开关电源电路组成及常见各模块电路分析..

1、开关电源的电路组成1.1主题背景1.1开关电源的发展历史开关稳压电源(以下简称开关电源)取代晶体管线性稳压电源(以下简称线性电源)已有30多年的历史。最早出现的串联开关电源，其主电路拓扑类似于线性电源。然而，在功率晶体管被置于开关状态之后，脉宽调制控制技术被发展来控制开关转换器并获得脉宽调制开关电源。其特点是采用20千赫脉冲频率或脉宽调制脉宽调制开关电源的效率可达60。在全球能源危机的时代，它引起了人们的广泛关注。线性电源工作在工频，用工作频率为20千赫的脉宽调制开关电源代替它可以大大节约能源，这在电源技术发展史上被称为20千赫的革命。随着超大规模集成电路芯片尺寸的减小，电源的尺寸比微处理器大

2、得多。航天、潜艇、军用开关电源和便携式电子设备(如笔记本电脑、手机等。)使用电池需要小型化和轻型的电源。因此，对开关电源提出了体积小、重量轻的要求，包括体积小、重量轻的磁性元件和电容。此外，开关电源要求具有更高的效率、更好的性能和更高的可靠性。2开关电源的基本原理2.1脉宽调制开关电源的基本原理开关电源的工作过程很容易理解。在线性电源中，功率晶体管以线性模式工作。与线性电源不同，脉宽调制开关电源工作在开关状态。在这两种状态下，施加到功率晶体管的伏安积总是很小(当它导通时，电压低，电流大；当关闭时，电压高，电流小)。功率器件上的伏安积是功率半导体器件上产生的损耗。与线性电源相比，脉宽调制开关电源

3、通过斩波更有效地工作，即将输入DC电压斩波成幅度等于输入电压的脉冲电压。脉冲占空比由开关电源控制器调节。一旦输入电压被斩波成交流方波，其幅度可以通过变压器增加或减少。输出电压组的数量可以通过增加变压器次级绕组的数量来增加。最后，这些交流波形被整流和滤波以获得DC输出电压。控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程类似于线性控制器。也就是说，控制器的功能模块基准电压和误差放大器可以设计成与线性调节器相同。不同之处在于，误差放大器的输出(误差电压)在驱动功率管之前通过电压脉冲转换单元。开关电源主要有两种工作模式：正向转换和升压转换。虽然零件的排列没有什么不同，但工作过程却有很大的不同，这在特定

4、的场合有优势。正激变换器的优点：输出电压的峰值低于升压变换器，可以输出更高的功率。正向转换器可以提供几千瓦的功率。升压转换器的峰值电流较高，因此仅适用于功率小于150瓦的应用。在所有拓扑结构中，这种转换器使用的元件最小，因此在中小功率应用中很受欢迎。开关电源的工作原理是：第一个交流电源输入被整流并滤波到DC；其次，开关管由高频脉宽调制信号控制，DC应用于开关变压器的初级；第三开关变压器的次级感应高频电压，通过整流和滤波提供给负载；投入PFI滤波器和浪涌抑制器输入整流和滤波反馈网络启动、集成电路电源和驱动电路保护电路整流和滤波变压器电源开关控制器驱动器VCC陆地陆地保护抑制输出Vin(DC)沃特

5、(DC)第四输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，控制脉宽调制占空比，达到稳定输出的目的开关电源主电路由输入电磁干扰滤波器、整流滤波电路、功率转换电路、脉宽调制控制器电路和输出整流滤波电路组成。辅助电路包括输入过压保护电路、输出过压保护电路、输出过流保护电路和输出短路保护电路。3.1输入电路和公共电路的原理3.1.1交流输入整流滤波电路的原理防雷电路：当雷击和高压通过电网引入电源时，采用由MOV1、MOV2、MOV3: F1、F2、F3和FDG1组成的电路进行保护。当施加到变阻器两端的电压超过其工作电压时，其电阻降低，从而在变阻器上消耗高压能量。如果电流过大，F1、F2和F3将烧毁保护电路。输

6、入滤波电路：由C1、L1、C2和C3组成的双滤波网络主要用于抑制输入电源的电磁噪声和杂波信号，以防止对电源的干扰，同时防止电源产生的高频杂波干扰电网。当电源打开时，应给C5充电。由于瞬时电流较大，增加RT1(热敏电阻)可以有效防止浪涌电流。由于瞬时能量全部消耗在RT1电阻上，RT1电阻在温度上升一段时间后会降低(RT1是负温度系数元件)，此时消耗的能量很少，后续电路可以正常工作。整流滤波电路：交流电压经整流滤波器1整流后，经C5滤波，得到一个相对纯净的DC电压。如果C5容量变小，输出交流纹波将增加。3 . 2 . 2 DC输入滤波电路原理输入滤波电路：由C1、L1和C2组成的双滤波网络主要抑制

7、输入电源的电磁噪声和杂波信号，防止干扰电源，同时防止电源本身产生的高频杂波干扰电网。C3和C4是安全电容，L2和L3是差模电感。 R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1和C7构成一个防浪涌电路。在启动时，由于C6，Q2不导电，电流通过RT1形成回路。当C6上的电压被充电到Z1的规定值时，Q2被接通。如果C8漏电或后续电路短路，RT1上的电流压降会在启动瞬间增加，Q1将开启，使Q2在没有电网电压的情况下关闭，RT1将在短时间内烧毁，以保护后续电路。3.2电源转换电路1.金属氧化物半导体晶体管的工作原理：金属氧化物半导体场效应晶体管是目前应用最广泛的绝缘栅场效应晶体管，

8、它是利用半导体表面的电声效应工作的。也被称为表面场效应器件。因为它的栅极处于非导通状态，所以输入电阻可以大大增加，达到105欧姆。金属氧化物半导体晶体管使用栅源电压来改变半导体表面的感应电荷，从而控制漏极电流。2.常见示意图：3.工作原理：R4、C3、R5、R6、C4、D1和D2构成一个缓冲器，与开关管并联，从而降低开关管的电压应力，降低电磁干扰，不会发生二次击穿。当开关管Q1被关闭时，变压器的初级绕组容易产生峰值电压和峰值电流，这可以很好地吸收峰值电压和峰值电流。从R3测得的电流峰值信号参与了当前工作周期的占空比控制，因此它是当前工作周期的电流限值。当R5上的电压达到1V时，UC3842停止

9、工作，开关管Q1立即关闭。R1和Q1的结电容CGS和CGD共同构成RC网络，电容的充放电直接影响开关管的开关速度。如果R1太小，很容易引起振荡，电磁干扰会很大。如果R1太大，就会降低开关管的开关速度。Z1通常将金氧半管的接地电压限制在18V以下，从而保护金氧半管。Q1的栅控电压为锯齿波。当占空比较大时，Q1的导通时间越长，变压器存储的能量越多。当Q1关闭时，变压器通过D1、D2、R5、R4和C3释放能量，同时3.3.1带驱动变压器的电源转换电路：T2是驱动变压器，T1是开关变压器，TR1是电流回路。3.4输出整流滤波电路3.4.1正向整流器电路T1为开关变压器，其一次极和二次极同相。D1是整流

10、二极管，D2是续流二极管，R1、C1、R2和C2是峰值锐化电路。L1是续流电感，C4、L2和C5构成型滤波器。3.4.2反激整流器电路T1是一个开关变压器，其一次极和二次极相位相反。D1是一个整流二极管，R1和C1是峰值锐化电路。L1是续流电感，R2是虚拟负载，C4、L2和C5构成型滤波器。3.4.3同步整流电路工作原理：当变压器的次级上端为正时，电流通过C2、R5、R6和R7使Q2导通，电路形成回路，Q2为整流管。由于反向偏置，Q1的门被关闭。当变压器次级的下端为正时，电流通过C3、R4和R2，接通Q1，这是一个续流管。由于反向偏置，Q2的门被关闭。L2是续流电感，C6、L1和C7形成型滤波

11、器。R1、C1、R9和C4是尖峰锐化电路。3.5稳定回路的原理1.反馈电路原理图：2.工作原理：当输出U0上升并被采样电阻R7、R8、R10和VR1分压时，U1引脚的电压上升。当超过U1引脚的参考电压时，U1引脚输出高电平，使Q1导通，光耦OT1发光二极管发光，光电晶体管导通，UC3842引脚的电位相应降低，从而改变U1引脚的输出占空比，降低U0。当输出U0降低时，U1引脚的电压降低。当低于U1引脚的参考电压时，U1引脚输出低电平，Q1不导通，光耦OT1发光二极管不发光，光电晶体管不导通，UC3842引脚的电位升高，从而改变U1引脚的输出占空比增大，U0减小。它持续不断，因此输出电压保持稳定。

12、调节VR1可以改变输出电压值。反馈回路是影响开关电源稳定性的重要电路。如错误、漏电和反馈电阻与电容虚焊，会发生自激振荡。故障现象有波形异常、空载和满载振荡、输出电压不稳定等。3.6短路保护电路1.在输出端短路的情况下，脉宽调制控制电路可以将输出电流限制在安全范围内，并且可以通过多种方式实现限流电路。当短路时功率限流不起作用时，只增加一部分电路。2.通常有两种短路保护电路。下图为低功耗短路保护电路，其原理简述如下：当输出电路短路时，输出电压消失，光耦OT1不导通，UC3842引脚的电压升至约5V，R1与R2之间的分压超过TL431的基准，使其导通。UC3842引脚的VCC电位被拉低，集成电路停止

13、工作。当UC3842停止工作后，引脚电位消失，TL431不导通，u3842 引脚电位上升，u3842重启，继续工作。当短路消失时，电路可以自动恢复正常工作状态。3.下图所示为中功率短路保护电路，其原理简述如下：当输出短路时，UC3842引脚的电压升高，U1引脚的电位高于引脚，比较器翻转引脚输出高电位给C1充电。当C1两端电压超过引脚的参考电压时，UC3842的引脚低于1V，UCC3842停止工作，输出电压为0V。短路消失后，电路工作正常。R2和C1是充放电时间常数，当电阻不正确时，短路保护不起作用。4.下图显示了常见的限流和短路保护电路。其工作原理简述如下：当输出电路短路或过流时，变压器一次电

14、流增大，R3两端压降增大，引脚电压升高，UC3842引脚输出占空比逐渐增大；当引脚电压超过1V时，UC3842关闭，无输出。5.下图显示了专业上图为一种常见的输出限流保护电路，其工作原理简述如下：当输出电流过大时，RS(锰铜线)两端电压升高，U1引脚电压高于引脚参考电压，U1引脚输出高电压，Q1导通，光耦发生光电效应，UC3842引脚电压降低，从而达到输出过载限流的目的。3.8输出过压保护电路的原理输出过压保护电路的功能是当输出电压超过设计值时，将输出电压限制在安全范围内。当开关电源的内部稳压回路出现故障或用户操作不当造成输出过压现象时，过压保护电路进行保护，防止对后续电气设备造成损坏。最常用

15、的过压保护电路如下：1.可控硅触发保护电路：如上所示，当Uo1的输出上升时，稳压器(Z3)击穿并导通，SCR1的控制端获得触发电压，因此可控硅导通。如果Uo2电压对地短路，过流保护电路或短路保护电路将工作并停止整个电源电路。当输出过压现象消除后，晶闸管控制端的触发电压通过R放电到地，晶闸管恢复断开状态。2.光电耦合保护电路；如上图所示，当Uo过压时，稳压管击穿导通，电流通过光耦(OT2)R6流到地，光耦的发光二极管发光，从而导通光耦的光电晶体管。Q1的基极通电，3842引脚的电压降低，集成电路关断，整个电源停止工作，Uo为零，继续工作。3.输出限压保护电路：输出限压保护电路如下图所示。当输出电

16、压上升时，稳压器开启，光耦合器开启，Q1的基极以驱动电压开启。UC3842的电压上升，输出下降，稳压器关闭，UC3842的电压下降，输出电压上升。一次又一次，输出电压将稳定在一个范围内(取决于稳压管的稳压值)。图a的工作原理是当输出电压Uo上升时，稳压器导通，光耦导通，Q2的基极导通。由于Q1的基极电压导通，Vcc电压使Q2通过R1、Q1和R2始终导通，并且UC3842的引脚始终处于高电平并停止工作。在图b中，当UO上升时，U1引脚的电压上升，引脚输出高电平。由于D1和R1，U1引脚始终输出高电平，Q1始终开启，UC3842引脚始终处于低电平并停止工作。积极的反馈？3.9功率因数校正电路1.原理示意图：2.工作原理：输入电压通过由L1、L2、L3等组成的电磁干扰滤波器。一路整流到功率因数校正电感，另一路由R1和R2分压后送至功率因数校正控制器作为输入电压的样本，用于调整控制信号的占空比，即改变Q1的通断时间，稳定功率因数校正输出电压。L4是功率因数校正电感，当Q1开启时储存能量，当Q1关闭时释放能量。D1是启动二极管。D2是PFC整流二极管，C6和C7滤波器。一路功率因数校正