開關(guān)電源電路組成及常見各模塊電路分析

1、開關(guān)電源電路組成1.1 課題背景1.1 開關(guān)電源的發(fā)展歷史開關(guān)穩(wěn)壓電源（以下簡稱開關(guān)電源）取代晶體管線性穩(wěn)壓電源（以下簡稱線性電源）已有30多年歷史，最早出現(xiàn)的是串聯(lián)型開關(guān)電源，其主電路拓?fù)渑c線性電源相仿，但功率晶體管了作于開關(guān)狀態(tài)后，脈寬調(diào)制（PWM）控制技術(shù)有了發(fā)展，用以控制開關(guān)變換器，得到PWM開關(guān)電源，它的特點(diǎn)是用20kHz脈沖頻率或脈沖寬度調(diào)制PWM開關(guān)電源效率可達(dá) 6570，而線性電源的效率只有3040。在發(fā)生世界性能源危機(jī)的年代，引起了人們的廣泛關(guān)往。線性電源工作于工頻，因此用工作頻率為20kHZ的PWM開關(guān)電源替代，可大幅度節(jié)約能源，在電源技術(shù)發(fā)展史上譽(yù)為20kHZ革命。 隨著

2、ULSI芯片尺寸不斷減小，電源的尺寸與微處理器相比要大得多；航天，潛艇，軍用開關(guān)電源以及用電池的便攜式電子設(shè)備（如手提計算機(jī)，移動電話等）更需要小型化，輕量化的電源。因此對開關(guān)電源提出了小型輕量要求，包括磁性元件和電容的體積重量要小。此外要求開關(guān)電源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。2 開關(guān)電源的基本原理2.1 PWM開關(guān)電源的基本原理開關(guān)電源的工作過程相當(dāng)容易理解。在線性電源中，讓功率晶體管工作在線性模式，與線性電源不同的是，PWM開關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)。在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏安乘積總是很小的（在導(dǎo)通時，電壓低，電流大；關(guān)斷時，電壓高，電流?。９β势骷?/p>

3、的伏安乘積就是功率半導(dǎo)體器件上所產(chǎn)生的損耗。與線性電源相比，PWM開關(guān)電源更為有效的工作過程是通過“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實(shí)現(xiàn)的。脈沖的占空比是開關(guān)電源的控制器來調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過變壓器來生高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓組數(shù)。最后這些交流波形經(jīng)過整流濾波后就得到直流輸出電壓?？刂破鞯闹饕康氖奖３州敵鲭妷悍€(wěn)定，其工作過程與線性形式的控制器很類似。也就是說控制器的功能模塊電壓參考和誤差放大器，可以設(shè)計成與線性調(diào)節(jié)器相同。它們的不同之處在于，誤差放大器的輸出（誤差電壓）在驅(qū)動功率管之前要經(jīng)過一個電壓脈

4、沖轉(zhuǎn)換單元。開關(guān)電源有兩種主要的工作方式：正激式變換和升壓式變換。盡管它們各部分的布置差別很少，但是工作過程相差很大，在特定的場合下個有優(yōu)點(diǎn)。正激式變換器的優(yōu)點(diǎn)式：輸出電壓的紋波峰峰值比升壓式變換器低，同時可以輸出比較高的功率，正激式變換器可以提供數(shù)千瓦的功率。升壓式變換器中峰值電流較高，因此只適合功率不大于150W的應(yīng)用場合，在所有拓?fù)渲?，這類變換器所用的元器件最小，因而在中小功率的應(yīng)用場合中和流行。開關(guān)電源的工作原理是:第一 交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流;第二 通過高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號控制開關(guān)管,將那個直流加到開關(guān)變壓器初級上;第三 開關(guān)變壓器次級感應(yīng)出高頻電壓,經(jīng)整流濾波供給負(fù)

5、載;輸入PFI濾波器和浪涌抑制器輸入整流和濾波反饋網(wǎng)絡(luò)啟動、IC供電和驅(qū)動電電路保護(hù)電路整流與濾波變壓器功率開關(guān)控制器驅(qū)動VCC地地保護(hù)抑制輸出Vin(DC)Vout(DC)第四 輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的.3 PWM開關(guān)電源的組成模塊開關(guān)電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器（EMI）、整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制器電路、輸出整流濾波電路組成。輔助電路有輸入過欠壓保護(hù)電路、輸出過欠壓保護(hù)電路、輸出過流保護(hù)電路、輸出短路保護(hù)電路等。3.1輸入電路的原理及常見電路3.1.1 AC 輸入整流濾波電路原理 防雷電路：當(dāng)有雷擊，產(chǎn)生高壓經(jīng)電網(wǎng)導(dǎo)

6、入電源時，由MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1 組成的電路進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓超過其工作電壓時，其阻值降低，使高壓能量消耗在壓敏電阻上，若電流過大，F(xiàn)1、F2、F3 會燒毀保護(hù)后級電路。 輸入濾波電路：C1、L1、C2、C3組成的雙型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進(jìn)行抑制，防止對電源干擾，同時也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對電網(wǎng)干擾。當(dāng)電源開啟瞬間，要對 C5充電，由于瞬間電流大，加RT1（熱敏電阻）就能有效的防止浪涌電流。因瞬時能量全消耗在RT1電阻上，一定時間后溫度升高后RT1阻值減小（RT1是負(fù)溫系數(shù)元件），這時它消耗的能量非常小，后級電路

7、可正常工作。 整流濾波電路：交流電壓經(jīng)BRG1整流后，經(jīng)C5濾波后得到較為純凈的直流電壓。若C5容量變小，輸出的交流紋波將增大。3.2.2 DC 輸入濾波電路原理 輸入濾波電路：C1、L1、C2組成的雙型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進(jìn)行抑制，防止對電源干擾，同時也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對電網(wǎng)干擾。C3、C4 為安規(guī)電容，L2、L3為差模電感。 R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7組成抗浪涌電路。在起機(jī)的瞬間，由于 C6的存在Q2不導(dǎo)通，電流經(jīng)RT1構(gòu)成回路。當(dāng)C6上的電壓充至Z1的穩(wěn)壓值時Q2導(dǎo)通。如果C8漏電或后級電路短路現(xiàn)象，在起機(jī)的

8、瞬間電流在RT1上產(chǎn)生的壓降增大，Q1導(dǎo)通使 Q2沒有柵極電壓不導(dǎo)通，RT1將會在很短的時間燒毀，以保護(hù)后級電路。3.2功率變換電路1、 MOS管的工作原理：目前應(yīng)用最廣泛的絕緣柵場效應(yīng)管是MOSFET（MOS管），是利用半導(dǎo)體表面的電聲效應(yīng)進(jìn)行工作的。也稱為表面場效應(yīng)器件。由于它的柵極處于不導(dǎo)電狀態(tài)，所以輸入電阻可以大大提高，最高可達(dá)105歐姆，MOS管是利用柵源電壓的大小，來改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。2、 常見的原理圖：3、工作原理：     R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2組成緩沖器，和開關(guān)MOS管并接，使開關(guān)管電壓應(yīng)力減

9、少，EMI減少，不發(fā)生二次擊穿。在開關(guān)管Q1關(guān)斷時，變壓器的原邊線圈易產(chǎn)生尖峰電壓和尖峰電流，這些元件組合一起，能很好地吸收尖峰電壓和電流。從R3測得的電流峰值信號參與當(dāng)前工作周波的占空比控制，因此是當(dāng)前工作周波的電流限制。當(dāng)R5上的電壓達(dá)到1V時，UC3842停止工作，開關(guān)管Q1立即關(guān)斷 。 R1和Q1中的結(jié)電容CGS、CGD一起組成RC網(wǎng)絡(luò)，電容的充放電直接影響著開關(guān)管的開關(guān)速度。R1過小，易引起振蕩，電磁干擾也會很大；R1過大，會降低開關(guān)管的開關(guān)速度。Z1通常將MOS管的GS電壓限制在18V以下，從而保護(hù)了MOS管。 Q1的柵極受控電壓為鋸形波，當(dāng)其占空比越大時，Q1導(dǎo)通時間越長，變壓器

10、所儲存的能量也就越多；當(dāng)Q1截止時，變壓器通過D1、D2、R5、R4、C3釋放能量，同時也達(dá)到了磁場復(fù)位的目的，為變壓器的下一次存儲、傳遞能量做好了準(zhǔn)備。IC根據(jù)輸出電壓和電流時刻調(diào)整著腳鋸形波占空比的大小，從而穩(wěn)定了整機(jī)的輸出電流和電壓。 C4和R6為尖峰電壓吸收回路。3.3推挽式功率變換電路Q1和Q2將輪流導(dǎo)通。3.3.1有驅(qū)動變壓器的功率變換電路：    T2為驅(qū)動變壓器，T1為開關(guān)變壓器，TR1為電流環(huán)。3.4輸出整流濾波電路 3.4.1正激式整流電路T1為開關(guān)變壓器，其初極和次極的相位同相。D1為整流二極管，D2為續(xù)流二極管，R1、C1、R2、C2為削尖

11、峰電路。L1為續(xù)流電感，C4、L2、C5組成型濾波器。3.4.2反激式整流電路T1為開關(guān)變壓器，其初極和次極的相位相反。D1為整流二極管，R1、C1為削尖峰電路。L1為續(xù)流電感，R2為假負(fù)載，C4、L2、C5組成型濾波器。3.4.3同步整流電路工作原理：當(dāng)變壓器次級上端為正時，電流經(jīng) C2、R5、R6、R7使Q2導(dǎo)通，電路構(gòu)成回路，Q2 為整流管。Q1柵極由于處于反偏而截止。當(dāng)變壓器次級下端為正時，電流經(jīng)C3、R4、R2使 Q1導(dǎo)通，Q1為續(xù)流管。Q2柵極由于處于反偏而截止。L2為續(xù)流電感，C6、L1、C7組成 型濾波器。R1、C1、R9、C4為削尖峰電路。3.5穩(wěn)壓環(huán)路原理1、反饋電路原理圖

12、：2、工作原理：    當(dāng)輸出 U0升高，經(jīng)取樣電阻R7、R8、R10、VR1分壓后，U1腳電壓升高，當(dāng)其超過U1腳基準(zhǔn)電壓后 U1腳輸出高電平，使Q1導(dǎo)通，光耦OT1發(fā)光二極管發(fā)光，光電三極管導(dǎo)通，UC3842腳電位相應(yīng)變低，從而改變U1腳輸出占空比減小，U0降低。 當(dāng)輸出 U0降低時，U1腳電壓降低，當(dāng)其低過U1腳基準(zhǔn)電壓后U1腳輸出低電平，Q1不導(dǎo)通，光耦OT1發(fā)光二極管不發(fā)光，光電三極管不導(dǎo)通，UC3842腳電位升高，從而改變U1腳輸出占空比增大，U0降低。周而復(fù)始，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。調(diào)節(jié)VR1可改變輸出電壓值。   

13、反饋環(huán)路是影響開關(guān)電源穩(wěn)定性的重要電路。如反饋電阻電容錯、漏、虛焊等，會產(chǎn)生自激振蕩，故障現(xiàn)象為：波形異常，空、滿載振蕩，輸出電壓不穩(wěn)定等。 3.6短路保護(hù)電路1、在輸出端短路的情況下，PWM控制電路能夠把輸出電流限制在一個安全范圍內(nèi)，它可以用多種方法來實(shí)現(xiàn)限流電路，當(dāng)功率限流在短路時不起作用時，只有另增設(shè)一部分電路。2、短路保護(hù)電路通常有兩種，下圖是小功率短路保護(hù)電路，其原理簡述如下：    當(dāng)輸出電路短路，輸出電壓消失，光耦OT1不導(dǎo)通，UC3842腳電壓上升至5V左右，R1與R2的分壓超過TL431基準(zhǔn)，使之導(dǎo)通，UC3842腳VCC電位被拉低，IC停止工作

14、。UC3842停止工作后腳電位消失，TL431不導(dǎo)通UC3842腳電位上升，UC3842重新啟動，周而復(fù)始。當(dāng)短路現(xiàn)象消失后，電路可以自動恢復(fù)成正常工作狀態(tài)。3、下圖是中功率短路保護(hù)電路，其原理簡述如下：當(dāng)輸出短路，UC3842腳電壓上升,U1 腳 電位高于腳時，比較器翻轉(zhuǎn)腳輸出高電位，給 C1充電，當(dāng)C1兩端電壓超過腳基準(zhǔn)電壓時 U1腳輸出低電位，UC3842腳低于1V，UCC3842 停止工作，輸出電壓為0V，周而復(fù)始，當(dāng)短路 消失后電路正常工作。R2、C1是充放電時間常數(shù)， 阻值不對時短路保護(hù)不起作用。4、 下圖是常見的限流、短路保護(hù)電路。其工作原理簡述如下：當(dāng)輸出電路短路或過流，變壓器

15、原邊電流增大，R3 兩端電壓降增大，腳電壓升高，UC3842腳輸出占空 比逐漸增大，腳電壓超過1V時，UC3842關(guān)閉無輸出。5、下圖是用電流互感器取樣電流的保護(hù)電路，有著功耗小，但成本高和電路較為復(fù)雜，其工作原理簡述如下：輸出電路短路或電流過大，TR1次級線圈感 應(yīng)的電壓就越高，當(dāng)UC3842腳超過1伏，UC3842 停止工作，周而復(fù)始，當(dāng)短路或過載消失，電路自行恢復(fù)。3.7輸出端限流保護(hù)上圖是常見的輸出端限流保護(hù)電路，其工作原理簡述如上圖：當(dāng)輸出電流過大時，RS（錳銅絲）兩端電壓上升，U1腳電壓高于腳基準(zhǔn)電壓，U1腳輸出高電壓，Q1導(dǎo)通，光耦發(fā)生光電效應(yīng)，UC3842腳電壓降低，輸出電壓降

16、低，從而達(dá)到輸出過載限流的目的。3.8輸出過壓保護(hù)電路的原理     輸出過壓保護(hù)電路的作用是：當(dāng)輸出電壓超過設(shè)計值時，把輸出電壓限定在一安全值的范圍內(nèi)。當(dāng)開關(guān)電源內(nèi)部穩(wěn)壓環(huán)路出現(xiàn)故障或者由于用戶操作不當(dāng)引起輸出過壓現(xiàn)象時，過壓保護(hù)電路進(jìn)行保護(hù)以防止損壞后級用電設(shè)備。應(yīng)用最為普遍的過壓保護(hù)電路有如下幾種： 1、可控硅觸發(fā)保護(hù)電路：如上圖，當(dāng)Uo1輸出升高，穩(wěn)壓管（Z3）擊穿導(dǎo)通，可控硅（SCR1）的控制端得到觸發(fā)電壓，因此可控硅導(dǎo)通。Uo2電壓對地短路，過流保護(hù)電路或短路保護(hù)電路就會工作，停止整個電源電路的工作。當(dāng)輸出過壓現(xiàn)象排除，可控硅的控制端觸發(fā)電壓

17、通過R對地泄放，可控硅恢復(fù)斷開狀態(tài)。 2、光電耦合保護(hù)電路：如上圖，當(dāng)Uo有過壓現(xiàn)象時，穩(wěn)壓管擊穿導(dǎo)通，經(jīng)光耦（OT2）R6到地產(chǎn)生電流流過，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，從而使光電耦合器的光敏三極管導(dǎo)通。Q1基極得電導(dǎo)通， 3842的腳電降低，使IC關(guān)閉，停止整個電源的工作，Uo為零，周而復(fù)始，。 3、輸出限壓保護(hù)電路：輸出限壓保護(hù)電路如下圖，當(dāng)輸出電壓升高，穩(wěn)壓管導(dǎo)通光耦導(dǎo)通，Q1基極有驅(qū)動電壓而道通，UC3842電壓升高，輸出降低，穩(wěn)壓管不導(dǎo)通，UC3842電壓降低，輸出電壓升高。周而復(fù)始，輸出電壓將穩(wěn)定在一范圍內(nèi)（取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值）。圖A的工作原理是，當(dāng)輸出電壓Uo升高，穩(wěn)壓管導(dǎo)通，

18、光耦導(dǎo)通，Q2基極得電導(dǎo)通，由于Q2的導(dǎo)通Q1基極電壓降低也導(dǎo)通，Vcc電壓經(jīng)R1、Q1、R2使Q2始終導(dǎo)通，UC3842腳始終是高電平而停止工作。在圖B中，UO升高U1腳電壓升高，腳輸出高電平，由于D1、R1的存在，U1腳始終輸出高電平Q1始終導(dǎo)通，UC3842腳始終是低電平而停止工作。正反饋？3.9功率因數(shù)校正電路（PFC）1、原理示意圖：2、工作原理： 輸入電壓經(jīng)L1、L2、L3等組成的EMI濾波器，BRG1整流一路送PFC電感，另一路經(jīng)R1、R2分壓后送入PFC控制器作為輸入電壓的取樣，用以調(diào)整控制信號的占空比，即改變Q1的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，穩(wěn)定PFC輸出電壓。L4是PFC電感，它在Q1導(dǎo)通時儲存能量，在Q1關(guān)斷時施放能量。D1是啟動二極管。D2是PFC整流二極管，C6、C7濾波。PFC電壓一路送后級電路，另一路經(jīng)R3、R4分壓后送入PFC控制器作為PFC輸出電壓的取樣，用以調(diào)整控制信號的占空比，穩(wěn)定PFC輸出電壓。3.10輸入過欠壓保護(hù) 1、 原理圖：結(jié) 論開關(guān)電源電路設(shè)計采單相式整流電路和電容濾波電路將交流變換成直流電壓