自激式开关电源的原理

第三章自激开关电源的原理及应用自激开关电源利用调节管和变压器的辅助绕组形成正反馈通路实现自激振荡，然后利用反馈信号稳定电压输出。由于调节管也用作振荡管，所以不需要设置振荡器，所以电路简单，成本低，这在一定程度上简化了电路。由于自激式开关电源经济实用，所以仍有许多电子设备使用自激式开关电源，如手机充电器、打印机、自动仪器、电视和显示器等。在描述自激开关电源基本电路的基础上，本章将以变压器耦合自激开关电源的几个电路实例为载体，配合关键点的测试波形，分析其工作原理，希望带领读者进入开关电源的万千世界。3-1自激开关电源的工作原理3.1.1自激开关电源的特性1.自激开关电源目前，几乎所有由市电供电的交流DC设备都采用变压器耦合开关电源，也称为隔离开关电源。功率管周期性地打开和关闭，以控制开关变压器的初级绕组来存储输入电源的能量，并通过次级绕组释放能量。显然，开关电源的输入和输出通过变压器的磁耦合传递能量。因为变压器绕组是绝缘的，所以初级绕组是完全绝缘的，即“热地”和“冷地”是绝缘的，绝缘电阻和电阻可以达到很高，这对电力安全特别重要。如果开关管的激励脉冲是由变压器的辅助绕组和开关管形成的正反馈回路的自激振荡产生的，则称之为自激开关电源。因为自激开关电源的调节管也用作振荡管，所以不需要设置振荡器。除非另有说明，本书所述的自激开关电源是指自激变压器耦合开关电源。以下是这方面知识的介绍。2.自激开关电源的特性(1)自激开关电源结构简单，生产制造成本低。(2)自激开关电源的脉冲信号是由自激振荡产生的，它是一种不固定的变频电路。它随着输入电压和负载的变化而变化。当负载较轻时，开关频率较高或间歇振荡，当负载满时，频率会自动降低。(3)当自激开关电源的占空比D发生变化时，开关管的总数发生变化，因此D的变化范围较小，一般小于50%。(4)自激开关电源具有一定的自我保护功能。如果负载太重，反馈条件将被破坏。由于损耗过大，振荡会减弱或间歇。因此，保护电路相对简单，这是自激开关电源的主要优点。(5)自激开关电源电流峰值高，纹波电流大。由于工作频率随输入电压和负载电流的变化而变化，因此在大功率和大电流下工作时稳定性较差，因此仅适用于60W以下的低功率场合。由于许多办公设备、手机充电器和仪器都在这个功率范围内，自激开关电源的使用相当普遍。3.1.2自激开关电源的工作原理在一些文献中被称为RCC变换器。RCC指振铃扼流圈转换器，即阻尼振荡转换器。如图3-1所示，示出了自激开关电源的基本电路。是输入交流电压整流后的DC电压；它是整流电压的滤波电容。是启动电阻；VT是一个电源开关管；和与变压器的辅助绕组形成电压互感器的振荡电路；t为开关变压器，一次绕组用于一次和二次组的储能和能量耦合，辅助绕组产生正反馈信号；整流二极管VD和整流滤波电路形成输出平滑DC在初始上电时，电阻在启动电流下为电压互感器提供传导。一旦电压互感器接通，变压器的初级绕组将由于电流流动而自感，自感电动势的方向将阻止电流增加。另一方面，初级绕组同时与次级绕组和辅助绕组产生互感，次级绕组感应动态电势的方向反转二极管VD的偏置，辅助绕组感应动态电势的方向加速VT的传导。当电压互感器趋向于切断时，由于电流减小，初级绕组会产生自感。自感电动势的方向将防止电流减小(此时，初级绕组和电源电压在正向叠加)。次级绕组感应动态电位的方向将使二极管VD正向偏置，而辅助绕组感应动态电位的方向将加速VT截止。电压和电路波形如图3-2所示。在电压转换导通()期间，变压器T的初级绕组从电源电压积累能量；在电压互感器截止期间()，变压器T积累的能量释放到负载。当电压互感器从接通切换到断开时，峰值电流依次出现在变压器的初级绕组中。在图中，i1P和i2P是I1和I2的峰值电流，下标P是峰值的第一个字母。见图3-2(a)和(b)。初级和次级绕组是具有相反相位的脉冲电压，如图3-2(c)和(d)所示。整流二极管的导通压降为正脉冲，等于输出DC和二极管导通电压的叠加。最后，变压器初级绕组的感应电动势自由振荡并返回零。连接到电压互感器基座的辅助绕组也称为正反馈绕组。变压器互感产生的正反馈信号控制电压互感器的通断，这种现象称为自激振荡。从上述工作原理可以看出，自激式开关电源是由功率管和变压器作为主要元件组成的开关转换电路。通过自激振荡，直流电流在初级侧被转换成脉冲电压，通过变压器耦合到次级侧，然后通过二极管整流和电容滤波被送到负载电路。在这种电路中，功率管起着开关和振荡的双重作用，省去了控制电路，所以电路相对简单。(b)期限(a)期限图3-2电压和电流波形一般来说，开关电源的一次绕组电压高、电流小，二次绕组电压低、电流大，辅助绕组主要起正反馈控制作用，电压和电流相对较小。图3-3自激开关电源的等效电路图3-3显示了自激开关电源的分时等效电路，以及初级绕组和次级绕组的电感。在图(a)中，开关管VT接通，并且施加在初级绕组两端的电压使得次级滤波电容器放电，并且电压降低以向负载提供输出电流。在此期间，变压器T的初级绕组从DC电源吸收能量，并由电感激励。整流二极管VD中没有电流，因此变压器的初级绕组和次级绕组之间没有相互作用。在图(b)中，开关管VT被关断，并且t的初级绕组没有电流，因此在图中未示出。在此期间，初级绕组吸收的能量耦合到次级侧，整流二极管VD导通，同时对电容器充电并增加电压，向负载供电，变压器的初级绕组释放能量，电感器消磁。3.1.3自激开关电源的简单电路自激开关电源的简单电路如图3-4所示。它由电源输入滤波器、整流滤波器、启动和主开关、浪涌电压吸收、二次整流滤波器、稳压检测等电路组成。关于功率输入滤波和整流滤波，已在第二章中详细描述。以下重点介绍主开关和各种保护电路。图3-4自激开关电源的简单电路1.主开关电路由辅助绕组产生的正反馈电压根据时间常数衰减晶体管VT1的基极电流。这个周期等于VT1的集电极电流从零开始线性增加。VT1的集电极电流是变压器主绕组的电流。电感电流不会突然变化，而是从零开始线性增加。当二极管VD2两端的电压达到正向压降时，电流流过VD2。此后，由于二极管VD2的箝位效应，VT1集电极的电流继续增加。VT1电流放大系数输入整流滤波器电压-变压器主绕组电感电压晶体管基极电荷存储时间(a)基本驱动电路(b)电流波形图图3-5基本驱动电路和电流波形图在VT1的集电极电流增加到之后，它将在电荷存储在VT1期间继续增加。如果增加接近(=)，反向偏置电流被施加到VT1的基极，而VT1关断。尺寸越小，越大。如果以这种方式确定，当输入电压增加或输出电流减少时，有必要使VT1基极电流的不必要的分量流过其他电路。VT2的功能之一是为此目的进行设置(另一个目的是过流保护)，从而使输出电压保持稳定。在该电路中，辅助绕组经过VD3和整流滤波后向光耦合器(简称光耦合器)供电，输出端的电压变化通过光耦合器反馈到输入端，控制VT2分流VT1基极电流。当输出电压略微上升时，光耦合器中的发光二极管光通量增加，光电池的集电极电流增加，导致VT2的基极电压增加，集电极电流增加，形成负反馈闭环电路，降低VT1的基极电流。一旦VT1基极电流降低，集电极峰值电流也降低，变得更短，占空比降低，输出电压降低。另一方面，随着输入电压增加和输出电流减小，它变得更短，因此输入电压最高，输出电流最低。如果输入电压上升，输出电流下降到某个极限值，电路不能保持正常振荡，导致如图3-6所示的间歇振荡。这时，开关变压器会有振动噪声。为了避免间歇性振荡，必要时将虚拟负载连接到输出端。图3-6间歇振荡2.过电流保护电路当电源接通或输出短路时，光电耦合器停止工作，VT2处于关断状态，正反馈电流全部流过VT1基极。当输入电压高时，基极电流与输入电压成比例增加，开关管的集电极电流也成比例增加。这样，变压器可能达到磁饱和状态，并且VT1将由于过电流而被损坏。为了防止VT1一直在安全的工作区域工作，有必要设置一个过电流保护电路，以防止开关管的集电极不受控制地增加。如图3-7所示是几个过电流保护电路的例子。最常见的是图(a)所示的电路，它采用了一种特殊的过流保护晶体管。图(b)所示电路使用两个二极管代替晶体管，保护效果不如前者。在图(a)中，如果过电流检测电阻器的电压降接近VT2，VT2开始导通，分流VT1的基极电流，并防止VT1的电流过大。显然，电阻越小，检测到的动作电流越大。在许多自激开关电源中，电阻值低于几欧姆，功率为1 2W。即便如此，在发生短路等严重故障时，燃烧现象仍然非常普遍。在图(b)中，当VT1的基极电压大于两个二极管的串联死区电压降时，二极管导通以分流VT1的基极电流，以防止VT1的电流过大。(a)晶体管保护(b)二极管保护图3-7过流保护电路示例自激开关电源简单电路的过流保护采用图3-7(a)的方案，如图3-8所示。VT1电流放大系数输入整流滤波器电压-变压器主绕组电感电压晶体管基极电荷存储时间过电流保护VT2的值等于VT1和VT1的电压降之和，VT1基本上是常数，电压降是VT1发射极电流作用于VT1的结果。从图3-8(b)可以看出，前沿VT2的电压过冲幅度相对较大，但此时VT1的集电极电流为零。因为，这个具有相对大的过冲幅度的电压是上限的一个实施例，并且可以看出前沿的基极电流相对大(即，其初始分量)。当基极电流根据阻容时间常数衰减并进入相对稳定的值时，集电极电流从零开始线性增加，并且增加量远大于稳定值(即的后续分量)，因此VT1发射极电流近似的幅度在前沿之后立即增加。由此可以看出，从传导时刻开始，VT2迅速增加并迅速减少，然后以近似的斜率增加。3.泄漏感应电压尖峰吸收电路在反激式开关电源中，开关变压器还充当储能电感，变压器铁芯处于DC偏置状态。为了防止磁芯饱和，需要大的气隙，因此漏电感相对较大，电感值相对较低。当功率管从接通变为断开时，变压器绕组上将产生尖峰电压。该电压由变压器的漏电感(即磁通量泄漏产生的自感)形成。DC电压和感应电压叠加后很容易损坏功率管。因此，必须增加箝位保护电路来箝位和吸收尖峰电压。RCD吸收电路通常用于变压器初级绕组的两端，如图3-9所示。在二极管VD1导通期间，开关管VT1两端的电压是输入电压和吸收电路中电容器充电电压的总和。当二极管VD1导通时，流经二极管VD1的峰值电流非常大，这等于开关管关断时变压器主绕组的峰值电流，但是平均电流很小。从波形可以看出，二极管VD1的电流斜率非常陡(di/dt相对较大)，因此有必要选择具有良好噪声特性的高压高速二极管，如快速恢复和超快速恢复二极管(肖特基二极管不能使用，因为其反向耐受电压相对较低)。此外，与其并联的小电容器可以改善二极管VD1的噪声特性。输入整流滤波器电压输出整流滤波电压变压器主绕组的匝数-变压器次级绕组匝数(a)吸收电路(b)工作波形图3-9吸收电路和工作波形4.输出整流滤波电路输出整流滤波电路由整流二极管、电解电容和电感组成，如图3-10所示。流经整流二极管的电流与功率管集电极电流的变化趋势相反，在前沿达到最大，然后线性下降。输出电流的有效值为平均电流的1.4 1.6倍。整流二极管上的反向电压是输出电压的2-3倍。输入整流滤波器电压输出整流滤波电压二极管导通电压变压器主绕组的匝数-变压器次级绕组匝数(a)输出整流滤波器(b)工作波形图3-10输出整流滤波电路及其工作波形5.稳压检测电路稳压检测电路由光电耦合器、精密基准电源TL431和几个RC元件组成，如图3-11(a)所示。稳压电路的功能是将输出电压的变化转换成光电耦合器中光敏二极管的发光量的变