开关电源原理

开开关关型型直直流流稳稳压压电电源源原原理理 通常 我们将能够持续提供电能的装置称为电源 在所有的用电器中都必须要使用电源 按照电流变化的性质不同我们可以将电源大体分为交交流流稳稳压压电电源源和直直流流稳稳压压电电源源两种 其中 交流稳压电源又可分为参数调整 谐振 型 自耦 变比 调整型 开关型交流稳压电源 直流稳 压电源又可以分为化学电源 如电池 线性稳压电源 开关型直流稳压电源等几种 下面我们着 重要讲述的是开关型直流稳压电源的工作原理及实际应用 第第一一节节开开关关电电源源的的基基本本原原理理和和特特点点 开关型直流稳压电源的基本构成如图1 1所示 由图可见 这种电源没有电源变压器 而是将 电网交流电压直接整流 再加到DC DC变换器上 变换器是一个由调整管等组成的高频变换电路 由控制电路送出一定周期的脉冲控制信号 使调整管不断的导通和截止 于是输入的直流电压被变 换成矩形脉冲电压 再通过高频变压器耦合 将次级矩形脉冲电压整流滤波 即可获得稳定的直流 电 图1 1 开关电源的基本构成 从次级获得的直流电压实质上是矩形脉冲的平均分量 其大小为 Uo T1 T Ui 式中 T1表示调整管的导通时间 T为脉冲周期 T1 T称为脉冲占空比 由此可见 只要改变脉冲占空比 就可实现输出电压的调整和稳定 这种方法称为 时间比率 控制 Time Ratio Control 缩写为TRC 开关型稳压电源与线性稳压电源相比 主要差别在于变换器的调整方式不同 它不是通过改 变调整管的内阻来调整输出电压 而是通控制调整管的导通时间来实现电压调整的 调整管不是工 作在放大区 而是工作在饱和及截止区即开关状态 由于调整管工作在高频开关状态 几十千Hz至 几兆Hz 所以称之为开关管 开关式稳压电源也因此而得名 以下我们把开关式稳压电源简称为 开关电源 整 流 滤 波 电 路 DC DC变换 电 路 控 制 电 路 220V输入 UiUo Ub 反馈 开关电源的主要特点是 调整管工作在开关状态 功耗小 效率高 省去了笨重的电源变压器 电源的重量轻 体积小 稳压范围宽 在交流输入电压从60 260V变化时 都能达到良好的稳压效 果 电源自身还具有过流或过压保护功能 安全可靠 开关管的工作频率高 一般为20 50kHz 因 而滤波电容的容量可以大大减小 开关电源一般利用脉冲变压器 光耦器件使负载与输入电网隔离 属冷机芯电路 这样可以使用电器共地 避免接口电路的损坏 开关电源的类型很多 按采用的储能元件在电路的位置不同 可分为串联式和并联式两类 按 开关管是否参与脉冲产生过程来分 以可分为自激式和它激式 按TRC控制原理分 又可分为以下 三种 一一 脉脉冲冲宽宽度度调调制制 Pulse Width Modulation 缩缩写写为为PWM 开关周期恒定 通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式 二二 脉脉冲冲频频率率调调制制 Pulse Frequency Modulation 缩缩写写为为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 三三 混混合合调调制制 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 是以上二种方式的混合 下面我们将以SONY DAV机型TA WR3上使用的开关电源为例 对开关电源的电路结构及工作 原理进行详细的讲解 第第二二节节开开关关电电源源的的电电路路构构成成及及工工作作原原理理 TA WR3上使用的这款开关电源设计的额定输入电压是220 240V 50 60Hz 直流输出 5V 12V 30V三组分别供给控制 DSP电路及S MASTER功放电路 输出功率在50W左右 从电路结 构上来讲它属于它激并联式开关电源 调整方式为脉宽调制型 PWM 图2 1是这款电源的实物图片 图2 1 TA WR3开关电源实物 一一 开开关关电电源源的的电电路路结结构构 它激并联式稳压开关电源的电路结构如图2 2所示 它主要由整流滤波电路 开关变压器 调 整管 启动电路 振荡电路 脉宽调整 取样比较 误差放大电路 保护电路和输出电路等部分组 成 可以概括为五大部分 即 输入电路 脉冲振荡电路 稳压控制电路 保护电路和输出电路 在实际电路中 脉冲振荡电路 稳压控制电路 保护电路等部分通常集成在一个芯片内 常见的IC 型号有UC3842 Upc1394 TL494 在TA WR3电路中使用的是STR W6765N 下面是STR W6765N各引脚的功能 IC内部结构图见附页二 脚 D 内置开关管 外接变压器初级绕组 脚 SS OLP 过载保护电压输入端 脚 NC 空脚 脚 FB 误差放大器输入端 取样电压输入 脚 S GND 接地端 脚 OCP BD 过流保护及误差放大器输入端 脚 VCC IC电源输入端 图2 2 它激并联式电开关电源框图 二二 开开关关电电源源的的工工作作原原理理 1 输输入入电电路路 输入电路包括保险电路 低通滤波器 LPF 和整流滤波电路等几部分 如图2 3所示 保险 电路由保险管F901组成 它的主要作用是当流过保险管的电流超过额定值 3 15A 时会迅速熔断 防止后面电路的元器件因过热而损坏 图2 3 输入电路 图中R902 C901 LF901 C902 C903 C904 LF902 C905组成二级低通滤波器 也称为 EMI滤波电路 它的作用是抑制电网上来的外界高频干扰信号 同时也把开关电源本身产生的高 整 流 滤 波 220V输入 启动 电路 开关 电路 振荡 电路 脉宽 调整 过流 保护 光耦隔离 过压保护 取样 比较 220V输入 F901 R902 C901 LF901LF902 C904 C902 C903 C905 C906 D901 频干扰进行抑制 以免污染电网 实际上它是利电感和电容的特性 使频率为50Hz左右的交流电可 以顺利通过滤波器 而高于50Hz以上的高频干扰杂波被滤波器滤除 C902 C903还起到抑制流涌电 流 保护整流二极管的作用 D901为电源整流桥堆 构成桥式整流电路 C906是电源滤波电容 整 流滤波电路的作用是直接对220V 50Hz交流电压进行整流 滤波 变成约300V左右的直流电压 在TA WR3的实际电路中 为了节约成本 只使用了一级低通滤波器 这样抑制高频干扰的效 果要稍差一点 下图 图2 4 是输入电路实物及所在电路板上的位置 2 脉脉冲冲振振荡荡电电路路 脉冲振荡电路包括开关变压器初级绕组 调整管 也称开关管 启动电路 振荡电路 脉宽调整 误差放大电路等 主要由三个回路 组成 图2 5是脉冲振荡电路的一个简化电路 图 中的开关变压器T901初级绕组L1 IC901的内置 开关管Q910和OSC电路组成振荡主回路 其作 图2 4 输入电路实物图 用是产生高频振荡 输出矩形脉冲 反馈绕组 L2 限流电阻R915 R916 分压电阻R913 R910及IC901内部误差放大器电路组成正反馈回路 为 OSC振荡主回路产生 维持振荡提供条件 R923 R924 R925 R926 R905等串联为启动电阻 它的作用是开机时为开关管的基极提供偏置电流 触发开关管开始导通 一旦启动后 由正反馈回 路维持开关管的振荡 图2 5 脉冲振荡电路简化图 图2 5所示的电路工作过程简述如下 电源接通以后 启动电阻R923 R924 R925 R926 R905为IC901第 脚提供初始工作电压 使IC901内部的脉冲振荡器开始振荡 内置开关管采用的是 场效应管 具有高输出阻抗的特点 它的漏极D接开关变压器的初级绕组L1 源极S通过IC第 脚接 地 栅极G通过内部延时电路接到OSC驱动级 当开关管得到开关脉冲后开始工作 把L1上的直流 转换成矩形脉冲 同时 L2是T901的反馈绕组 由于线圈的互感 在L2上会产生一个与L1反相的感 一级LPF 二级LPF 保险管滤波电容整流桥 OSC 整流 滤波 IC901 T901 R915 R913 R910 R923 R905 D908 D902 R906C918C907 L1 L2 C912 L3 应电压 其中一路经过D908 C912整流滤波以后供给IC901第 脚以维持IC的工作电压 另一路经 分压电阻R913 R910分压取样送入IC901第 脚进行误差比较 得出误差电压对振荡器进行控制 调整输出脉冲的宽度 可以改变开关管的导通时间 从而达到调整和稳定电路的工作状态 与初组绕组并联的C907 C918 R906 D902组成了阻尼电路 它的主要作用是防止高频自激 振荡损坏开关管 图2 6是脉冲振荡电路的实物图 图2 6 脉冲振荡电路实物图图2 7 输出电路 3 输输出出电电路路 图2 7所示为开关电源的输出电路部分 L3为开关变压器的次级输出绕组 D921为整流二极管 采用半波整流方式 C932 L901 C936组成 型滤波器 它的作用是将高频整流输出的高频脉冲变 为平滑的直流 由于是对高频滤波 所以滤波元器件的取值和体积都比较小 开关管在退出饱和到截止期间 开关变压器次级绕组L3的同名端 标黑点的一端 将变为正电 位 使整流二极管D921正向导通 L1上储存的磁能开始转换为电能向负载供电 同时对C932充电 而在开关管饱和导通期间 L3的感应电压使得D921截止 此时电容C932开始放电 靠积累的能量向 负载供电 这个过程也是L1重新储存能量的过程 C931与二极管D921并联 主要用来保护整流二极管 防止二极管被瞬间高压击穿 C933为高 频旁路电容 去除直流里面的高频干扰成份 4 稳稳压压控控制制电电路路 由式Uo T1 T Ui可知 只要调整开关脉冲的占空比 即控制开关管导通的时间 就可 以调整输出电压的高低 开关管导通时间越长 输出电压就越高 反之则低 稳压控制电路主要由取样比较 误差放大 脉宽调整等部分组成 如图2 8所示 R931 R932 R934等组成电压取样电路 IC905 PC901组成电压比较电路 其中IC905是稳压成块 它有三个端 子 第 脚接地 第 脚为电压输入端 内置基准电压 第 脚为调整端 PC901为光电耦合器 当 脚的电流增大时 端的电流也会随之增大 起到误差放大及电气隔离的作用 检测到的 信号经IC901第 脚送入内部的误差放大及脉宽调整电路 对脉冲的占空比进行调整 从而达到调整 和稳定输出电压的目的 IC901开关变压器 T901 L1 L2 L3 D921 C931 C933C932C936 L901 图2 8 稳压控制电路 下面简单地介绍一下稳压控制的过程 当输出电压Uo上升时 取样电阻R934两端的电压也会随之上升 IC905第 脚电压也会上升 而IC905的第 脚与第 脚的电压成反比 所以第 脚电压降低 致使PC901 脚的导通电流增大 光电控制PC901的 脚电流也增大 然后通过IC901第 脚送入内部误差放大器的同相输入端 经 过放大后控制OSC对脉冲宽度进行调整 使脉冲宽度变窄 从而缩短开关管的导通时间 抑制输出 电压的升高 这样就形成了一个实时监控的控制环路 可以确保输出高稳定度的直流电压 5 保保护护电电路路 当电源或负载因某种原因损坏会导致电流猛增 为防止过热烧坏开关管 变压器或其它电子元 器件造成产品安全事故 从而在电源内部电路设置了相关的保护电路 保护电路主要有过流保护和 过载保护两种 前面我们提到的分压电阻R913 R910同时也是负反馈过流保护元件 当输出端过载或短路时 开关变压器初级绕组L1电流会增大 相应地L2也会随之增大 从而导致R910上的电压上升 经IC901 第 脚送到IC内部的OCP电压比较器的反相输入端进行比较 如果输入电压超过设置的基准电压 则电压比较器电平翻转 再通过OLP电压比较器电平翻转控制开关管截止 使开关电源停止工作 在TA WR3的电路中 IC901的第 脚还单独引入了一组过载保护电路 如图2 9所示 其中PC903为输出端的电压取样器件 开关三极管Q902 Q903起开关控制作用 具体工作过程 如下 当输出端负载过轻 开路或因某种原因电压上升时 稳压二极管D933二端电压升高反向击穿 使PC903 脚电压上升 同时 脚阻抗变小 电流增大 从而使Q902正偏饱和导通 然后经过 R920 D913限流稳压达到IC901的第 脚 控制内部的OLP电压比较器电平翻转 开关管截止 使开 关电源停止工作 在初级回路还有一路通过电阻R921 TH902对IC901 VCC进行取样监控 当温度上升时 热敏 电阻TH902阻抗开始增大 使Q903基极电位上升 当电压达到0 7V时出现正偏 Q903对地导通 从 而Q902基极电流增大开始导通 最终控制开关管截止 OSC IC901 R915 R913 R910 D908 L1 L2 C912 L3 R912 IC905 R938 R934 R932 R931 PC901 图2 9 保护电路 第第三三节节开开关关电电源源的的发发展展和和趋趋势势 1955年美国罗耶 GH Roger 发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器 是实现高频转换 控制电路的开端 1957年美国查赛 Jen Sen 发明了自激式推挽双变压器 年美国科学家们 提出取消工频变压器的串联开关电源的设想 这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径 到了 年由于大功率硅晶体管的耐压提高 二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善 终于 做成了 千赫的开关电源 目前 开关电源以小型 轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设 备 通信设备等几乎所有的电子设备 是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式 目 前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的 kHz 用 制成的500kHz电 源 虽已实用化 但其频率有待进一步提高 要提高开关频率 就要减少开关损耗 而要减少开关 损耗 就需要有高速开关元器件 然而 开关速度提高后 会受电路中分布电感和电容或二极管中 存储电荷的影响而产生浪涌或噪声 这样 不仅会影响周围电子设备 还会大大降低电源本身的可 性 其中 为防止随开关启 闭所发生的电压浪涌 可采用R C或L C缓冲器 而对由二极管存储电 荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器 不过 对1MHz以上的高频 要采用谐振电 路 以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波 这样既可减少开关损耗 同时也可控制浪涌的 发生 这种开关方式称为谐振式开关 目前对这种开关电源的研究很活跃 因为采用这种方式不需 要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零 而且噪声也小 可望成为开关电源高频 化的一种主要方式 当前 世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究 OSC IC901 R915 R913 R910 D908 L1 L2 L3 R921 PC903 R945 D933 R R OLP OCP TH902 Q903 Q902 R920 D913 1955年美国罗耶 GH Roger 发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器 是实现高频转换 提出取消工频变压器的串联开关电源的设想 这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径 前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的 kHz 用 制成的500kHz电 开开关关型型直直流流稳稳压压电电源源原原理理 通常 我们将能够持续提供电能的装置称为电源 在所有的用电器中都必须要使用电源 按照电流变化的性质不同我们可以将电源大体分为交交流流稳稳压压电电源源和直直流流稳稳压压电电源源两种 其中 交流稳压电源又可分为参数调整 谐振 型 自耦 变比 调整型 开关型交流稳压电源 直流稳 压电源又可以分为化学电源 如电池 线性稳定电源 开关型直流稳压电源等几种 下面我们着 重要讲述的是开关型直流稳压电源的工作原理及实际应用 第第一一节节开开关关型型直直流流稳稳压压电电源源的的种种类类 开关型直流稳压电源的电路型式主要有单端反激式 单端正激式 半桥式 推挽式和全桥式 它和线性电源的根本区别在于它变压器不工作在工频而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹 调整管 不是工作在放大区 而是工作在饱和及截止区即开关状态 开关电源因此而得名 开关电源的主要优点是体积小 重量轻 稳定可靠 缺点相对于线性电源来说有纹波较大 一般 1 VO P P 好的可做到十几mV P P 或更小 成本较高 它的功率可自几瓦至几千瓦均 有产品 价位一般为3元至十几万元 瓦 下面就一般习惯分类介绍几种开关电源 1 1 AC DC电电源源 此类电源也称一次电源 它