不容錯(cuò)過!開關(guān)電源功能電路及其原理詳解
發(fā)布時(shí)間:2014-12-22 責(zé)任編輯:xueqi
【導(dǎo)讀】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。下文將分別介紹開關(guān)電源的各種功能電路及其原理。
一、 開關(guān)電源的電路組成
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。開關(guān)電源的電路組成方框圖如下:
開關(guān)電源的電路組成方框圖
二、 輸入電路的原理及常見電路
1、AC輸入整流濾波電路原理:
輸入濾波、整流回路原理圖
① 防雷電路:當(dāng)有雷擊,產(chǎn)生高壓經(jīng)電網(wǎng)導(dǎo)入電源時(shí),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(shí),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(huì)燒毀保護(hù)后級(jí)電路。
② 輸入濾波電路:C1、L1、C2、C3組成的雙π型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對(duì)輸入電源的電磁噪聲及雜波信號(hào)進(jìn)行抑制,防止對(duì)電源干擾,同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對(duì)電網(wǎng)干擾。當(dāng)電源開啟瞬間,要對(duì)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(shí)能量全消耗在RT1電阻上,一定時(shí)間后溫度升高后RT1阻值減?。≧T1是負(fù)溫系數(shù)元件),這時(shí)它消耗的能量非常小,后級(jí)電路可正常工作。
③ 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。
2、 DC輸入濾波電路原理:
① 輸入濾波電路:C1、L1、C2組成的雙π型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對(duì)輸入電源的電磁噪聲及雜波信號(hào)進(jìn)行抑制,防止對(duì)電源干擾,同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對(duì)電網(wǎng)干擾。C3、C4為安規(guī)電容,L2、L3為差模電感。
② 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(shí)Q2導(dǎo)通。如果C8漏電或后級(jí)電路短路現(xiàn)象,在起機(jī)的瞬間電流在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(huì)在很短的時(shí)間燒毀,以保護(hù)后級(jí)電路。
三、 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(chǎng)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(chǎng)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)力減少,EMI減少,不發(fā)生二次擊穿。在開關(guān)管Q1關(guān)斷時(shí),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(cè)得的電流峰值信號(hào)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(shí),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(huì)很大;R1過大,會(huì)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(shí),Q1導(dǎo)通時(shí)間越長,變壓器所儲(chǔ)存的能量也就越多;當(dāng)Q1截止時(shí),變壓器通過D1、D2、R5、R4、C3釋放能量,同時(shí)也達(dá)到了磁場(chǎng)復(fù)位的目的,為變壓器的下一次存儲(chǔ)、傳遞能量做好了準(zhǔn)備。IC根據(jù)輸出電壓和電流時(shí)刻調(diào)整著⑥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。
4、推挽式功率變換電路: Q1和Q2將輪流導(dǎo)通。
5、有驅(qū)動(dòng)變壓器的功率變換電路:T2為驅(qū)動(dòng)變壓器,T1為開關(guān)變壓器,TR1為電流環(huán)。
四、 輸出整流濾波電路
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為削尖峰電路。L1為續(xù)流電感,C4、L2、C5組成π型濾波器。
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π型濾波器。
3、 同步整流電路:
工作原理:當(dāng)變壓器次級(jí)上端為正時(shí),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(jí)下端為正時(shí),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π型濾波器。R1、C1、R9、C4為削尖峰電路。
五、穩(wěn)壓環(huán)路原理
1、反饋電路原理圖:
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,U1③腳電壓升高,當(dāng)其超過U1②腳基準(zhǔn)電壓后U1①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,UC3842①腳電位相應(yīng)變低,從而改變U1⑥腳輸出占空比減小,U0降低。
當(dāng)輸出U0降低時(shí),U1③腳電壓降低,當(dāng)其低過U1②腳基準(zhǔn)電壓后U1①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,UC3842①腳電位升高,從而改變U1⑥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。
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(cuò)、漏、虛焊等,會(huì)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。
六、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(gè)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(shí)不起作用時(shí),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,UC3842①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,UC3842⑦腳VCC電位被拉低,IC停止工作。UC3842停止工作后①腳電位消失,TL431不導(dǎo)通UC3842⑦腳電位上升,UC3842重新啟動(dòng),周而復(fù)始。當(dāng)短路現(xiàn)象消失后,電路可以自動(dòng)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,UC3842①腳電壓上升,U1 ③腳 電位高于②腳時(shí),比較器翻轉(zhuǎn)①腳輸出高電位,給 C1充電,當(dāng)C1兩端電壓超過⑤腳基準(zhǔn)電壓時(shí) U1⑦腳輸出低電位,UC3842①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(shí)間常數(shù), 阻值不對(duì)時(shí)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,變壓器原邊電流增大,R3 兩端電壓降增大,③腳電壓升高,UC3842⑥腳輸出占空 比逐漸增大,③腳電壓超過1V時(shí),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(jí)線圈感 應(yīng)的電壓就越高,當(dāng)UC3842③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)。
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七、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(shí),RS(錳銅絲)兩端電壓上升,U1③腳電壓高于②腳基準(zhǔn)電壓,U1①腳輸出高電壓,Q1導(dǎo)通,光耦發(fā)生光電效應(yīng),UC3842①腳電壓降低,輸出電壓降低,從而達(dá)到輸出過載限流的目的。
八、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(jì)值時(shí),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(shí),過壓保護(hù)電路進(jìn)行保護(hù)以防止損壞后級(jí)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(duì)地短路,過流保護(hù)電路或短路保護(hù)電路就會(huì)工作,停止整個(gè)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)電壓通過R對(duì)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(shí),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③腳電降低,使IC關(guān)閉,停止整個(gè)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(dòng)電壓而道通,UC3842③電壓升高,輸出降低,穩(wěn)壓管不導(dǎo)通,UC3842③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)。
4、輸出過壓鎖死電路:
圖A的工作原理是,當(dāng)輸出電壓Uo升高,穩(wěn)壓管導(dǎo)通,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,UC3842③腳始終是高電平而停止工作。在圖B中,UO升高U1③腳電壓升高,①腳輸出高電平,由于D1、R1的存在,U1①腳始終輸出高電平Q1始終導(dǎo)通,UC3842①腳始終是低電平而停止工作。正反饋?
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九、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(hào)的占空比,即改變Q1的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間,穩(wěn)定PFC輸出電壓。L4是PFC電感,它在Q1導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存能量,在
Q1關(guān)斷時(shí)施放能量。D1是啟動(dòng)二極管。D2是PFC整流二極管,C6、C7濾波。PFC電壓一路送后級(jí)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(hào)的占空比,穩(wěn)定PFC輸出電壓。
十、輸入過欠壓保護(hù)
1、 原理圖:
2、工作原理:
AC輸入和DC輸入的開關(guān)電源的輸入過欠壓保護(hù)原理大致相同。保護(hù)電路的取樣電壓均來自輸入濾波后的電壓。
取樣電壓分為兩路,一路經(jīng)R1、R2、R3、R4分壓后輸入比較器3腳,如取樣電壓高于2腳基準(zhǔn)電壓,比較器1腳輸出高電平去控制主控制器使其關(guān)斷,電源無輸出。另一路經(jīng)R7、R8、R9、R10分壓后輸入比較器6腳,如取樣電壓低于5腳基準(zhǔn)電壓,比較器7腳輸出高電平去控制主控制器使其關(guān)斷,電源無輸出。
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