培訓講稿(開關(guān)電源)

1、開關(guān)電源講稿開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)有多種，分類方式也有多種，作如下說明：1按驅(qū)動方式分有自激式和他激式。2按DC-DC變換器的工作方式分（1）、隔離式有通/通方式、通/斷方式、中心抽頭方式、半橋和全橋方式、諧振方式。（2）、非隔離式有降壓型（）、升壓型（）、極性反轉(zhuǎn)型、開關(guān)電容型以及諧振型。3按控制方式分（1）、脈寬控制方式有自激式和他激式。（2）、磁放大器的混合控制方式有電壓控制、電流控制。（3）、脈寬控制與磁放大器的混合控制方式。4按控制信號的隔離方式分（1）、光電耦合的隔離方式（）。（2）、變壓器的隔離方式。（3）、電壓/頻率變換、頻率/電壓變換、用變壓器隔離控制信號的方式。（4）、磁放大器

2、的隔離方式。5按過流保護方式分（1）、輸出電流檢測方式（2）、開關(guān)電流檢測方式以上這些方式的組合可構(gòu)成多種方式的開關(guān)電源，今天我們主要介紹上面帶黑點的三個項目，這也是最常見的開關(guān)電源類型。一、降壓型變換器低壓型開關(guān)電源一般也稱為DC-DC變換器，它屬于非隔離式開關(guān)電源。在許多家電電器中有廣泛的應(yīng)用，比如象便攜式CD、VCD、MP3，筆記本電腦等1為了便于講解降壓型DC-DC變換器，首先介紹降壓型DC-DC變換器的等效模型，如圖（1）所示： 開關(guān)導通時，加在電感兩端的電壓為，這期間電感由電壓勵磁，電感存儲能量，磁通量增加量為 開關(guān)斷開時，由于電感電流連續(xù)，二極管為導通狀態(tài)。輸出電壓與開關(guān)導通時方

3、向相反加到電感上。這期間電感消磁，電感釋放能量，磁通量減少量為 穩(wěn)態(tài)時，電感中磁通量增加量與減少量相等，即，因此，上述、式聯(lián)立可得：，其中是占空比顯然這種結(jié)構(gòu)形式的DC-DC變換器輸出的電壓只會小于或等于輸入的電壓，因此它屬于降壓型變換器。2降壓型變換器的實際電路如圖（2）所示，這種DC-DC變換電路沒有穩(wěn)壓控制，其中POW-SW是電源管理集成電路的驅(qū)動輸出，它的脈沖寬度由主軸、滑動、尋跡、聚焦四組輸出電壓控制，哪一組輸出電壓高表示負載重，就取樣該組電壓，與內(nèi)部基準電壓比較、控制輸出脈沖寬度。VDD接電池正極，當POW-SW為PWM的“低電平”時，VT1（C8050）飽和導通，肖特基二極（也稱

4、續(xù)流二極管）VD反偏截止，電感L勵磁、儲能；POW-SW為PWM的“高電平”時，VT1截止，肖特基二極管VD正偏導通，電感L續(xù)流釋放能量，SERVO-VDD輸入到電源管理集成電路內(nèi)部，供電給四組（主軸、滑動、尋跡、聚焦）H橋形驅(qū)動電路。二、升壓型變換器1同降壓變換器一樣，為了講解升壓型DC-DC變換器，首先簡單介紹升壓DC-DC變換器的等效模型，如圖（4）所示。開關(guān)導通時，輸入電壓加在電感上，這期間電感由輸入電壓勵磁，電感存儲能量，磁通量增加。開關(guān)斷開時，由于電感電流連續(xù)，二極管為導通狀態(tài)，輸出電壓與開關(guān)導通時方向相反加到電感上。這期間電感消磁，電感釋放能量，磁通量減少。 開關(guān)導通時磁通量增加

5、： 開關(guān)斷開時磁通量減少：穩(wěn)態(tài)時，電感中磁通量增加量與減少量相等，即 ，因此，上述、式聯(lián)立可得： ，其中是占空比顯然這種結(jié)構(gòu)形式的DC-DC變換器輸出的電壓只會大于或等于輸入的電壓，因此，它屬于升壓型變換器。2升壓型變換器的實際電路如圖（5）所示，這個DC-DC變換電路有穩(wěn)壓控制，所以變換后的POW-VCC非常穩(wěn)定，電壓值為3.20V；由于電路有些復雜，下面分幾個部分來介紹：（1）、網(wǎng)絡(luò)的出處及意義 VDD 連接電池正極 PWM-SW 電源管理集成電路的驅(qū)動輸出，是PWM脈沖信號 POW-VCC 升壓變換經(jīng)穩(wěn)壓后的電源，供伺服以外的其它集成電路使用（2）、變壓器T的結(jié)構(gòu)及連接在這個升壓型變換器

6、電路中，變壓器T是電能轉(zhuǎn)換的核心器件，實際上經(jīng)過對電路的徹底分析后，讀者會發(fā)現(xiàn)，就T的作用而言，與其說是變壓器，倒不如說它是電感。從圖（5）可以看出；其和是同名端（和也是同名端），并且和直接連接。實際設(shè)計時初級繞組的電感量約100 120uH，次級繞組的電感量約10uH。（3）、工作原理正常工作時PWM-SW輸出脈沖信號，經(jīng)R1（100）加到VT1基極。當PWM-SW為“高電平”時，VT1飽和導通，變壓器T的、相當于接“地”，參照前面的分析我們知道變壓器T初級勵磁、蓄能，根據(jù)同名端可知變壓器初級極性“上正下負”，次級極性“上負下正”，其各腳電壓梯度如下表（1）所示：端子號電壓梯度對“地”電壓高

7、電源電壓VDD、中“地”低-V2 其中V2是次級感生的電壓，與供電電源VDD及初、次級匝比有關(guān)，V2為正值。 當PWM-SW為“低電平”時，VT1截止，變壓器初、次級電壓極性反轉(zhuǎn)，根據(jù)同名端可知變壓器初級極性“上負下正”，次級極性“上正下負”，其各腳電壓梯度如下表（2）所示：端子號電壓梯度對“地”電壓低電源電壓VDD、中VDD+V1高VDD+V1+V2 表（2） 其中V1、V2分別是初、次級感生的附加電壓，且都為正值。 注：這里所講的“上負下正”，“上正下負”都是相對誰比誰高而言，并不是對“地”的電壓值為“正”或“負”。 好！下面結(jié)合4個關(guān)鍵點的波形圖繼續(xù)討論。t0t1期間，VT1飽和導通，如

8、圖（6），變壓器初級電流從開始線性增加到，如圖（8），電感勵磁、蓄能，它被激勵產(chǎn)生反電動勢（即感生電壓）等于VDD，因此次級感生電壓為- M*VDD（M是次、初級匝比）。VT2集電極電壓為0V，發(fā)射極約3.2V，所以VT2截止，電解電容C3、L2、C4構(gòu)成型濾波網(wǎng)絡(luò)供給負載，電容電壓逐漸下降。t1t2期間，VT1截止，變壓器初、次級電壓極性反轉(zhuǎn)，如圖（7、9），這時變壓器初級感生的附加電壓V1與電源電壓VDD同相相加，即、的電壓為VDD+V1，同理，變壓器端的電壓為VDD+V1+V2，從波形圖上也可以看出這一點。于是，這個較高的電壓脈沖經(jīng)C1耦合、R3限流后加到VT2基極，而VT2基極被嵌位于

9、約3.9V（因VT2發(fā)射極電壓基本上是3.2V，而基極只能高發(fā)射極一個PN結(jié)的電壓），VT2導通，變壓器初級電流從開始線性減小到，如圖（8），電感消磁、釋放能量，這樣就實現(xiàn)了能量變換。為了讓讀者有一個感性的認識，在VT1導通和截止兩種情況下，我們計算一下變壓器和端的電壓值與哪些參數(shù)有關(guān)、大小如何？！A VT1導通：很顯然變壓器端電壓， ，而此時初級被激勵產(chǎn)生反電動勢（即感生電壓）等于VDD，所以次級感生電壓為（是次、初級匝比）。B VT1截止：重寫上面升壓變換器輸出電壓公式：，那么變壓器端電壓，這個值減去電源，即初級感生的附加電壓，而次級感生的附加電壓可由次、初級繞組的匝比計算得到，于是，所以

10、變壓器端電壓為：因此，我們可以這樣理解上面波形圖（7、9），當VT1由飽和導通轉(zhuǎn)為截止時變壓器端電壓跳變?yōu)?，變壓器端電壓跳變?yōu)?；VT1由截止轉(zhuǎn)變飽和導通時變壓器端電壓跳變?yōu)?，變壓器端電壓跳變?yōu)榧炊舜藭r是負壓。三、RCC變換器1RCC變換器的一般模型RCC變換器是Ringing Choke Converter的簡稱，廣泛應(yīng)用以下的開關(guān)電源中。它不需要自勵式振蕩電路，結(jié)構(gòu)簡單，由輸入電壓與輸出電流改變工作頻率。RCC的基本電路如下圖所示，在導通期間變壓器從輸入側(cè)蓄積能量，在緊接著的截止期間變壓器蓄積的能量釋放供給輸出負載。結(jié)束時，變壓器初級兩端電壓自由振蕩回到。這電壓通過基極繞組加到開關(guān)晶體管的

11、基極，因此，晶體管觸發(fā)導通，一導通就進入開始下一個工作周期。輸入電壓是輸入交流電壓經(jīng)整流直流電壓。時晶體管導通，因此加在變壓器初級線圈兩端電壓就是，另一方面，變壓器次級側(cè)放電，供給輸出電流。這期間，輸出二極管中無電流，因此變壓初、次級側(cè)不產(chǎn)生相互作用。 比較具體的RCC變換器結(jié)構(gòu)如下： 2RCC變換器實例下圖是珠江三角洲地區(qū)廣泛應(yīng)用于手機電池充電器的原理圖，該充電器為了節(jié)省成本采用半波整流，是高壓濾波電容，它兩端產(chǎn)生約300V的脈動直流電壓。上電后R2給基極提供啟動電流，振蕩，變壓器初級電感被激勵，3、4端產(chǎn)生“上正下負”的電壓，根據(jù)圖中所示同名端，輔助繞組1、2端也產(chǎn)生“上正下負”的電壓，經(jīng)

12、電容R4限流、C4耦合加到基極，開關(guān)管迅速飽和導通，集電極電流線性增加，基極電流按指數(shù)衰減，充電回路為：變壓器2腳一R2一C4一發(fā)射結(jié)一R9一變壓器1腳。 當基極電壓上升到約1.4V時，迅速導通，拉低基極電位，隨后退出飽和，流過集電極的電流相應(yīng)減小，于是變壓器初級電感被激勵產(chǎn)生正極性電壓，電壓極性為“下正上負”(感應(yīng)電壓和輸入電源同相相加)。變壓器2端電壓下跳為負壓，由于電容兩端的電壓不能突變，所以C4左端也下跳為負壓，迅速截止，這時放電回路為：變壓器1腳一R9一R10一集電結(jié)一C4一R4一變壓器2腳，此后電容放電，基極電壓上升，當電壓達到06V，又迅速導通，于是電路重復上述自激振蕩穩(wěn)定工作。

13、 D7用來設(shè)置C5負極的直流電位，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值越大，C5負極的直流電位越低。 該電路次級輸出電壓與初級沒有反饋通路，所以其穩(wěn)壓效果并不理想。實際上充電器設(shè)計時僅考慮輸人電壓為AC 220V的情況下，依靠精心設(shè)計變壓器繞組(比如初級：170匝，輔助繞組：13匝，次級：19匝)和R9、D7的參數(shù)來實現(xiàn)輸出電壓為某個值，若輸入電壓增大，輸出電壓也會適當增大。次級很簡單就不用介紹了！四、VIPer12/22離線式開關(guān)電源設(shè)計開關(guān)電源采用功率半導體作為開關(guān)元件，通過周期性通斷開關(guān)，控制開關(guān)元件的占空比來調(diào)整輸出電壓。開關(guān)電源的基本構(gòu)成如圖（1）所示，其中DC-/DC變換器進行功率變換，它是開關(guān)電源的核心

14、部分，此外還有啟動電路、過流與過壓保護、電路噪聲濾波器等組成部分。反饋回路檢測其輸出電壓，并與基準電壓比較，其誤差電壓通過誤差放大器放大及控制脈寬調(diào)制電路，再經(jīng)過驅(qū)動電路控制半導體的通斷時間比，從而調(diào)整輸出電壓的大小。 開關(guān)電源具有效率高、體積小、重量輕等顯著特點，因此近年來獲得了迅猛的發(fā)展。特別是近幾年，由于解決了電氣隔離和熱絕緣技術(shù)，從而能夠把功率開關(guān)與控制電路包括反饋電路集成于同一芯片上，這樣大大簡化了開關(guān)電源的設(shè)計、縮短了設(shè)計周期；同時，由于外圍所需元器件很少，極大地提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性與可靠性。比如由Fairchild Semiconductor公司推出的KA5H0365R/038

15、0R系列芯片、Infineon Technologies（IT）公司推出的COOLMOSICE2A165/265/365系列芯片、Power Integrations（PI）公司推出的TOP2217系列芯片等都具有類似或相似的功能。用這類芯片做開關(guān)電源，無需加散熱器，在通用電網(wǎng)即可輸出20-50W的功率；保護功能齊全；電路結(jié)構(gòu)簡單；有的芯片還能自動降低空載時的工作頻率，從而降低待機狀態(tài)的損耗，故在中小功率開關(guān)電源中有著廣泛的應(yīng)用前景，下面就以STMicroelectronics公司的VIPer22A為主芯片，介紹步步高電子公司一款VCD開關(guān)電源的設(shè)計。（一）、VIPer12/22A概述VIPe

16、r12/22A是ST Microelectronics于2002年研發(fā)出的低功率、離線式控制器，它內(nèi)部集成了開關(guān)控制電路和功率場效應(yīng)管，圖（2）是它的內(nèi)部功能塊原理圖，其第12腳是功率管的源極（SOURCE），第3腳FB是反饋信號輸入端，作為內(nèi)部電路控制使用，第4腳VDD是電源（開始啟動時電壓由漏極通過IC內(nèi)部高壓電流源轉(zhuǎn)換提供），第5 8是功率管的漏極（DRAIN），功率管的柵極（GRID）沒有引出，在內(nèi)部受一個RS觸發(fā)器輸出Q控制，該觸發(fā)器有4個復位輸入R1R4，分別代表溫度、欠壓鎖定、過壓和電流保護，1個置位S輸入。因此，該器件具有過壓、過流和溫度保護功能，屬電流控制型，漏極最大極限電流

17、約708mA。ST公司還出品同類型開關(guān)集成電路VIPer12A（參看作者發(fā)表在2003無線電第十一期步步高便攜式VCD/MP3/CD機鎳氫充電器原理剖析一文），它與VIPer22A完全兼容，只是功率稍小一些，見下表（SO-8是表面封裝型，DIP-8雙列直插型）： VIPer12AVIPer12A電網(wǎng)類型SO-8DIP-8SO-8DIP-8歐洲（AC195-256V）8W13W12W20W美國/全電壓（AC85-265 V）5W8W7W12W 它們的工作頻率都約為60KHz，特別適合于5 20W的小型家用電器使用。另外，當漏極電流為最大極限電流的12%，即約85mA（VIPer12A為50 mA

18、）時，系統(tǒng)靠減少開關(guān)周期而工作于跳躍脈沖模式，這一點對于輕負載時的轉(zhuǎn)換器尤其重要。（二）、工作原理1、市電經(jīng)BCN501輸入（BCN502接面板電源開關(guān)）T1.6A/250V保險管（其中T表示延時斷路之意，慢熔型保險管）LF501扼流圈整流橋堆D501-D504上，整流后的直流電壓（約320V左右）開關(guān)變壓器T1初級側(cè)穿心磁珠L502最后加到VIPer22A的漏極。 其中扼流圈LF501是繞在同一磁環(huán)上的兩只獨立線圈，專業(yè)稱呼為共模電感線圈或共模線圈。它們所繞的圈數(shù)相同、但線圈繞向相反（可以假設(shè)為L1和L2），兩只獨立線圈內(nèi)電流產(chǎn)生的磁通在磁環(huán)內(nèi)相互抵消，不會使磁環(huán)達到磁飽和狀態(tài)，從而使兩只線

19、圈L1和L2的電感量保持不變。因此，如果在L1和L2后級（整流之前）各自接入一只電容（只能用安規(guī)電容，工程上一般稱Y電容）到“冷地”，那么，它們就組成了共模濾波器，濾除電網(wǎng)進入的共模噪聲信號（這種接法在高檔儀器儀表中非常常見，作為VCD電源，由于要不高、同時為了節(jié)省成本，本機并未采用）。但是，由于種種原因如果磁環(huán)材料不可能做到絕對均勻，兩只線圈的繞制也不可能完全對稱等，使得兩只電感有一點差值，這個差值稱為差模電感。它和C501（工程上一般稱X電容）組成L-N獨立端口的一個低通濾波器，用來抑制開關(guān)電源工作時產(chǎn)生的差模噪聲信號。 由于EMI濾波器是無源網(wǎng)絡(luò)，它具有互易性。因此，這個網(wǎng)絡(luò)濾波器既能有

20、效抑制電源系統(tǒng)存在的噪聲信號（既電子設(shè)備外部的噪聲信號）傳入設(shè)備，有能大大衰減電子設(shè)備工作時本身產(chǎn)生的噪聲信號傳向電源。 使用穿心磁珠L502，也是為抑制噪聲干擾，以滿足EMI測試要求。電阻R501是X電容C501的放電電阻，當系統(tǒng)脫離電網(wǎng)后，把C501的殘余電荷放掉，以免高（電）壓擊人。R503、C502、D505、組成吸收電路，抑制VIPer22A內(nèi)功率管關(guān)斷時由于漏感而引起的上升沿電壓尖峰，從而保護功率管不被損壞。C508并聯(lián)在D505兩端，用于保護HER107。 C500是安規(guī)電容（工程上一般稱Y電容），用于衰減變壓器初、次級間雜散電容產(chǎn)生的共模發(fā)射電流，以滿足傳導EMI標準要求。需要

21、說明一點：對于類家用電器，外殼為金屬件（體），安規(guī)電容取值不可過大（過大時可能有利于通過EMI測試要求），否則，漏電流也會變大，以至于超出人體耐受極限，當人體觸及電器外殼時，有強烈的麻電感覺，這是因為金屬外殼一般與開關(guān)電源的“冷地”連接，而安規(guī)電容跨接在“熱地”和“冷地”之間，所以泄漏電流是客觀存在的，并且電容容量越大，泄漏電流也越大，因此，許多國家為此都制定了泄漏電流的極限值，以滿足安全要求。 所謂電器指單相三極之電器，比如有“地線”的儀器、儀表、示波器、頻譜儀等，它們開關(guān)電源的“冷地”通過機殼與“地線”接通，然后再通過電網(wǎng)插座“接地” 一般是就近到建筑物下面的大地。所謂電器指單相雙極之電器

22、，比如電冰箱、電視機、VCD、DVD等，它們開關(guān)電源的“冷地”或者懸浮、或者接機殼。所謂電器指交流電壓在35V以下，或者直流電壓在60V以下的電器。2、如圖（3），觀察變壓器T1初、次級繞組的同名符號，可以看出它是典型的反激式變換型，也叫回掃變壓器型。輔助繞組由D606整流后作為U501和光耦三極管的電源，電阻R504與電容C504（對應(yīng)高頻）、CE502（對應(yīng)低頻）組成RC濾波電路。開始起動時此繞組不能供電，起動電源是由U501（VIPer22A）的漏極進入到IC內(nèi)部的，一旦系統(tǒng)正常工作后，就靠輔助繞組供電，當電壓高于14.5V（典型值）時關(guān)閉內(nèi)部電流源；若輔助繞組供電電壓較低，將于8V時打開內(nèi)部電流源。 U501的第3腳FB連接光耦，而光耦受精密可調(diào)基準電源TL431控制，從圖示參數(shù)可計算低壓側(cè)穩(wěn)壓輸出3.35V： 即 2.5V *（750+ 2.2K）/2.2K= 2.35V需要特別指出的是，開始設(shè)計階段R505的取值較小，系統(tǒng)工作總是不夠穩(wěn)定，特別是高壓（AC242V）測試時