自激振蕩開關(guān)電源

1、6自激振蕩（RCC）開關(guān)電源中山市技師學(xué)院 一、概述目前市場(chǎng)上銷售的手機(jī)充電器，從電路結(jié)構(gòu)和充電方式上可分為兩大類：第一類是“機(jī)充式”充電器，另一類是“直充式”充電器（也叫座充）。所謂“機(jī)充式”充電器，就是電源進(jìn)入手機(jī)后由充電管理IC控制預(yù)充電、恒流充電、恒壓充電、電池狀態(tài)檢測(cè)、溫度監(jiān)控、充電結(jié)束低泄漏、充電狀態(tài)指示等（比SL1051、BQ241010/2/3等），輸出電壓一般在5.56.5V；而“直充式”充電器也叫萬(wàn)能充電器，直接對(duì)電池充電，由于鋰電池（充）滿電壓為4.2V，所以這類充電器輸出電壓一定要稍小或等于4.2V。手機(jī)充電器輸出功率都比較小，一般在5W以下，國(guó)內(nèi)廠商生產(chǎn)的充電器由于許

2、多國(guó)外知名公司的手機(jī)充電幾乎都由國(guó)內(nèi)廠商代工，所以該處應(yīng)理解為國(guó)內(nèi)廠商生產(chǎn)的自主品牌的內(nèi)銷充電器，下同。更是小到2-3W。為了節(jié)約成本，國(guó)內(nèi)許多廠商都采用RCC（Ringing Chock Converter）開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案。RCC設(shè)計(jì)方案理論技術(shù)成熟、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元器件常見、成本低廉，所以深受國(guó)內(nèi)廠商青睞。然而，讀者可能耳聞目睹許多充電器質(zhì)量事故頻頻發(fā)生，原因不是產(chǎn)品原理有問題，而是制造廠家為了追求利潤(rùn)使用了質(zhì)量較差元件或二次回收元件造成的；更有甚者部分廠商為了能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下生存，不得不使出最下策只要能輸出電壓，盡其所能地節(jié)省元件!另外，國(guó)內(nèi)廠商生產(chǎn)的充電器初、次級(jí)通常沒有設(shè)計(jì)

3、光藕（反饋），因此輸出電壓很難控制，負(fù)載能力較差，空載時(shí)輸出電壓偏高，帶上負(fù)載后電壓才正常。從目前市場(chǎng)上流通的充電器來看，成本基本在2-3元之間。國(guó)外知名公司出于市場(chǎng)定位和維護(hù)自身品牌形象考量，一般采用集成電路設(shè)計(jì)方案，電路結(jié)構(gòu)完善、生產(chǎn)用料考究、產(chǎn)品可靠性高，成本通常是國(guó)內(nèi)廠商的3-5倍，質(zhì)量當(dāng)然要好。由于手機(jī)充電器輸出功率較小（對(duì)電網(wǎng)干擾?。?、產(chǎn)品受體積所限（消費(fèi)者審美要求和拼比心理把廠家“逼上梁山”），無論國(guó)內(nèi)廠商還是國(guó)外知名公司出品的手機(jī)充電器，輸入側(cè)電源濾波器（與EMC測(cè)試有關(guān)的元器件）都一概省去，部分國(guó)內(nèi)廠商更是把“熱地”與“冷地”之間的安規(guī)電容（Y電容）也節(jié)省掉了，所以，幾乎沒有

4、任何一個(gè)廠家的手機(jī)充電器能通過EMC測(cè)試。既然通不過EMC測(cè)試，依照中國(guó)法律就不能銷售，因此廠家就打“擦邊球”，把充電器定位為贈(zèng)品，國(guó)家對(duì)電器贈(zèng)品并沒有強(qiáng)制安規(guī)要求。再則，質(zhì)量認(rèn)證部門考慮到手機(jī)充電器輸出功率小、對(duì)電網(wǎng)干擾小，在對(duì)手機(jī)作認(rèn)證時(shí)對(duì)充電器“睜一只眼、閉一只眼”，于是，不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)充電器就堂而皇之地進(jìn)入市場(chǎng)了。當(dāng)然，對(duì)于用戶來說這些元器件的存在與否與充電的電性能幾無關(guān)系，并不會(huì)影響消費(fèi)者正常使用，只是與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求不符而已！RCC充電器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作頻率由輸入電壓與輸出電流（自適應(yīng)）改變，控制方式為頻率調(diào)制（PFM），工作頻率較高，如圖1是RCC充電器原理框圖。是整流濾波

5、后的直流電壓，DC-DC變換器包括變壓器和開關(guān)元件，輸出電壓經(jīng)電阻R1、R2分壓采樣與基準(zhǔn)電壓比較，差值進(jìn)入PFMPFM是英文Pulse Frequence Modulation縮寫，脈沖頻率調(diào)制之意，RCC變換器的工作方式，而集成式開關(guān)電源大都為PWM工作方式，PWM是英文Pulse Width Modulation縮寫，脈沖寬度調(diào)制之意?？刂破?，輸出信號(hào)控制開關(guān)元件的導(dǎo)通/截止，從而調(diào)節(jié)輸出電壓。本文介紹的幾種RCC開關(guān)電源，由于圖1中的部分環(huán)節(jié)就被省掉了，整機(jī)的可靠性大為降低。圖（1） RCC充電器原理框圖本文通過對(duì)幾種不同RCC充電器電路關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)波形的測(cè)試分析，簡(jiǎn)述它們的工作原理，依據(jù)

6、電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提示讀者正確辯識(shí)它們性能的優(yōu)缺點(diǎn)，最后順便講述一些開關(guān)電源的通用電路知識(shí)，在此過程中體驗(yàn)數(shù)字存儲(chǔ)示波器在電子測(cè)量和原理分析中的應(yīng)用。希望讀者通過該文的閱讀，對(duì)RCC充電器有一定認(rèn)識(shí)，若讀者能在該文的指導(dǎo)下排除充電器的簡(jiǎn)單故障，乃讀者之幸，筆者之幸甚也！二、RCC變換器測(cè)試分析圖2是深圳市某電子有限公司生產(chǎn)的“快速手機(jī)充電器”（廠家命名）。產(chǎn)品規(guī)格：輸入 AC180-240V 50/60Hz 0.1A 輸出 DC6.5V 500mA MAX圖（2）圖3是東莞市某電子科技有限公司生產(chǎn)的萬(wàn)能手機(jī)充電器。產(chǎn)品規(guī)格：輸入 AC220V 100mA 輸出 DC4.2V 180±80

7、 mA 適用于250-3000mAh（毫安時(shí)）電池 圖（3）圖4是中山市某電子有限公司給中山市小霸王電子公司配用的MP3/4/5充電器。產(chǎn)品規(guī)格：輸入 AC110-250V 50/60Hz 0.1A 輸出 DC5V 300 mA 圖（4） 中山市小霸王電子公司MP3/4/5配用的充電器深圳市某電子有限公司生產(chǎn)的“快速手機(jī)充電器”完整電路如圖5。為方便說明問題，圖中專門標(biāo)注了P1-P6共六個(gè)測(cè)試點(diǎn)，其中P4最為關(guān)鍵。借助數(shù)字存儲(chǔ)示波器，提取關(guān)鍵點(diǎn)的波形，幫助大家分析電路的工作方式，因此P4測(cè)試點(diǎn)波形會(huì)在多個(gè)圖中出現(xiàn)，以期對(duì)比之用。市電經(jīng)保險(xiǎn)電阻R1輸入（也叫熔斷電阻，兼具電阻和保險(xiǎn)絲的雙重功能）

8、，經(jīng)D1D4橋式整流、C1濾波后到開關(guān)變壓器。廠家在設(shè)計(jì)時(shí)保留C1的位置，但是實(shí)際生產(chǎn)時(shí)并沒有安裝，為了測(cè)試需要筆者加裝之，如圖2（個(gè)頭大點(diǎn)），輕載時(shí)P1點(diǎn)電壓約300V（圖6測(cè)量值為）。電阻R2阻值較大，給Q1提供啟動(dòng)電流（R2也叫起動(dòng)電阻，系統(tǒng)一旦正常工作，R2不再起控制作用，斷開它系統(tǒng)仍能正常工作）。剛上電時(shí)先由R2使Q1導(dǎo)通，變壓器主繞組（-）產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，極性“正負(fù)”，輔助繞組（-）極性“正負(fù)”、經(jīng)C3&R7支路加到Q1的基極,Q1迅速飽和導(dǎo)通，集電極電流線性增加正反饋效應(yīng)（通俗地說就是一旦導(dǎo)通就讓它狠狠地通）。此時(shí)次級(jí)繞組極性“負(fù)正”，整流二極管D8反偏截止，變壓器主繞組

9、蓄積能量。開關(guān)管Q1的集電極電流增加到接近峰值時(shí)，變壓器主繞組極性反轉(zhuǎn)“正負(fù)”，輔助繞組“負(fù)正”，Q1基極有反向偏置電流Q1截止正反饋效應(yīng)（通俗地說就是一旦退出導(dǎo)通就快速地截止）。圖（5） 深圳市某電子有限公司生產(chǎn)的“快速手機(jī)充電器”13此時(shí)次級(jí)繞組“正負(fù)”，D8正偏導(dǎo)通，變壓器主繞組蓄積的能量瞬間耦合到次級(jí)，由次級(jí)再釋放給負(fù)載。RCC充電器屬自激振蕩開關(guān)電源，它無需激勵(lì)電路就可自由振蕩持續(xù)工作（工作方式類似無線電2009年第七期電子鎮(zhèn)流器中VT1、VT2交替開關(guān)），正常工作時(shí)P2、P4點(diǎn)電壓波形如圖7。如果沒有C1電路仍然能正常工作，但是整流后的100Hz脈動(dòng)直流周期性沖擊Q1，使Q1工作于

10、險(xiǎn)惡的環(huán)境下，它的安全性能大打折扣。 圖（6） P1點(diǎn)電壓波形 圖（7） 1是P2點(diǎn)電壓波形，2是P4點(diǎn)電壓波形R4是一個(gè)非常關(guān)鍵的元件，P5點(diǎn)電壓與Q1發(fā)射極電流成正比，電壓越高Q1發(fā)射極電流越大，如圖8信號(hào)CH1。 圖（8） 1是P5點(diǎn)電壓波形，2是P4點(diǎn)電壓波形 圖（9） P5點(diǎn)電壓波形圖8顯示在某負(fù)載下P5點(diǎn)電壓峰值約為472mV ()，由此可知Q1發(fā)射極電流峰值約為69.4mA（472mV/6.8）。此時(shí)，還可以粗略計(jì)算出占空比D（=/），方法如下：關(guān)掉通道CH2拉開波形，如圖9，啟用數(shù)字存儲(chǔ)示波器測(cè)量功能，測(cè)量Q1導(dǎo)通時(shí)間=1.52us，而開關(guān)頻率，即，因此這個(gè)數(shù)值顯示負(fù)載比較輕！

11、理論分析：若以熱地為參考點(diǎn)，當(dāng)輔助繞組“正負(fù)”時(shí)P3電壓為零（實(shí)際上約為-0.6V，D7的箝位作用），當(dāng)輔助繞組“正負(fù)”時(shí)P3電壓為某個(gè)高電壓，那么P3點(diǎn)電壓狀況究竟如何？實(shí)測(cè)P3點(diǎn)電壓波形如圖10，圖10顯示P3點(diǎn)電壓近似矩形波，低電平寬、高電平窄（占空比D?。唠娖椒逯到咏?0V，該電壓是輔助繞組自感電動(dòng)勢(shì)與電容C4電壓的疊加。圖（10） 1是P3點(diǎn)電壓波形，2是P4點(diǎn)電壓波形需要說明一下：正常工作時(shí)P6點(diǎn)電壓相當(dāng)穩(wěn)定，電壓值約5.7V，該值等于D5反向擊穿電壓和Q2發(fā)射結(jié)之和。三、RCC變換器等效拓樸電路研究圖5中輔助繞組整流方式和控制電路不太符合大家的欣賞習(xí)慣，它的的等效拓樸電路結(jié)構(gòu)

12、如圖11這個(gè)電路就是筆者之一葛中海于2004發(fā)表在貴刊年第七期的簡(jiǎn)易手機(jī)鎳氫電池充電器原理解析文中講過RCC變換器，有興趣的讀者可去查找它的完整電路。圖（11） 反饋繞組及相關(guān)電路等效拓樸結(jié)構(gòu)圖11反饋繞組及相關(guān)電路等效拓樸結(jié)構(gòu)與圖5工作原理基本相同，區(qū)別只是P3點(diǎn)電壓波形如圖10，沿縱向向下平移因?yàn)閳D5開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)P3點(diǎn)電壓是反饋繞組感生電壓與C4電壓之加，而圖11開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)P3點(diǎn)電壓就是反饋繞組感生電壓，如圖12。需要說明的是這個(gè)電路Q1具有過流保護(hù)功能，當(dāng)P5點(diǎn)電壓升高0.7V以上Q2導(dǎo)通， 拉低P4點(diǎn)電壓保證Q1的安全運(yùn)行。圖（12） 1是P3點(diǎn)電壓波形，2是P4點(diǎn)電壓波形圖5中D7

13、用于設(shè)置C4正極的直流電位，穩(wěn)壓值越大C4正極直流電位越高；由于初、次級(jí)之間沒有反饋通路，次級(jí)輸出電壓就由D7穩(wěn)壓值和主、輔繞組參數(shù)而定，穩(wěn)壓值越大輸出電壓越高，反之亦反；而等效拓樸電路中D7用于設(shè)置C4負(fù)極的直流電位，穩(wěn)壓值越大C4負(fù)極直流電位越低，同時(shí)輸出電壓越高，反之亦反。順便提示：同樣負(fù)載下圖12電路開關(guān)工作頻率升高為106kHz（頻率高乃效率高）。有些公司為了節(jié)省成本干脆把Q2去掉，在P4與地之間串入一只幾千歐的電阻作為穩(wěn)壓管D7的限流電阻，電路結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，如圖13。需要說明的是簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)安全性、可靠性都降低了。由于本電路Q1不具有過流保護(hù)功能，所以當(dāng)電路工作異常時(shí)，Q1和R4

14、很容易同時(shí)燒斷。圖（13） 反饋繞組及相關(guān)電路等效拓樸結(jié)構(gòu)圖（簡(jiǎn)化）實(shí)測(cè)圖13電路P3、P4點(diǎn)電壓波形如圖14。 圖（14） 1是P3點(diǎn)電壓波形，2是P4點(diǎn)電壓波形 圖（15） 輕載間歇振蕩現(xiàn)象（原電路P3點(diǎn)電壓波形）筆者實(shí)際的測(cè)試體驗(yàn)：同樣負(fù)載下，開關(guān)管發(fā)熱最小的是圖11等效拓樸電路，圖5和圖13差不多。需要說明的是，當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)Q1的基極電流會(huì)相應(yīng)減小，集電極電流峰值也減小，同時(shí)導(dǎo)通時(shí)間也隨之變短，另外，輸入電壓的升高也會(huì)引起導(dǎo)通時(shí)間變短?？梢韵胂螅寒?dāng)輸入電壓最高，輸出功率最小時(shí)也最短；若輸入電壓升高，輸出電流又下降，它作為最小值的輸入電壓與輸出電流的界限時(shí)，就不能維持正常振蕩，從而出現(xiàn)間

15、歇振蕩現(xiàn)象，見圖15。該電路次級(jí)輸出與初級(jí)沒有反饋通路，所以輸出電壓不是絕對(duì)的穩(wěn)定。實(shí)際上充電器設(shè)計(jì)時(shí)是以輸入電壓220V時(shí)來考量的，若輸入電壓減小很多，輸出電壓也會(huì)適當(dāng)下降，負(fù)載很重時(shí)輸出電壓也會(huì)下降。四、其它電路認(rèn)識(shí)圖16東莞市某電子科技有限公司生產(chǎn)的萬(wàn)能手機(jī)充電器，該圖反饋繞組及相關(guān)電路采用圖11等效拓樸結(jié)構(gòu)。廠家為了節(jié)約成本，只用一只高壓二極管整流，虛線框內(nèi)的器件是筆者補(bǔ)畫上的，原電路板根本沒有設(shè)計(jì)上，見圖3。端子J1和J2由導(dǎo)線接到面殼的兩個(gè)彈片，作為電池的充電通路。U2是變色燈，外形如是透明的LED，內(nèi)部有3個(gè)發(fā)光二極管管芯，并配有單片機(jī)控制3個(gè)發(fā)光二極管單獨(dú)或混合發(fā)光，并按一定時(shí)

16、間規(guī)律循環(huán)發(fā)光，有6、7種不同的發(fā)光顏色，是近幾年新出的器件，本圖由筆者自編符號(hào)。R7給Q3提供基極電流，Q3導(dǎo)通、輸出電壓由R16、R17分壓后控制U2，而 R7 和U2組合又反過來調(diào)控Q3基極電位。正常工作時(shí)U2的2腳為2.5V，因此Q3輸出電壓被調(diào)整到約4.3V（Q3基極約4.9V），當(dāng)該電壓由于某種原因升高（或降低）時(shí)，經(jīng)R16、R17分壓后控制U2，使U2吸納的電流增大（或減?。?，由于R7的調(diào)壓作用，使Q3輸出電壓保持穩(wěn)定。再來分析本電路是如何充電的！初始觀察Q4Q7及外圍電阻R11R14，電路呈對(duì)稱分布，連給電池充電的地線都沒有，怎么能充電呢？雖然電路呈對(duì)稱分布，但參數(shù)不可能完全一

17、致。假設(shè)Q4先導(dǎo)通（基極有電流通路：基極R11R13Q7發(fā)射結(jié)），發(fā)射極輸出高電平，該電平立即促使Q6導(dǎo)通J1接地（若沒有Q6，Q4和Q7基極都有偏置電壓，它們導(dǎo)通把Q3輸出電壓接地），Q4維持導(dǎo)通電路自鎖！J2為高電平。假設(shè)Q5先導(dǎo)通（基極有電流通路：基極R14R14Q6發(fā)射結(jié)），發(fā)射極輸出高電平，該電平立即促使Q7導(dǎo)通J2接地（若沒有Q7，Q5和Q6基極都有偏置電壓，它們導(dǎo)通把Q3輸出電壓接地），Q5維持導(dǎo)通電路自鎖！J1為高電平。上述分析認(rèn)為端子J1和J2“誰(shuí)高誰(shuí)低”完全是隨機(jī)的，無論電路是哪種導(dǎo)通組合通路電流都很小。當(dāng)電池裝入時(shí)情況將發(fā)生奇妙的變化J1和J2“誰(shuí)高誰(shuí)低”完全由電池裝入的

18、極性而定！當(dāng)J1接電池正極、J2接電池負(fù)極，Q5、Q7組合導(dǎo)通給電池充電；當(dāng)J1接電池負(fù)極、J2接電池正極，Q4、Q6組合導(dǎo)通給電池充電，因此這種電路不存在因電池裝反致壞之事，所以稱萬(wàn)能充電器。U3變色燈工作方式如下：空載或負(fù)載較輕時(shí)Q8發(fā)射結(jié)臨界截止、輸出電壓較低，不足以驅(qū)動(dòng)U3工作。當(dāng)負(fù)載較重時(shí)Q8發(fā)射結(jié)達(dá)0.7V以上，流過R8的電流約90mA100mA，Q8飽和導(dǎo)通、輸出電壓較高。給電池充電的電流一部分來至R8，另一部分來自Q8發(fā)射結(jié)。圖17是中山市小霸王電子公司MP3/4/5配用的充電器，USB接口輸出、適合于小巧精致的袖珍電器充電，該圖反饋繞組及相關(guān)電路采用圖13等效拓樸結(jié)構(gòu)。廠家為

19、了節(jié)約成本，只用一只高壓二極管整流，見圖4。另外，本電路初、次級(jí)雖有光耦反饋控制，但是次級(jí)電壓取樣和電壓比較放大環(huán)節(jié)電路原理設(shè)計(jì)有問題，所以輸出電壓也不穩(wěn)定。需要說明的是，無論采用哪種電路拓樸結(jié)構(gòu)，最常損壞的器主要都是開關(guān)管、開關(guān)管發(fā)射極電阻和穩(wěn)壓管，部分充電器開關(guān)管燒穿后引起保險(xiǎn)電阻燒斷，因此在檢修時(shí)特別留意這幾個(gè)位置的元器件。13001是小功率晶體管，電流放大倍數(shù)約20左右，TO92封裝，可以代換它的小功率晶體管有XW6822和BV68，如圖5。圖（16） 東莞市某電子科技有限公司生產(chǎn)的萬(wàn)能手機(jī)充電器圖（17） 中山市小霸王電子公司MP3/4/5配用的充電器16五、開關(guān)電源一般知識(shí)1反饋電

20、路開關(guān)電源次級(jí)反饋控制電路一般采用圖18的電路結(jié)構(gòu)，輸出電壓可以表示成，其中。TL431是這個(gè)電路的核心器件， R3和R4是采樣電阻，由于TL431基準(zhǔn)端基本不取電流，R3、R4分壓節(jié)點(diǎn)的電壓為2.5V，若由于某種原因使輸出升高，節(jié)點(diǎn)電壓隨之升高， TL431導(dǎo)通增強(qiáng)、吸納更多電流，于是光耦二極管發(fā)光增強(qiáng)，從而控制初級(jí)開關(guān)電路，使輸出電壓降低。若輸出降低反饋電路同樣能自適應(yīng)調(diào)整，使輸出電壓升高。關(guān)于這個(gè)電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)選擇，有更多的專業(yè)知識(shí)和工作經(jīng)驗(yàn)需要補(bǔ)充，但是，因篇幅所限，在此從略。圖（18）開關(guān)電源標(biāo)準(zhǔn)反饋控制電路2RCD吸收電路參看圖5，R8、C6和D6 構(gòu)成RCD吸收電路（電阻、電容

21、和二極管），用以吸Q1截止時(shí)變壓器主繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)。因?yàn)镼1截止時(shí)變壓器主繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)極性“負(fù)正”，該電壓與電源同相串聯(lián)施加到開關(guān)管Q1的集電極，Q1集電計(jì)將承受很高的電壓，增加 RCD吸收電路可以適當(dāng)減小峰值電壓（原理類似于三極管控制繼電器，在繼電器兩端反并聯(lián)二極管，三極管由導(dǎo)通截止時(shí)，繼電器線圈感生電動(dòng)勢(shì)由反并聯(lián)二極管提供電流通路、釋放能量）。既使有RCD吸收電路保護(hù)，在Q1剛截止時(shí)集電極的電壓仍然高達(dá)400V左右，見圖7。若沒有RCD吸收電路，Q1集電極電壓更高這是Q1安全工作的一大隱患。許多國(guó)內(nèi)廠商對(duì)RCD吸收電路認(rèn)識(shí)不足，個(gè)別廠商更認(rèn)為它可有可無，如圖2東莞市某電子科技有限公司生產(chǎn)的萬(wàn)能手機(jī)充電器干脆把RCD吸收電路去掉了可以想象這個(gè)充電器安全工作狀況如何了！既使國(guó)內(nèi)部