断开时 储存在电感 L 中的 能量通过二极管 D 释放给负载 使负载得到连续而稳定的能量 因二极管 D 使负载电流连 续不断 所以称为续流二极管 在 AB 间的电压平均值 EAB 可用下式表示 EAB TON T E 式中 TON 为开关每次接通的时间 T 为开关通断的工作周期 即开关接 通时间 TON 和关断时间 TOFF 之和 由式可知 改变开关接通时间和工作周期的比例 AB 间电压的平均值也随之改变 因此 随着负载及输入电源电压的变化自动调整 TON 和 T 的比例便能使输出电压 V0 维持不变 改变接通时间 TON 和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比 这种方法称为 时间比率控制 Time Ratio Control 缩写为 TRC 按 TRC 控制原理 有三种方式 一 脉冲宽度调制 Pulse Width Modulation 缩写为 PWM 开关周期恒定 通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式 二 脉冲频率调制 Pulse Frequency Modulation 缩写为 PFM 导通脉冲宽度恒定 通过改变开关工作频率来改变占空比的方式 三 混合调制 导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定 彼此都能改变的方式 它是以上二种方式的混合 自激开关电源电路图自激开关电源电路图 自激开关电源电路图 STR41090 电源属于自激式并联型开关电源 适应电网电压能力 为 150 280V 振荡过程 C808 上约 300V 直流电压经 R811 加到 N801 的 2 脚内部开关管的 B 极 同时经 T802 的 1 3 绕组加到 N801 的 3 脚内部开关管的 C 极 开关管开始 导通 电流流过 T802 的 1 3 绕组 在 1 3 绕组产生感应电压 极性为 3 正 1 负 经耦合 在 6 7 绕组也产生感应电压 极性为 7 正 6 负 此正反馈电压经 C819 R817 R816 送回到 N801 的 2 脚 使开关管电流进一步增大 雪崩的过程使开关管迅速饱和 开关管饱和期间 T802 1 3 绕组的电流线性 增大 VD821 VD822 截止 T802 储存磁场能量 由于 C819 不断被充电 使 N801 的 2 脚电压不断下降 到某一时刻 N802 2 脚上的电压不能维持内部开关管的饱和 开关管退出饱和状态 C 极电流减小 T802 各绕组的感应电压极性全部翻转 反馈绕组 6 7 脚的电压极性为 6 正 7 负 经 C819 R817 R816 送到 N801 的 2 脚 使 N801 2 脚电压进一步减小 又一雪崩过程使开关管迅速截止 开关管截 止期间 VD821 导通 在 C822 电容上形成 112V 电压 VD822 也导通 在 C824 电容上 形成 18V 电压 T802 储存的磁场能量被释放 另一方面 C819 上的电压经 R817 R816 VD812 VD813 放电 同时 300V 电压经 R811 给 C819 反向充电 这两 个因素使 C819 左端的电压回升 即 N801 2 脚的电压回升 当 2 脚电压上升 0 6V 以上时 开关管再次导通 开始下一周期的振荡 稳压电路 稳压电路由 STR41090 内 部完成 T802 的 5 6 脚为取样绕组 经 VD814 整流 C817 滤波 在 C817 上 形成取样电压 在正常情况下 C817 上的电压约为 84V 若输出电压 112V 升高 则取样 电压也必定升高 该取样电压经 R815 送到 N801 的 1 脚 通过内部调节 最终使输出电 压稳定在 112V 保护电路 R814 V801 为开关管过流保护电路 R814 串在开关 管 E 极与地之间 R814 上的压降反映了开关管电流的大小 在正常情况下 R814 上的电 压不能使 V801 导通 一旦开关管过流 R814 上的压降增大 使 V801 导通 N801 的 2 脚被 V801 短路到地 阻止了开关管过流的可能 R812 C812 为软起动电路 利用 C812 两端电压不能突变的特点 每次开机瞬间 N801 的 5 脚经 R812 瞬间接地 使 内部开关管瞬间截止 以避免在开机瞬间开关管饱和时间过长而损坏 自激开关电源电路图二 1 简介 开关电源是一种利用开关功率器件并通过功率变换技术而制成的直流稳压电源 它具有 体积小 重量轻 效率高 对电网电压及频率的变化适应性强 输出电压保持时间长 有 利于计算机信息保护等优点 因而广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备 通信设 备 是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源 开关电源又被称为高效能节能电源 内部电路工作在高频开关状态 自身消耗的能量很低 一般电源效率可达 80 左右 比普通线 性稳压电源提高一倍 目前生产的无工频变压器式中 开关电源仍然采用脉冲宽调制器 PWM 或脉冲频率调制器 PFM 的原理 本文根据 PWM 原理 利用开关管 BU508A 结合实例介绍一 种无工频变压器的反激隔离式的开关稳压电源的设计 2 主要技术参数 输入电压 AC220V 输入频率 50Hz 输入电压范围 AC165V 265V 输出电压 DC24V 2A 输出功率 48W 3 工作原理 开关电源的工作原理如图 1 所示 输入电压为 AC220v 50Hz 的交流电 经过滤波 再由整 流桥整流后变为直流 通过控制电路中开关管的导通和截止使高频变压器的一次测产生低压 高频电压 经由小功率高频变压器藕合到二次测 再经整流滤波 得到直流电压输出 为了使输 出电压稳定 用了 TL431 取样 将误差经光耦合放大 通过 PWM 来控制开关管的导通与截止 时间 即占空比 使得输出电压保持稳定 图 1 开关电源的工作原理图 4 开关电源的设计 开关电源电路图如图 2 所示 在此功率转换电路中 采用单端反激式变换器 单端是因为其 高频变压器的磁芯只工作在第一象限 按变压器的副边开关整流器二极管的接线方式不同 单端变换器可分为两种 正激式与反激式 原边主功率开关管与副边整流管的开关状态相反 开关管导通时 副边的整流二极管截止 称为单端反激式 当原边加到高电平激励脉冲使 Q1 导通 直流输入高频变压器的原边两端 此时因副边是上负下正 使整流二极管截止 当驱动脉 冲为低电平使 Q1 截止 原边两端极性反向 使副边绕组两端变为上正下负 则整流二极管被 正向导通 此后变压器副边的磁能向负载释放 因此单端反激式变换器只是在原边 Q1 导通时 储存能量 当它截止时才向负载释放 故高频变压器在开关过程中 既起变压隔离作用 又是电 感储能元件 在交流电源的输入端接入的电磁干扰滤波器 由共模扼流圈 L1 C2 和 C3 构成 C2 和 C3 的中点应接地 用来抑制共模干扰 C1 用来滤波 滤除串模干扰 电容量较大 鉴于开关管 BU508A 在关断的瞬间 高频变压器的漏感会产生尖峰电压 利用 C8 R3 和 D1 组成钳位电 路 C9 的作用是滤除开关管集电极的尖峰电压 决定自动重启动频率 C9 和 R4 一起对控制 回路进行补偿 同时 C9 和 R4 还起原边快速复位的作用 能有效的保护开关管不被损坏 图 2 开关电源电路图 4 1 开关电源的开关控制部分 开关电源其核心是开关控制部分 主要工作过程是通过图 2 中 B 点和 C 点电压的高低来 控制主功率开关管 Q1 导通和截止的时间 即占空比的大小 当 Q1 截止时 A 点为高电平 C5 对 Q1 放电 使 B 点电位迅速提高 使开关管 Q1 基极电位高于发射极 因而 Q1 饱和导通 并 对 C5 进行充电 而此时的电流为变压器原边电流与 Q1 导通时的电流之和 所以流经 R5 的 电流值很大 C 点电位升高 饱和导通使 A 点电位下降 Q1 也就截止 D2 和 D3 作用是在 Q1 导通时 使 C 点电位不致很高 否则 C5 的放电时间过长 使 Q1 关 断时间 toff 过大 而 Q1 导通时间 ton 保持不变 这样频率变低 若 Q1 导通时 C 点提升太高时 才 将 Q1 变为截止 此时 D2 和 D3 正向导通 C 点的电位降低 使得 C5 放电时间很短就能将使 Vb Vc 使 toff 也很小 因而可以使频率达到很高 4 2 PWM 调节部分 Q1 导通时 绕组 N2 上正下负 C10 吸收刚放电时的尖峰电压 防止二极管 D10 正向导通 损坏 D10 正向导通 使 B 点电位升高 从而使 Q1 更快饱和导通 同时 Q2 导通 再使 Q3 也导 通 B 点电压下降 原边线圈电流减小至截止 这时 N2 边为下正上负 D4 和 D5 导通 Q4 基极 变为高电位 Q4 导通 C 点电位降低 截止时间变短 而 TL431 反馈电流使流入 Q4 基极的电 流就会减小 C 点电位就下降得慢 截止时间变长 Q1 导通时 TL431 反馈电流决定 C 点电位 升高的快慢来达到稳压的目的 C12 是用来保护 Q3 在截止时反向峰值电压过高 而损坏 Q3 反馈控制就是将取样电压与基准电压比较 转化为电流 再经电流放大来调节 ton 与 toff 来控 制占空比从而达到稳压的目的 R12 是输出电压的最小负载 防止负载空载时电压太高 用于提高轻载时的电压调整率 C17 可适当的降低误差放大器的高频增益 TL431 的基准电压与输出电压 Vo 比较 在 R14 形成误差电压 从而使 IC1 的二极管产生不同的电流 R14 是 IC1 二极管的限流电阻 误差放 大的频率应由 R13 R16 VR 和 C17 决定 由 C14 和 R10 构成的 RC 吸收网络 能消除高 频自激振荡 减小射频干扰 4 3 高频变换器部分 由于高频变压器原边在单位时间里提供的功率与 ton 的平方和频率成正比 与输入原边 直流电压的平方成正比 与原边绕组匝数成反比 若不考虑变压器的消耗 由能量守恒可得变 压器副边功率 即输出的功率与变压器副边匝数 以及负载无关 只由原边提供的功率决定 因 此要得到不同的输出功率 就只有靠改变高频变压器原边的功率 改变 ton 对输出功率的影响 最大 但受到磁通复位条件的限制不宜较大的改变 要改变输入原边的直流电压 只能改变前 面电路的滤波电感与滤波电容等参数 还可以在前面加入一个电位器 也能改变直流电压 而 频