SPS电路基础最新.ppt

QEofPlant2Richard Zhang1 Nov 2003 THEBASICTHEORYOFPOWERSUPPLY 3rdTHEBASICSTRUCTUREOFSPS 2THEPOPULARTOPOLOGIESOFSPS 1stTHEPRELIMINARYKNOWLEDGEOFSPS ListofContents 4thTHEANALYSISOFSPSCIRCUIT 5thTHEKEYWAVEFORMSOFSPSCIRCUIT 6thAUTHORSWORDS nd PWM PulseWidthModulation脈寬調制方式 目前PWM用得較多 基本的脉冲宽度调制波形定义如下 THEPRELIMINARYKNOWLEDGE PFM PulseFrequencyModulation脈頻調制方式 占空比 TransformerOperation變壓器工作 N2為變壓器次級繞組 L2 匝數 N1為初級繞組 L1 匝數 變壓器看作理想變壓器時 輸入功率Pi等于輸出功率Po 變壓器匝數比N N1 N2 則有 V1N1 V2N2 N I1N21 I2N1 N 我們可以用万用表電阻檔來測變壓器初次級繞組 若測得阻值為無窮大 則可判斷繞組開路 若測變壓器初次級間繞組電阻為0 變壓器短路 DiodeOperation二極管工作 二極管V A特性曲線 二極管 二極管的V A特性曲線第一象限為正向特性曲線 當正向電壓加到一定值 正向電流迅速增大 此電壓稱為死區電壓 硅管死區電壓為0 5 0 7V 鍺管為0 1V 0 3V 二極管的V A特性曲線第三象限為反向特性曲線 當反向電壓加到一定值 反向電流迅速增大 二極管處于電擊穿狀態 穩壓二極管工作在此象限 二極管的單向導電性 流過二極管的電流只能從正极流向負极 不能從負極流向正极 因此二極管的單向導電性決定二極管正向電阻小 反向電阻大 我們可以用万用表電阻檔來測量二極管正向電阻和反向電阻以檢驗二極管的單向導電性 一般二極管反向電阻值為無窮大 它若小于等于或僅略大于正向電阻值 我們可以判斷管子已損坏 注 數字萬用表的紅表筆接表內電池正極 黑表筆接負極 模擬万用表相反 在開關電源中 要求二極管正向壓降低 快速恢复 有足夠的輸出功率 我們常用高效快速恢复二極管和肖特基勢壘整流二極管 ProgrammableVoltageReferenceOperation A極 陽極 Anode K極 陰極 Cathode R極 參考極 Reference 若輸入電壓 in升高時 R極的電壓也會相應升高 會增大 最終導致 減小 輸出穩定 臺達電源常用的基准穩壓器有TL431 TL431的 極小于 時它不工作 當大于 時 L431穩壓 輸出電壓范圍在 V与36V間 我們可以用萬用表的電阻檔測量穩壓管的反向電阻來判別它的好壞 若反向電阻很小 則它被擊穿 基准電壓穩壓器工作 TransistorOperation晶体管工作 NPN管PNP管 三極管 晶体管 可分為NPN管和PNP管 三極管輸出特性曲線是在i一定的情況下 u與的曲線關系 它的工作狀態分為三個區 截止區 放大區 飽和區 三極管輸出特性曲線 B CE iCE 三極管內部由三個區兩個結构成 基區和發射區的PN結是發射結 基區和集電區的PN結為集電結 三極管內部等效為兩個二極管 等效圖見上 我們可以用万用表的電阻檔測量三極管兩結的正反向電阻來判別管子的好坏 測量方法跟測二極管相同 同時我們也可以用三極管的放大特性來分辨c e極 三極管作為開關管時 它交替工作在飽和區和截止區 當管子處于截止狀態時 ce極間的內阻很大 相當于開關斷開 當管子處于飽和狀態時 ce極間的內阻很小 相當于開關接通 MOSFETOperationMOS場效應管工作 N溝道P溝道 MOSFET輸出特性 MOSFET可分為 溝道兩种 G 柵極 Gate 源極 Source 漏極 Drain 上圖中箭頭方向表示載流子移動方向 溝道類型電子流出源極 溝道類型空穴流出源極 輸出特性分為三個區域 可調電阻區 II飽和區 III雪崩區 MOS管利用溝道的導通和夾斷 可當作模擬開關用 在發生預夾斷前 具有可調電阻的特點 MOS管的柵極處于絕緣狀態 所以輸入阻抗很大 我們可以用萬用表電阻檔測 間的正向電阻值來判定極性 其余任意兩極間電阻值為無窮大 注意不要重復測量以免使得管子產生感應電壓擊穿二氧化硅絕緣層而損坏 IGBTOperation絕緣柵雙極晶体管工作 N IGBT符號簡化等效圖 IGBT將MOSFET和 TR的优點集于一身 既有輸入阻抗高 開關速度快 熱穩定好的特點 它相當于由一個MOSFET驅動厚基區 TR IGBT的開通與關斷是由柵極電壓來控制 柵極加正電壓時 MOSFET形成溝道 為PNP晶体管提供基極電流 使IGBT導通 IGBT的柵極加負電壓時 MOSFET溝道消失 PNP晶体管基極電流被切斷 IGBT關斷 測量IGBT好壞的方法跟測MOS管一致 Voltage egulatorsOperation集成穩壓器工作 系列 系列 常用集成穩壓器有78系列和79系列 78 系列穩壓器是正電壓穩壓器 輸入輸出都為正 79 系列穩壓器是負電壓穩壓器 輸入輸出都為負 后面 表示輸出電壓大小 例如 CW7805它的輸出電壓為 V 1 防止產生自激震蕩 2 改善穩壓負載的瞬態效應 即瞬時增減負載電流時 不致使輸出電壓有較大的波動 輸入電壓 i須小于穩壓器所允許的最大輸入電壓 但要比穩壓器的輸出電壓 out大2 3V OptocouplerOperation光耦合器工作 光耦合器的工作原理比較簡單 在光耦合器的陰极和陽极 集電極和發射極加上電壓 當 f增大到能使初級發光二極管導通時 初級二極管便發光 次級光敏三極管接受到光后導通 Ic增大 Optocoupler 光耦合器表現為較強的電流轉換率 低耦合電容 高絕緣電壓等特征 台達選用光耦合器型號有SFH610A 615A 617A 耐壓可達5300Vrms 我們可以用萬用表電阻200M檔測1 2腳正向電阻 其余任意腳間阻值為無窮大 SFH610A CapacitorsusedinSPS用在SPS中的電容 線路濾波器用電容器 SPS初級有抑制外來干扰噪聲進入和內部噪音外出的濾波器 其中有抑制正態噪聲 電容和抑制共態噪聲 電容 吸收電容器 吸收晶体與二極管開關工作以及變壓器與接線等電感產生的浪涌 用來保護開關元件 平波電容器 用來平滑紋波電流 旁路電容器 濾除高開關頻率噪聲 TheMostPopularTopologies最常见的拓扑结构 Buck降压Boost升压Buck Boost降压 升压Forward正激Two TransistorForward双晶体管正激 Push Pull推挽HalfBridge半桥FullBridge全桥RingingChokeConverter振鈴扼流變換 Buck降压 theinputvoltagetimesthedutyratio D oftheswitchisoutputvoltage 输出电压为输入电压乘以开关的负荷比 D 左圖中設D值為1 3 則輸出電壓Vout Vin D 15 1 3 5V Inductorcurrentiscontinuous 电感电流连续 Whentheswitchisturnedon inductorcurrentflowsfromthebattery 接通时 电感电流从电池流出 Whenswitchisturnedoff itflowsthroughthediode 开关断开时电流流过二极管 Inputcurrentisdiscontinuous chopped andoutputcurrentiscontinuous smooth 输入电流不连续 斩波 输出电流连续 平滑 1ContinuousConduction连续导电 2CriticalConduction臨界導電 Inductorcurrentisstillcontinuous butitjustdropintozerowhiletheswitchisturnedonagain Thisiscalledas criticalconduction 这被称为 临界导电 Powerstoredininductorisjustallused OutputvoltageisstillequaltotheinputvoltagetimesD 输出电压仍等于输入电压乘以D upatcriticalconduction 电感电流仍然是连续的 只是当开关再次接通时 达到 零 儲存在電感中的能量正好在 臨界導 電時 全消耗掉 3DiscontinuousConduction不连续导电 Inthiscase thecurrentintheinductoriszeroduringeachpartofperiod 在这种情况下 电感中的电流在每个周期的一段时间中为零 Outputvoltageisstill asalways theaverageofv1 输出电压仍然 始终 是v1的平均值 OutputvoltageisNOTtheinputvoltagetimesthedutyratio D oftheswitch 输出电压不是输入电压乘以开关的负荷比 D Whiletheloadcurrentisbelowthecriticalvalue Dvarieswithloadcurrent whileVoutremainsconstant 当负载电流低于临界值时 D随着负载电流而变化 而Vout保持不变 Inthisexample Vin 5 D 1 3Vo Vin 1 D 7 5v Buck Boost降压 升压 Inputcurrentisdiscontinuous chopped 输入电流不连续 斩波 Outputcurrentisalsodiscontinuous chopped 输出电流也不连续 斩波 Outputisalwaysinvertedfromtheinput Becareofthepolarityofcapacitor butitsaltitudecanbelessormorethaninput 输出总是与输入反向 注意电容的极性 但是幅度可以小于或大于输入 Thetransformer coupledversionofthebuck 降压电路的变压器耦合形式 Discontinuousinputcurrent smoothoutputcurrent 不连续的输入电流 平滑的输出电流 Theoutputcanbelessormorethantheinputandofeitherpolaritybecauseofthetransformer 因为采用变压器 输出可以大于或小于输入 可以是任何极性 Multipleoutputsareaccessiblethroughaddingsecondarywindingsandcircuits 增加次级绕组和电路可以获得多个输出 Thetransformercoremustberesetduringeachswitchingcycle Apopularwaytoresolveistoaddanotherwindingwiththesamenumberofturnsastheprimary 在每个开关周期中必须对变压器磁芯去磁 常用的做法是增加一个与初级绕组匝数相同的绕组 Energystoredintheprimaryinductanceduringthe on timeoftheswitchisdischargedthroughtheextrawindinganddiodeduringthe off time 开关接通阶段存储在初级电感中的能量 在开关断开阶段通过另外的绕组和二极管释放 Forward正激 Two TransistorForward双晶体管正激 Thetwoswitchesoperatesimultaneously 两个开关同时工作 Whentheyareturnedoff theenergystoredinthetransformerreversesthepolarityoftheprimary causingthediodestoconduct 开关断开时 存储在变压器中的能量使初级的极性反向 使二极管导通 Majoradvantages 主要优点 Thevoltageoneachswitchneverexceedstheinputvoltage 每个开关上的电压永远不会超过输入电压 Noresetwindingisneeded 无需对绕组磁道复位 Push Pull推挽 Theswitches FETs aredrivenoutofphaseandpulse widthmodulated PWM inordertoregulatetheoutputvoltage 开关 FET 的驱动不同相 进行脉冲宽度调制 PWM 以调节输出电压 Goodtransformercoreutilization poweristransferredonbothhalf cycles 良好的变压器磁芯利用率 在两个半周期中都传输功率 Full wavetopology sotheripplefrequencyofoutputistwicethetransformer s 全波拓扑结构 所以输出纹波频率是变压器频率的两倍 VoltagestressontheFETsistwicetheinputvoltage 施加在FET上的电压是输入电压的兩倍 Half Bridge半桥 Theswitches FETs aredrivenoutofphaseandpulse widthmodulated PWM toregulatetheoutputvoltage 开关 FET 的驱动不同相 进行脉冲宽度调制 PWM 以调节输出电压 Goodtransformercoreutilization poweristransferredonbothhalf cycles And primarywindingutilizationisbetterthanpush pull 良好的变压器磁芯利用率 在两个半周期中都传输功率 而且初级绕组的利用率优于推挽电路 Full wavetopology outputripplefrequencyistwicethetransformerfrequency 全波拓扑结构 所以输出纹波频率是变压器频率的两倍 VoltagestressedontheFETsisequaltohalfoftheinputvoltage 施加在FET上的电压是输入电压的一半 RingingChokeConverter振鈴扼流變換 Tobeginwith thetransistor VT issuppliedwithoperationvoltageviaR 開机 in通過電阻 向 T提供工作電壓 VT導通 InducedvoltageonNBcauseVTtosaturatequickly NB上感應電壓使VT迅速飽和 Aftersaturation VTdon tworkduetothedescendingvoltageonNB Insequence InducedvoltageonNBincreasegradually VTwillstartworkingonceagain 飽和后 NB上無感應電壓 VT截止 NB上感應電壓又逐級上升 然后又重新啟動 產生循環震蕩 RCC電路 EMI 開關變壓器 整流濾波 穩定度 保護控制 PWM 開關管 整流濾波 DC輸出 ACINPUT AC DC AC DC OUTPUT STRUCTURE EMI電路 EMI ElectroMagneticInterference 電磁干扰 電磁干扰產生的噪聲有輻射噪聲和傳導噪聲 對于電源主要考慮傳導噪聲 噪聲分為共模噪聲和差模噪聲 對于單相電源 輸入側有兩根交流線和一根地線 兩根交流線和地線產生的噪聲為共模噪聲 兩根交流線之間產生的噪聲為差模噪聲 CX1和CX2是X電容器 用來消除差模噪聲 L1 FL1是差模扼流圈 CY1 CY2 CY3和CY4是 電容器 用來消除共模噪聲 F1是保險絲 NTC1是熱敏電阻 呈負溫度系數變化 溫度越低阻值越大 它用來抑制開机浪涌電流 R1A R1B和R1C是泄放電阻 通過EMI電路 我們可以有效地抑制電网的噪聲對SPS的干扰 同時又可以阻止SPS產生的干扰信號竄入電网 橋式整流濾波電路 輸入電壓通過橋式整流堆CR1整流和平波電容C1濾波后得到 300V直流電壓 C2 C11 C12為瓷片電容 用來濾除高頻干扰 1為突波吸收器 輸入電壓過高會爆炸 得以達到保護平波電容器的作用 R2A R2B R2C R2D是泄放電阻 關機時用來泄放C1上的殘余電荷 R4A R4B是保險電阻 阻值較小 流過的電流很大時便會燒斷 達到保護目的 高功率因數變換器采用扼流圈方式 當負載增大時 通過PFC的作用使交流電壓轉換成方波電壓送到CR1輸入极 從而加大整流橋的導通角 使得功率因數增大 開關管工作 首先由IC1 UC38436 產生方波作為開關管的驅動電平送入Q1的G極 控制Q1處于開關狀態 使得開關變壓器進行電 磁 電轉換 D1 D2 C13 L2 C4是恢复電路 當Q1導通時開關變壓器磁通增大 Q1截止時通過恢复電路釋放存儲能量 R5A R5B和R10是過流檢測電阻 R7 R8為柵極限流電路 D3加速Q1柵極的電荷釋放 使方波下降沿更直 R19是接地電阻 保護G極受靜電擊穿 R11和C10 C18确定工作頻率 UC38436的3腳接收檢測電流 6腳為方波輸出腳 8腳為參考電壓輸出腳 1腳為補償腳 通過外圍電路來補償內部誤差放大器頻率特性 2腳為次級取樣反饋 7腳電源輸入腳 5腳接地 Standby電路與穩壓電路 Standby電路采用RCC拓扑結构 R910為保險電阻 R953 C952 D952是去漏磁元件 R951A R951B為Q902提供靜態工作電壓 D951 C951 T901的4 5繞組向IC1提供工作電壓 Q901通過R906 R905得到檢測電流 R902 C902耦合D951負極電壓使Q902G極接近方波 ZD902 ZD903穩壓 Q902G極通過啟動電壓后導通 T901存儲能量 R906上電壓升高 當升高到一定值時 Q901導通 拉低Q902G極電位使其截止 R906上電壓隨Id減小而減小 使Q901截止 Q902導通 這樣反复循環形成震蕩 穩壓電路通過IC501去控制光耦合器回饋達到穩壓效果 若電壓升高 IC501導通 IC2初級流過電流大 使得次級導通 流入Q901的基極電流變大 Q901導通 Q902截止 最終使得輸出電壓減小 整流濾波電路 CR151 CR101 CR102 D251 D252都是次級整流二極體 L101為儲能電感 R152A等都為泄放電阻 C103 C152等都是濾波電容 IC7912 IC7905是 12 5V穩壓器 L102是輸出扼流圈 當開關管導通時 次級繞組感應電壓 通過CR151正向二極管一方面向L101儲能 另一方面向負載輸出電壓 當開關管截止時 次級繞組極性變反 CR151反向二極管導通作為L101的續流二極管 提供L101釋放能量的通道 使其向負載輸出電壓 12V和 5V分別由集成穩壓器7912和7905穩壓后直接得到 3 3V輸出與風扇電路 3 3V輸出是由開關變壓器次級8 12繞組輸出電壓通過L301磁放大后再進行整流濾波處理得到 CR301為整流二極體 L302 L303為儲能電感 C303 C304為平波電容器 C301R301用來濾除高頻干扰 由IC301 Q301等核心元件組成的反饋電路用來改善L301磁放大后的波形 見后 D302為削波二極管 風扇電路則由熱敏電阻NTC601和Q161組成的共集電极放大電路組成 NTC601鑲在散熱片上 NTC601為負溫度系數變化的熱敏電阻 如果散熱片上溫度過高 NTC601電阻阻變小 使得流入Q161的基極電流變大 從而使接在風扇兩端電壓增大 風扇加速旋轉 保護電路 保護電路由DWA101N及周邊電路組成 DWA101N的1腳為PG輸入 2腳為地 3腳為故障保護輸出 4腳開關輸入 5腳為12V過流保護輸入 6腳為電流感應調節 7腳為5V過流保護輸入 8腳為3 3V過流保護輸入 9腳為過流保護電源輸入 10腳為12V欠過壓保護輸入 11腳為3 3V欠過壓保護輸入 12腳為5V欠過壓保護輸入 13腳為IC電源輸入 14腳為PG PowerGood 輸出 5V和 12V的欠過壓保護電路由D604 D605 Q163等組成 通過改變12腳電壓來達到保護效果 次級輸出通過D601和R601進行電流采樣 C601等濾波后作為PGI送入1腳 將主電壓5V 12V 3 3V送入相應保護腳進行欠過壓保護 將輸出扼流圈前的電壓送入相應電流保護腳進行過流保護 整機電路分析 SPS接入電源后會得到300V的B 電壓 Standby電路工作 會產生 5Vsb電壓向IC701供電 整机處于待机狀態 當IC701的PS ON為低電平時 RemoteOn IC701的3腳輸出低電平 光耦合器IC3工作 在次級會拉低Q3的基極電位 使得Q3導通 IC1得到工作電壓開始工作 產生方波信號驅動Q1使其處于開關動作 SPS輸出電壓 輸出電壓正常后 由12V輸