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开关电源精讲精修连载

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发表于 2013-1-10 21:02:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
         众所周知:开关电源是把一个直流电压通过电子开关逆变,产生各种需要的电压,比如我们这行接触最多的液晶电源,本本适配器,ATX电源等等。如何从AC220V产生300VDC就不用说了,直接从逆变过程开始,先看个示意图:

  图中K为一个电子开关,就是我们所说的开关管,当然它处于高速开关状态:
   1,当K导通时,300V经L1,K到热地构成回路是,这是一个储能过程,即来自300V的电能以磁能的方式被储存在L1中。这时L1感应电压的极性为上正下负,而L2感应电压极性为上负下正,显然整流管D是截止的。负载RF所需电能由滤波电容C在上一过程中所储存的能量提供。
   2,当K截止时,L1感应电压极性为上负下正,其所储存磁能被互感耦合到L2,在L2中转换为一个上正下负的电压,完成电---磁---电的转换。这时D导通,其输出的能量一方面供给RF,另一方面向C充电补充能量.....
    值得提出的是:在这种单端激励的电源中,能量的输出只有也只能在开关管截止过程中进行,如果在开关管导通储能过程中输出太大能量(小额输出是可以的),那么电源的工作将无法继续。整流管D这在里的作用叫隔离更为贴切,同样,滤波电容C更应理解为储能平滑。
   前边说的这种单端反激电源,很明显存在两个问题:
  1,不能输出交流,因为储能期间是不能输出能量的;
  2,负载电流不可能很大,因为有半个周期是靠电容放电来供电的,再说能量输出也只有半个周期。
  那么很容易得出结论:这种电源不能用在需要交流输出的场合,比如电子变压器,镇流器;也不能用在需要大电流输出的场合,比如ATX电源,动辄几十A的电流这种电源是无能为力的。我们来看另一种传说中的半桥式电源:


    本电源中用了两个开关管Q1,Q2,它相当于前边提到的开关,且他们总是轮流导通的。DC300V 经C1,C2串联滤波,静态条件下两个电容各得一个约150V的电压。这里为什么要用两个电容而不用一个呢?呵呵,别急,一会就明白了。现在我们来看下本电路的工作过程:
    1,Q1 导通Q2截止,这时C1放电向C3充电,路径为:C1上正---Q1 ce---L1(从下到上)---C3充电(左负右正)---C1下负。
    2,Q1截止Q2导通,这时C2放电向C3反向充电,路径为:C2上正---C3反向充电(左正右负)---L1(从上到下)Q2 ce---C2下负。
    整个过程可以看出,只要我们设法让Q1,Q2维持交替导通,则L1就不断有交流通过。首先,让L2输出交流供给负载是没问题了,其次,虽然我们在这里接了个二极管D整流,RF实际上仍然只用了半个周期,但能量输出已经不是半个周期而是整个周期了,如果开关频率足够高,且滤波电容C4的容量足够大,要输出大电流是没问题的。
     现在明白ATX电源为什么要用两个滤波电容,两个开关管了吧?当然,小功率和山寨得离谱的电源例外。
     无论哪种电源,开关管总是需要有一个开关脉冲来驱动,使之处于开关状态,就激励方式而言,可以分为两种:
    1,它激式电源,比如绝大多数液晶和本本适配器电源就是这类:

这种电源中,有一个驱动IC来专门产生开关脉冲用以驱动开关管,具体原理以后再说。
     2,自激式电源,比如ATX电源中的辅助电源:

  先介绍下各元件:
  1,R1:启动电阻,为开关管提供启动电流,使之能启动正反馈电路进入自激振荡。要注意这个电阻的目的是为Q1提供一个初始的Ib,那么它在电路中的接法就是一端接300V,另一端接开关管b。阻值一般在220K以上。把握这样些要点,相信任何一个自激式电源,很容易找到启动电阻。
  2,C1:正反馈电容,在0.1U以下;R2:正反馈电阻,阻值为几十欧;L2:正反馈绕组,是开关变压器的绕组之一。这3个元件一起组成正反馈电路,接法是正反馈电容,正反馈电阻,正反馈绕组串联(串联的顺序在各电源中可能不同),然后并联在开关管的be之间。(注意:开关管e通常会通过一个1欧以下的电流取样电阻接地,分析正反馈回路时忽略此电阻)
  振荡过程:
1,脉冲上升沿:通电时R1为Q提供Ib(300V---R1---be---地),使之导通。L1,L2感应电压极性为上正下负,L3为上负下正(极性问题由各线圈同名端也就是开关变压器的绕制决定)。其中L2感应电压会对C1充电(L2上正---R2---C1充电上负下正---be---地---L2下负),而这个充电电流与原来R1提供的Ib迭加的结果是Ib加大---IL1加大----UL2加大---C1充电电流加大----Ib更大......如此一个正反馈过程,使Q迅速进入饱和。注意这一过程L3的感应电压极性始终是上负下正,D截止,不对外输出能量。否则(比如D击穿),L2在第一过程中可能没有足够高的感应电压对C1充电引起正反馈而使电路停振。
2,脉冲平顶:Q饱和后,L1中的电流必然线性增大,依据电感特性,L2感应电压为一固定值。一个固定的电压对C1充电,显然这个电流是一个由大到小的电流,但只要能够维持Q饱和,则此状态并不改变,形成脉冲平顶。
  3,脉冲下降沿:接前一过程,C1的充电电流持续减小,终会使Q退出饱和进入放大状态。一旦至此,L1中的电流必然开始减小,那么L2中的感应电压立即反向,也就是上负下正。C1下端电压由正转负,依据电容特性,其上端电压也会发生相同变化,不难看出这个电压也就是Q b的电压很快会进入一个很深的负值,Q立即转入截止,形成脉冲下降沿。此过程L3通过D对外输出电能。
  4,间歇阶段:随着L3的放电,电感中储存的磁能必然逐步减小,UL2也同步减小,这时实际加在Q 的be上的电压是UL2(负值)和UC1(正值)的迭加,只要这个迭加值不超过Q的开启电压,则Q维持截止,形成脉冲间歇阶段。
   当L3放电使UL2和UC1的迭加值达到Q的开启电压时,Q会再次导通,进入下一个周期。注意这里Q的再次导通与R1无关,也就是说R1一旦完成启动后就失去了作用,很玄是吗?你试试在自激电源启动后如果断开启动电阻,电源还能正常工作的话,那就很说明问题了。
    至此,自激电源振荡原理结束,但这还不是一个实用的电源,这只是一个自由振荡,如果不用稳压电路来控制它的脉冲宽度的话,一通电,开关管就会因为导通时间过长,C极电流过大而灰飞烟灭。
(待续)

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wangyjkang + 12 很给力!
逸信科技 + 12 神马都是浮云
草上飞 + 25 让我联想到发动机两冲程和四冲程的原理了!.
寂寞修行 + 16 很给力!
计将安出 + 2 + 30
admin + 3 + 100

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 楼主| 发表于 2013-1-14 21:57:43 | 显示全部楼层
    有了前面的知识,现在我们至少应对ATX电源中的辅助电源是小菜一碟了,我们来看一个电路截图:

   上图是一个长城电源中的辅助电源,起眼一看,这电源似乎不认识了,不是吗?没有脉宽调整管,也没有比较放大,更没有光耦。呵呵,前面说过,学东西要把握关键,举一反三嘛,等会你就明白这个电源其实比我们前边讲的那些要简单得多,因为这个电源要求并不高。
    AC220V输入经D01-D04整流,C01-C02滤波产生300VDC,经限流电阻R80加到开关管V01的C极绕组L1,R82是启动电阻,正反馈元件是R81,C81,L2。启动和振荡原理用前边所学的东西,很容易就明白了,不在我们讨论之列。
     我们注意到在正反馈电容C81的两端并联了一个R85和D83,这两个元件是做什么的呢?它叫做展宽电路,通常就一个二极管或再串联一个小电阻并联在正反馈电容两端。它的作用是提高电源的低压启动性能,原理是如果AC过低,必然导致300VDC过低,那电源启动瞬间正反馈绕组L2的感应电压也过低,可能不足以引起正反馈使电源起振。导致电源在AC过低时不启动或启动困难。加入D83,在电源启动瞬间为正反馈电流提供一个旁路(与正反馈电容充电电流并联),加大开关管Ib,使开关管能顺利进入放大状态而引起正反馈,以改善电源的低压启动性能。注意加有展宽电路的电源其正反馈电容容量通常较小,如果展宽电路开路,引起的故障可能是电源输出过低或带负载能力差。
      C80和R84组成尖峰脉冲吸收回路,防止开关管C极在截止时出现过高脉冲击穿开关管,也可能在开关管C到地之间串接RC元件实现此功能。
      重点来讨论下本电路的稳压原理,这其实是一个很简单的间接取样式稳压电路:正反馈绕组L2的感应电压经D80整流,C82滤波产生一个工作负压。当电源输出过高时,UL2必然也高,那么工作负压也高。注意这个电压是加在D82负端,还有一个ZD1接在开关管b,当工作负压升高到超过ZD1击穿电压时,ZD1击穿,对开关管Ib分流(V01 b--ZD1--D82--工作负压),使开关管V01提前截止实现稳压。很明显,这里从工作负压取样,其实稳定的是工作负压,利用工作负压与两组输出电压之间的固定比例关系,间接实现对输出电压的稳压,这就是所谓的间接取样。由于取样端在热地,就无需冷热地隔离,当然也用不上光耦合.
       L3输出的电压经D29,C26整流滤波,再经过三端稳压器7805产生稳定的5V电压,这就是待机电压5VSB;L4输出的电压经D30,C16整流滤波,产生20V辅助电压,供给主电源驱动IC,以产生驱动脉冲使主电源工作。

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发表于 2013-8-7 19:51:02 | 显示全部楼层
路过,学习中,觉得好
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发表于 2014-5-21 08:57:19 | 显示全部楼层
这帖子得收藏!没事儿的时候好好学习学习!电源修不好时还能给点思路!太好了!!
不过一年来我发现一个修电源的窍门!很多电源板别人修不好的,都是贴片电阻或色环电阻阻值不对引起的无输出或输出跳变!我倒没系统的学过,但一遇到不好弄的我就仔细的查电阻和一次电源的电容,好多别人修不上的我都修好了!等不忙的时候我好好学习学习这帖子!在充实一下自己!
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发表于 2014-4-5 01:36:57 | 显示全部楼层
看到好的资料了,辛苦楼主
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发表于 2014-3-11 14:06:09 | 显示全部楼层
非常好的资料~
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发表于 2013-12-21 22:37:49 | 显示全部楼层
讲得很透彻。学习了。
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发表于 2013-6-24 11:39:19 | 显示全部楼层
高手,分析的金皮
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发表于 2013-7-7 16:19:04 | 显示全部楼层
很实用 实战经验 受益很多。。。
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 楼主| 发表于 2013-1-13 22:04:47 | 显示全部楼层
   负责检测输出电压是否达到设计值并输出控制信号的任务由比较放大器来完成,所谓比较,就是比较输出电压的取样值和基准电压的大小,以判断输出电压的高低;所谓放大,就是将二者的比较误差值放大,以提高控制精度。我们来看一个实例:

    图中Q3及外围电路组成比较放大器,其中D2产生一个基准电压加在Q3 e,加入R2的目的是使基准电压更加稳定。因为稳压管有一个最小稳定电流(一般取10mA),意思是稳压管反向击穿电流大于此值,才能获得最佳稳压精度,加入R2的目的就在于此。当然,在精度要求不高的场合,这个电阻是可以取消的。R3,R4在这里对输出电压取样,取样值送入Q3 b,由Q3完成比较放大。其实也可以简单理解为如果输出电压达到设计值,则Q3导通....很明显改变R3,R4就可以改变输出电压值,这里给出一个输出电压的参考计算公式:U=UD2*(1+R3/R4),其中UD2是D2的稳压值。
    这里用了一个光耦来完成冷热地的隔离,所谓热地,可以理解为连接300V的地,冷地是输出端的地。冷热地的隔离很必要,否则,输出端的地接热地的话,整机会带电打人。当然隔离问题也可以用间接取样的方式由变压器来完成,不过这种方式存在固有软肋,现有电源基本都采用光耦隔离。光耦的工作原理是假设LED端有电流通过,则光电三极管端就导通,因为LED光使内部光电池产生电流注入光电管b.
    好了,现在我们来分析下工作过程:输出电压升高达到设计值---经R3,R4取样---Q3导通---光耦LED发光(输出电压---R1---LED---Q3 ce---D2---地)---光耦导通---调整管Q2导通(Q2 e---b---光耦---地)---Q2对Q1的Ib分流---Q1提前截止停止储能---输出电压不再上升即稳定在设计值。
    当然,大家接触最多的可能是所谓的精密稳压器TL431,其实可以把它理解为一个比较放大器的集成体:

    图中IC1就是TL431,内部带有一个2.5V的基准电压VRef,l输出电压VO2经R1 ,R2取样后送到TL431 R端在内部完成比较放大,当这个取样值达到2.5V时,431的 K到A端导通,光耦N1导通......输出电压的参考计算公式是:VO2=(1+R1/R2)*VRef,其中VRef=2.5V.
     一个开关电源中往往不止一组输出电压,(比如上图中就有VO1,VO2两组),那是不是每组电压都要设一个稳压电路呢?那倒不必,虽然要设也不是没有办法。为什么呢?开关变压器输出绕组的匝数是固定的,那就决定了各组电压之间有一个固定的比例,其中一组稳定,那么其它各组也就稳定了。至于到底从哪组电压取样,基本的设计原则是选择精度要求最高的那组,比如液晶电源中的5V。值得提出的是这个"固定比例“是建立在各组输出电压带有合适负载的前提下,如图中假设VO1是空载,那么测得的电压是偏高的。比如液晶电源通常从5V取样,而15V左右的高压条供电电压在高压条工作与否的情况下电压值是不同的,这一问题在某些情况下是必须重视的。所以,在液晶电源中往往要从高压条供电电压那组接相关元件到取样电路,防止在高压条不工作时这组电压过高,使滤波电容容易怀孕。
     OK,到这里我们已经完整地了解了一个自激式单端反激电源的关键电路,把握关键,任何一个自激式单端反激电源都将不在话下。但是路还很长,一个实用的电源往往会加入一些更为复杂的保护性电路,把握关键,举一反三就看各位的了。

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完了么 意犹未尽啊  发表于 2013-1-13 23:20
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发表于 2013-1-10 21:39:14 | 显示全部楼层
{:soso_e179:}{:soso_e179:}慢慢学习
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发表于 2013-1-10 21:28:35 | 显示全部楼层
电源部分的原理博大精深啊 没有几年扎扎实实的研究 不可能精通
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发表于 2013-1-10 21:49:20 | 显示全部楼层
开关电源很复杂呀,我还要学习!学到老用到老!!
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发表于 2013-1-10 22:17:41 | 显示全部楼层
学习
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发表于 2013-1-11 09:37:20 | 显示全部楼层
支持楼主啊  好文章
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发表于 2013-1-11 10:48:51 | 显示全部楼层
类似的发动机做功原理:一个周期,单管的是做功一次,双管的是做功两次
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 楼主| 发表于 2013-1-11 23:26:44 | 显示全部楼层
     前面说到必须加入稳压电路去控制自激振荡,电路才能工作。这里我们首先要明白,稳压的前提条件是自由振荡时电源的输出电压必须要高于设计值,因为稳压的动作是单方向的,也就是它是在自由振荡输出电压的基础上把电压降低,使之符合设计值。例如要输出5V的电压,自由振荡时的输出电压必须要高于5V,加入稳压电路,使输出达到5V时立即让开关管提前截止,停止储能,则电压不会再上升而稳定在5V,开关管也不会因电流继续加大而烧毁。如果因为某种原因(比如正反馈系数减小,最常见的是正反馈电容容量过小)自由振荡时输出电压达不到设计值,则这时稳压电路是不工作的,加不加稳压电路输出电压都会过低。
     那么怎么在输出电压达到设计值时让开关管提前截止呢?方法很简单:为开关管的Ib提供一个分流通路,在输出达到设计值时这个通路导通分流使之退出饱和,让开关管立即提前转入截止。如下图:

      三个图中Q1为开关管,Q2就是前边提到的分流通路,叫做脉宽调整管,可以用NPN管,也可以用PNP管实现;可以把Ib分流入地,也可以分流入一个工作负压。其中工作负压是根据需要在电路中设置的一组供给电源自身的电压,当然也可能有工作正压,通常可以由正反馈绕组或单独设置一个工作电压绕组经整流滤波产生,各电源设计有所不同。
    剩下的事就是要检测出输出电压是否达到设计值并将结果用来控制脉宽调整管就OK了,这部份原理下节继续。

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参与人数 1金钱 +30 收起 理由
admin + 30 很详细了

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