开关电源：单管自激,反激,推挽,半桥,全桥

开关电源：单管自激，反激，推挽，半桥，全桥开关电源：单管自激，反激，推挽，半桥，全桥 单端正激式开关电源单端正激式开关电源 正激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正被直流电压激励 时，变压器的次级线圈正好有功率输出。它是在 BUCK 电路的开关管 Q 与续 流二极管 D 之间加入单端变压隔离器而得到的。它具有以下优点： 1) 正激变换器利用高频变压器的一次侧、二次侧绕组隔离的特点，可以方 便的实现交流电网和直流输出之间的隔离。 2) 正激变换器电路简单，成本很低，能方便的实现多路输出。 3) 正激变换器只有一个开关管，只需一组驱动脉冲；其对控制电路的要求 比双端变换器低。 图 2.4 单端正激式开关电源 单端反激式开关电源单端反激式开关电源 反激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流电压激励 时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的 激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式 开关电源。反激式开关电源是在反极性（BuckBoost）变换器的基础上演 变而来的，它具有以下优点： 比正激式开关电源少用一个大储能滤波电感及一个续流二极管，因此，体积 比正激式开关电源的要小，且成本也要低。 图 2.5 单端反激式开关电源 推挽式开关电源推挽式开关电源 在双激式变压器开关电源中，推挽式开关电源是最常用的开关稳压电 源。由于推挽式变压器开关电源中的两个控制开关 S1 和 S2 轮流交替工作， 其输出电压波形非常对称，而且开关电源在整个工作周期之内都向负载提供 功率输出，它在输入电压很低的情况下，仍能维持很大的功率输出，所以推 挽式变压器开关电源被广泛应用于 DC/AC 逆变器，或 DC/DC 变换电路中。它 具有以下优点：功率开关器件的发射极是共地的，所以无须隔离基极驱动电 路；推挽式开关电源变压器的漏感及铜阻损耗很小，因此其工作效率很高。 图 2.6 推挽式开关电源 半桥式开关电源半桥式开关电源 半桥式变压器开关电源属于双激式变压器开关电源，从原理上来说，半 桥式变压器开关电源也属于推挽式变压器开关电源，它是多种推挽式变压器 开关电源家庭成员之一。在半桥式变压器开关电源中，也是两个控制开关管 S1 和 S2 轮流交替工作，开关电源在整个工作周期之内都向负载提供功率输 出，因此，其输出电流瞬间响应速度很高，电压输出特性也很好。由于半桥 式变压器开关电源的两个开关器件工作电压只有输入电压的一半，截止开关 管极间承受的电压低；抗不平衡能力强，因此，半桥式变压器开关电源比较 适用于工作电压比较高的场合。 图 2.7 半桥式开关电源 全桥开关电源全桥开关电源 全桥式变压器开关电源也属于双激式变压器开关电源。它同时具有推挽 式变压器开关电源电压利用率高，又具有半桥式变压器开关电源耐压高的特 点。因此，全桥式变压器开关电源经常用于电压高，输出功率大的场合。全 桥式变压器开关电源工作原理图如下。图中，K1、K2、K3、K4 是 4 个控制开 关管；开关管 K1 和 K4，K2 和 K3 同时开通和关断，两对开关管以 PWM 方式 交替的开通和关断。它具有以下优点：对 4 个开关器件的耐压要求比推挽式 对 2 个开关器件的耐压要求可以降低一半；全桥式开关电源的输出功率要比 推挽式开关电源的输出功率大很多且其变压器的初级线圈只需要一个绕组。 图 2.9 全桥开关电源 L N G SCK054 IN 110VAC 1.9A S-100-24 MWMW RT 3A250V FS C1 0.1 630V 1/2W 580k R13 TF-096 C2 C3 L1 222M 2kV x2 外壳/大地 2NR1 TNR 15G471K u C4 0.1 630V BD1 D3S B-60 -0.5 + C5 220u 200V + C6 C28 200V 110V 220V SW + o - T1 C7 1.0K 250V R1 R2 150k 1/2W Q1 150k 1/2W R3 2SC2625 Q2 2SC2625 100R 2W C8 102 1kV D5 FR155 103 1kV 220u D6 FR155 R32 L2 +V COM COM +V D18 FMX 12S 22R1/2W R33 22R1/2W C20 102 1kV C21 102 1kV 100V C23 470u 35V x5 TF-09 103 + C22 + + + + 1k 2W C25C242NR2C26 R37 4.3k LED1 R6 15R D7 T028 + C10 4.7u50V R5 3.9k R7 2.2R1/2W R39R4 150kx2 R10 15R D8 T028 + C114.7u50V R9 3.9k R11 2.2R1/2W R40R8 150kx2 T2 TF-020 IC1 1 1 IN+ 3 F EEDBACK 2 1 IN-2IN- 15 2IN+ 16 REF 14 4 D TC OUTPUT TL494CN 5 C T 7 G ND 6 R TC2 11 Vcc 12 E2 10 8 C 1E1 9 CT RL 1 3 Q3 C1815 Q4 C1815 + C13 50V 4.7u D15 D16 1N4148x2 D14 1N4752 D13 1N4752 R19 3.9k R18 1.5k R17 3.9k R16 1.5k R20 22k C14 102 R31 22k C19 103 R29 681 R30 22k VR 1k C15 222 +V ADJ C27 222 R38 10k C30 103 R22 47k C16 103 R24 5.6k R23 5.6k R25 120k +C17 1u50V R21 12k + C18 22u50V D17 R26 5.6k Q5 C1815 R28 15k R27 1.5k R35 100k R35 100k + C15 47u50V D9 FR104x2 D10 Vcc 1N4148 R12 1.5k IN 220VAC 0.8A OUT 24VDC 4.5A HW.79 94V-0 S-100N-R5 2000-11-21 TL494 管脚功能及参数 1 脚为内部 1#误差放大器的同向输入端 IN1+。 2 脚为 内部 1#误差放大器的反向输入端 IN1。 3 脚为误差放大器 A1、A2输出端。集成电路内部用于控制 PWM 比较器的同相输入， 当 A1、A2任一输出电压升高时，控制 PWM 比较器的输出脉宽减小。同时，该输出端还引 出端外，以便与 2、15 脚间接入 RC 频率校正电路和直流负反馈电路，稳定误差放大器的增 益以及防止其高频自激。3 脚电压反比于输出脉宽，也可利用该端功能实现高电平保护。 4 脚为死区时间控制端。当外加 1V 以下的电压时，死区时间与外加电压成正比。如果 电压超过 1V，内部比较器将关断触发器的输出脉冲，起到保护作用。 5 脚为锯齿波振荡器外接定时电容端。 6 脚为锯齿波振荡器外接定时电阻端。 7 脚为共地端。 8、11 脚为两路驱动放大器 NPN 管的集电极开路输出端。当通过外接负载电阻引出输 出脉冲时，为两路时序不同的倒相输出，脉冲极性为负极性，适合驱动 P 型双极型开关管 或 P 沟道 MOS FET 管。此时两管发射极接共地。 9、10 脚为两路驱动放大器的发射极开路输出端，也是对应的脉冲参考地端。 12 脚为 Vcc、输入端。供电范围适应 840V。 13 脚为输出模式控制端。 外接 5V 高电平时为双端图腾柱式输出， 用以驱动各种推挽开 关电路。接地时为两路同相位驱动脉冲输出，8、11 脚和 9、10 脚可直接并联。双端输出时 最大驱动电流为 2200mA，并联运用时最大驱动电流为 400mA。 14 脚为内部基准电压精密稳压电路端。输出 5V0.25V 的基准电压，最大负载电流为 10mA。用于误差检出基准电压和控制模式的控制电压。 15 脚为内部 2#误差放大器的反向输入端 IN2-。 16 脚为内部 2#误差放大器的同向输入端 IN2+。 RT取值范围 1.8500k，CT取值范围 4700pF10F，最高振荡频率 fOSC300KHz。 TL494 在工作时， 通过 5、 6 脚分别接定时元件 CT和 RT。 经相应的门电路去控制 TL494 内部的两个驱动三极管交替导通和截止，通过 8 脚和 11 脚向外输出相位相差 180的脉宽调 制控制脉冲。工作波形如图 3-3 所示。TL494 若将 13 脚与 14 脚相连可形成推挽式工作； 若将 13 脚与 7 脚相连可形成单端输出方式。为增大输出可将 2 个三极管并联7。 电路启动过程分析：电路启动过程分析： 当接通电源后，由滤波电容器 C5 上的 150V 电压的正端输出电流，通过启动电阻 R12、 R15 分压给 V3 注入一个基极电流，这时 V3 流入的集电极电流通过发射极，又通过驱动变 压器 T1 中的 W3（T1 中间的那段绕组）电流由上往下流，又通过主变压器 T2 初级绕组由 下往上流，最后通过电容 C7，回到 C5 上的 150V 负端。C6 和 C5 类似，但流经 W3 的电流 方向相反，而幅值又相等，这样 W3 中的电流就相互抵消了，W3 中没有电流也就不能震荡 起来了。 这是一个非常重要的问题， 但是 W3 中是有电流的， 虽然 V3， V4 的外围电路相同， 元件参数也相等，所加的电压也相等，但是元件参数的分散性还是比较大的，也就是说相同 的元件，相同的参数，但是他们存在着误差，不可能完全相等，所以抵消一部分电流后 W3 中还是有电流，在 T2 的初级绕组产生幅值+150 -150 的方波。来驱动反馈变压器使 TL494 工作。 一但 TL494 正常工作，这个启动自激震荡的波形就立刻停止了。 电路启动后，R12、R15 就完成了任务，虽然在电路中没有断开，但在电路中已经不起 作用了，因为启动电阻 R1 R3 的阻值很大（一般都在 300K 以上） ，对三极管的电流很小起 不到控制作用，这样三极管的导通和截止完全受 PWM 来控制。 主电路工作过程分析主电路工作过程分析：闭合开关 S1 后，输入电压经过保险管 F1，浪涌抑制电阻 R1， 滤波器 C1、L1、C2、C3、C4 及全桥整流后送入由 C5、C6、V4、V5、T1、T2 等构成的半 桥式变换器。 开关管 V4 和 V5 在 TL494 的控制下，两管交替导通截止，将直流电转换成 高频交流电。高频振荡电压有变压去 T2 副绕组分两路输出。一路由 V13、V14、C25 整流 滤波得到约 12V 直流电压供给脉冲宽度调制器 TL494 专用，另一路则由 V12、L2、C22、 L3、C23 整流滤波作为 48V 主输出。电路中 R12、R15、R14、R17 构成启动回路，T1、V8、 V9、C12、C14、R13、R16 为正反馈元件，R4、C8 及 R29、C21 构成尖峰吸收网络，用于 改善波形及保护开关管。 在电路中，TL494 的 13 脚连 14 脚，即 U13=5V; TL494 由 8 脚和 11 脚双端输出，两 路输出脉冲相位差半个周期，送到 V2、V3 俩个驱动管，Q3 和 Q4 的导通或截止又通过驱 动变压器 T1 分别去控制两个大功率开关调整管 Q1 和 Q2 的饱和导通或截止。 C7 是耦合电容, 其作用是防止由于两个开关管的特性差异而造成变压器磁芯饱和,从而 提高半桥逆变电路的抗不平衡能力.R4 、C8 ；R29 、C21 为吸收电路，用于改善波形和保 护开关管。吸收电路就是我们通常说的“消反冲电路” ，其作用就是药消除没有用的反冲电 压。在开关稳压电压中最高的反冲电压，是在开关调整管截止时产生的，这个很高的反冲电 压， 就产生在开关变压器的初级绕组的两端， 同时也加在了开关调整管的集电极和发射机的 两端， 这样就对开关管是一个很大的威胁， 所以就将吸收电路加在开关变压器的初级绕组的 两端。 吸收电路通常能起到两个作用，那就是降低反冲电压和消除高频振荡。 C20、R26 分别接至 TL494 的 5 脚和 6 脚，使内部振荡器的震荡频率由 C20 和 R26 决定。 本电路利 用 TL494 的内部误差放大器 2 进行反馈稳压。反馈稳压过程如下： 误差放大器 2 的反向输入端 15 脚接与 14 脚和地之间的电阻 R20、R18 之间，分压后 U15=2.5V，输出电压 U0 经 R23 和（R21、RP1）分压后加到 16 脚，作为误差放大器 2 的同 向输入。当 U0 变化时，误差放大器 2 的输出电压随之改变，即与比较的电平改变，PWM 比较器输出的脉冲宽度改变，致使 TL494 输出的驱动脉冲，即开关管 V4 和 V5 的导通时间 TON 改变，从而实现调宽稳压的目的。此外，微调 RP1 可调节输出电压的数值，使输出电 压在 45V75V 之间变化。 电路利用误差放大器 1 作为过流保护。从 48V 输出主回路上取出的电流控制信号经 R24 接至误差放大器 1 的 1 脚和 2 脚上，其中反向输入端 2 脚的电位由 14 脚输出的 5V 基 准源经过（RP2，R27）和（R24，R30）分压后获得。调整 RP2 大小可控制 2 脚门坎电位， 即过流控制点。当 R30 上取出的电压信号足够大使其绝对值超过 2 脚电位时，误差放大器 1 将翻转并关闭脉冲信号输出，进而起到过流保护作用。 本电源输出的直流电压为 48V，输出电流为 03A.。 图 3-3 半桥开关电路 原理图分析：当前驱电路经过滤波后在经过桥式整流，然后电流入半桥开关 电路， 当 V1 导通时， T1 （V1 的导通时间） 的一次磁通增大， 增大的磁通为 A1; 当 V2 导通时，T2（V1 的导通时间）的一次磁通减小，减小的磁通为 A2。整个电路 中的磁通为 N（A1- A2） ，当 A2=0 时此时达到直流磁通。如果没有达到直流磁通 可能由于 C5 和 C6 的两端电压有波动以及 V1 和 V2 的导通不对称。此电路中 VD7 和 VD8 分别提供维持 V1 和 V2 三极管的发射极电流 Ib。此电路中 C10 对 V1 瞬间 从饱和转换到截止状态起装换作用；C10 对 V1 瞬间从饱和转换到截止状态起装 换作用。 3.4 驱动变压电路 3.4 驱动变压电路 如图 3-4 所示为驱动变压电路。 图 3- 4 驱动变压电路图 此变压器的型号为铁芯 EE40，匝数一次 40 二次 7，原理分析：输入的交流 电经过滤波和整流之后通过此驱动变压器将信号传到主控电路中。 3.5 主控电路设计 3.5 主控电路设计 主控电路如图 3-5 所示：它是基于 TL494 设计的，1 脚的电压为： U RRR R U O VR VR 312930 30 1 1 1 4 脚的作用是调整占空比。通过计算得出导通占空比应该在 37%左右。当 V5 导通时， 意味着 Ube0.7V 则 UO 通过计算大约为 4V 左右。 当输出电压过低时， V5 处于截止状态，当输出电压过高时，V5 处于导通状态。V5 通过调整导通占空 比来控制开关电源，对输出短路起到保护作用。 15 脚的电压为： V RR R U 5 3635 36 15 16 脚电压为： JIU O116 。通过计算可知IO大约为 29A。所以它的过载保 护电流为 29A。 图 3-5 主控电路设计 1.2.3 正激式结构正激式结构 正激式开关电源电路如图 1-6 所示，是一种采用变压器耦合的降压型开关稳压电源。加 在变压器1N绕组上的脉冲电压振幅等于电压Ui， 脉冲宽度为功率开关管VT导通时间onT的 开关脉冲序列，变压器次级开关脉冲电压经二级管D1V整流变为直流。电源中功率开关管 VT 导通时变压器初级绕组励磁电流最大值为: i 1 1 N N U IDT L (1-4) 式中:1NL表示变压器初级绕组1N的电感量； D 表示脉冲占空比； T 表示脉冲开关周期。 U1 VD1 VD2 L C RL T U0 VD3 图 1-6 正激式开关电源电路 图 1-6 中的二极管为2DV续流二极管，用以在二极管1DV由导通变为截止时将储存在电 感 L 中的磁能按原电流方向释放给负载。二极管3DV和绕组3N用以在功率晶体管 VT 断开 时对变压器进行消磁。功率开关管 VT 断开时，3N绕组同名端脉冲信号极性变负，这时励 磁能量便经3N绕组回馈到电源输入端。功率开关管 VT 断开，绕组1N中存储的能量就转移 到绕组3N中，并经3N绕组回馈到电源输入端。 正激式开关电源的特点是：当初级的功率开关管 VT 导通时，电源输入端的能量由次级 二极管1DV经输出电感 L 为负载供电；功率开关管 VT 断 开时，由续流二极管2DV继续为负载供电，并由消磁绕组3N和消磁二极管 3DV将初级绕组的1N励磁能量回馈到电源输入端。 1.2.4 反激式结构反激式结构 反激式开关电源电路如图 1-7 所示。功率开关管 VT 导通时，输入端的电能以磁能的形 式存储在变压器的初级绕组1U中，依据图中次级 N2同名端标注，二极管1DV不导通，负载 没有电流流过。功率开关管 VT 断开时，变压器次级绕组以输出电压0U为负载供电，并对 变压器消磁。 U1 VT VD1 T C RL U0N1 N2 图 1-7 反激式开关电源电路 反激式开关电源电路简单，输出电压0U既可高于输入电压1U，又可以低于1U，一般 适用于输出功率为 200W 以下的开关电源中。 1.2.5 半桥型结构半桥型结构 当要求电源输出功率比较大时可采用板桥型开关电源，其工作原理和波形如图 1-8 所 示。两个功率开关管 VT1和 VT2在开关驱动脉冲的作用下，交替地导通与截止。当开关管 VT1导通时，在输入电压iU作用下，电流经 VT1、变压器初级绕组1N和电容 C2给变压器初 级绕组1N励磁，同时经次级二极管1DV、绕组2N给负载供电。当开关管 VT1截止、VT2 导通时，输入电源经 C1、变压器初级绕组1N、开关管 VT2给变压器初级绕组励磁，同时经 次级二极管2DV给负载供电。所以，电源通过功率开关管 VT1、VT2 交替给变压器初级绕组1N励磁并为负载供电。变压器初级的脉冲电压幅度为 i2U 。同样， 电容 C1、C2上的电压也分别为 i2U 。 半桥型开关电源的自平衡能力强，不易使变压器由于 VT1、VT2的导通时间不一致而产 生磁饱和现象，导致功率开关管 VT1、VT2损坏。当 VT1、VT2的导通时间不一致时，变压 器初级1N绕组的励磁电流大小不一样，致使电容 C1、C2上的电压不相等，励磁电流越大， 则对应的电容器电压越小， 从而起到自平衡对称的作用。 由于每个功率开关管上的电压只有 输入电压iU的一半，所以要输出同样的功率，每个功率开关管中流过的电流就要增大一倍。 半桥型开关电源中需要避免功率开关管 VT1、VT2的同时导通需 使 VT1、VT2的功率开关管的导通时间相互错开，相互错开时的最小时间 称为死区时间。 Ui C1 C2 VT1 VT2 TC N2 N3 V1 V2 L C3 RUo （a）原理图 Up-p VT2 VT1 ton T （b）波形图 图 1-8 半桥型开关电源原理图与波形图 1.2.6 全桥型结构全桥型结构 全桥型开关电源工作原理图如图 1-9 所示。该电源由 4 个功率开关管 VT1、VT2、VT3、 VT4组成桥式电路，由 VT1和 VT4、VT2和 VT3分别组成两个导通回路。当 VT2、VT3的触 发控制信号有效时，VT1和 VT4的触发控制信号无效。VT2、VT3导通时，输入电源iU经 VT2、变压器的初级绕组1N和开关 VT3形成电流回路，加至变压器初级绕组的电压幅度为 电源电压iU，并经次级二极管1DV整流、滤波后输出，为负载供电。同理，当 VT2、VT3关 断，VT1、VT4导通时，输入电源iU从与 VT2、VT3导通时电流相反的方向为变压器初级绕 组1N励磁， 并通过次级绕组2N和整流二极管2V为负载供电， 这样在次级得到如图中PPU 所示的脉冲波形。 Ui VT3 VT4 T N2 N3 VD1 VD2 Up-p C RL Uo VT1 VT2 （a）原理图 Up-p VT2 VT1 ton T （b）波形图 图 1-9 全桥型开关电源原理图与波形图 和半桥型开关电源相比， 由于加在全桥型变压器初级绕组上的电压和电流比半桥开关电 源的各大一倍，在同样的电源供电电压iU下，全桥开关电源的输出功率比半桥开关电源的 大 4 倍。同样，在全桥开关电源中也存在 4 个功率开关管 VT1、VT2、VT3、VT4共态导通 的问题，这点也可以通过设置死区时间的方法来解决。 半桥变换电路工作原理 如图 2-1 所示，半桥开关变换电路就是全桥开关变换电路去掉其中的两只开关管。 Ui C1 C2 VT1 VT2 T N2 N3 V1 V2 L C3 RUo 图 2-1 半桥开关变换电路原理图 该电路的工作原理如下所述。1VT与2VT交替着导通， 使变压器一次侧形成幅值为 Ui/2 的交流电压。改变导通开关的占空比，可以改变二次侧整流电压的平均值，从而达到改变了 输出电压0U的目的。在1VT导通时，二极管1V处于导通状态；在2VT导通时，二极管2V 处于导通状态；当两个开关都关断时，变压器绕组1N中的电流为零；当1V和2V都处于导 通状态时，各分担一半的电流。当1VT或2VT导通时，电感 L 中的电流逐渐上升；当1VT 和2VT都关断时，电感L的电流逐渐下降。1VT和2VT断态时承受的最高电压为iU 3。由 于电容的隔离作用， 半桥开关变换电路对因为两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次 侧电压的直流分量有自动平衡作用，所以不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和7。 当滤波电感 L 中流过的电流连续时，输出电压的计算公式为： 2 i1 = OONUN T UNT (2-1) 半桥开关变换电路中去掉了两只开关管，采用连接两个电容分压方式，来使开关管 C-E 极之间的电压与桥式电路相同， 同时驱动电路也大大得到了简化， 只需要两组在时间轴上不 重合的驱动脉冲就能实现，两组驱动电路的参考点为各自开关管的发射极。根据上述原理， 在采用相同规格的开关管的情况下， 半桥开关变换电路的负载端电压为 Ui/2， 输出功率为全 桥开关变换电路的 1/4。半桥开关变换电路具有全桥开关变换电路所具有的全部优势，因此 其应用范围比全桥开关变换电路更为广泛。 2.2 半桥变换电路的应用 半桥变换电路可实现 DC-DC、DC-AC、AC-DC、AC-AC