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反激開關(guān)電源電路分析

發(fā)布時間:2023-07-27作者:admin點擊:730

  最近在某寶買了一個AC-DC 開關(guān)電源,向他要一個原理圖,想著哪里壞了可以自己修一修,結(jié)果說沒有。這我怎么能忍??于是自己就結(jié)合網(wǎng)上資料和板子的絲印畫出了他的原理圖。

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  原理圖如下:

  

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  開關(guān)電源基礎(chǔ)知識

  開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電子電力技術(shù),控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率。維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM) 控制 IC 和MOSFET構(gòu)成。

  開關(guān)電源的類型

  線性穩(wěn)壓器

  所謂線性穩(wěn)壓器,也就是我們所說的LDO,一般有這兩個特點:

  傳輸元件工作再線性區(qū),它沒有開關(guān)的跳變。

  僅限于降壓轉(zhuǎn)換。

  開關(guān)穩(wěn)壓器

  傳輸器件開關(guān)(場效應管),在每個周期完全接通和完全切斷的狀態(tài)。

  里面至少包括一個電能儲能的元件,如電感或電容。

  多種拓撲(降壓,升壓,降壓-升壓)。

  我們知道,所有的能量都不會憑空消失,損耗的能量最終都會以熱的形式傳遞出去,這樣,電路中就需要增加更大的散熱片。結(jié)果電源的體積就會變大,并且整機的效率也很低。

  如果在開關(guān)模式的開關(guān)電源,不僅可以提高效率,還可以降低熱管理。

  什么是開關(guān)穩(wěn)壓器?

  

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  開關(guān)穩(wěn)壓器,實現(xiàn)穩(wěn)壓,就需要控制系統(tǒng)(負反饋),從自動控制理論中我們知道,當電壓上升時,通過負反饋把他降低,當電壓下降時,就把它升上去。這樣就形成了一個控制的環(huán)路,如PWM(脈寬控制),PFM(頻率控制)等。

  脈寬調(diào)制方式(PWM)

  周期性的改變開關(guān)的導通與關(guān)斷時間的簡單方法

  

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  占空比:開通的時間 Ton 與開關(guān)周期 T 的比值,Ton(開通時間) + Toff(關(guān)斷時間) = T(開關(guān)周期)。占空比 D = Ton / T 。

  但是,我們不能采用一個脈沖輸出,需要一種實現(xiàn)能量流動平穩(wěn)化的方法。通過很多的脈沖,高頻的切換,將再開關(guān)接通期間存儲能量,而在開關(guān)切斷時提供能量的方法,從而實現(xiàn)平穩(wěn)。

  電子行業(yè)中,兩種儲能元件

  

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  實例,簡化的降壓開關(guān)電源

  

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  如圖,是一個簡化的降壓開關(guān)電源,為了方便電路分析,先不加入反饋控制部分。

  狀態(tài)1:當 S1 閉合時,輸入的能量從C1 ,通過S1 --> 電感器L1 --> 電容器C2 --> 負載RL供電,此時,電感器L1同時也在 儲存能量,可以得到 加載L1上的電壓為 :Vin - V0 = L*di/dton。

  狀態(tài)2:當 S2 關(guān)斷時,由于電感儲存能量,( 電感阻礙電流的變化,與電流的方向一致,變化時,將電感理解為一個電壓源,該電壓源輸出的電流與原來的一致。)因此,從電感器L1儲存的能量 --> 電容器C2 --> 負載RL --> 二極管D1。此時可得式子:L*di/dtoff = V0。

  最后我們得出 V0/Vin = D

  各個器件的作用:

  1、電容C1 : 用于使輸入電壓平穩(wěn)。

  2、電容C2:負責輸出電壓平穩(wěn)。

  3、鉗位二極管:在開關(guān)開路時,為電感器提供一條電流通路。

  4、電感器 L1:用于存儲即將傳送置負載的能量。

  反激式變換器

  反激式變換器是由 Buck-Boost 變換器推演而來,將電感變換一個隔離變壓器,就可以得到下圖的反激式變換器。

  

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  反激的重要波形

  

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  當開關(guān)管開通,電感的電流上升,可以看出,它的電流圖形和 BUCK-BOOSK的圖形是非常相似的,它的區(qū)別就是一個原副邊的匝數(shù)比,這里也可以看做變壓器就是一個電感的作用。

  單端反激式開關(guān)電源

  單端反激式開關(guān)電源如圖所示,電路中所謂的單端是指高頻變化器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè)。所謂的反激,是指開關(guān)管導通時,高頻變壓器T初級繞組的感應電壓為上正下負,整流二極管D1處于截止狀態(tài),再初級繞組中存儲能量。當開關(guān)管截止時,變壓器T初級繞組中存儲的能量,通過次級繞組激VD1整流和電容C濾波后向負載輸出。

  

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  單端反激式開關(guān)電源是一種成本最低的電源電路,輸出功率為20-100W,可以同時輸出不同的電壓,且有較好的電壓調(diào)整率。唯一的缺點是輸出的紋波電壓較大,外特性差,適用于相對固定的負載。

  單端反激式開關(guān)電源使用的開關(guān)管VT1承受的最大反向電壓是電路工作電壓值的兩倍,工作頻率在20-200kHz之間。

  原理框圖

  

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  原理解析

  EMI電路(瞬態(tài)濾波電路)

  市電接入PC開關(guān)電源后,首先進入的就是瞬態(tài)濾波電路。

  所謂的 EMI 就是電磁干擾,通常采用共模濾波器,其中包括共模電容,不平衡變壓器或者共模電感。共模電容將兩個輸入線的共摸電流旁路到大地,共摸電感呈現(xiàn)一個平衡阻抗,也就是說,電源線和地線中阻抗相等,這個阻抗對共模噪聲呈現(xiàn)阻抗特性。

  共模濾波器的作用是消除開關(guān)電源特有的"開關(guān)干擾",以保證設備自身和電網(wǎng)中的其他設備免除干擾。

  

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  原理圖:

  

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  F1 : 保險管,電流過大時,保護電路。

  R1 R2 : 放電電阻,給這部分濾波放電,使用多個電阻是為了分散承受放電的功率。

  C11 : X電容,對差模干擾起濾波作用,也就是輸入的兩端。

  L1 : 共模電感,衰減共模電流。

  整流濾波電路

  

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  交流電,經(jīng)過整流橋整流后,經(jīng)過C2濾波后得到較為純凈的直流電壓。若C2容量變小,輸出的交流紋波將增大。

  電容充放電圖:

  

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  NTC 熱敏電阻:在電路的輸入端串聯(lián)一個負溫度系數(shù)的熱敏電阻增加線路的阻抗,這樣可以有效的抑制開機時產(chǎn)生的浪涌電壓形成的浪涌電流。

  當電路進入穩(wěn)態(tài)工作時,由于線路中持續(xù)工作電流引發(fā) NTC 發(fā)熱,使得電阻器的電阻值變得很小,對線路造成的影響可以完全忽略。

  芯片啟動電路

  CR6842具有2中啟動方式:

  (1) 傳統(tǒng)啟動方式:使用VDD作啟動引腳時,芯片支持整流前啟動與整流濾波后啟動,啟動電路如下:

  

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  (2) 具有OCP補償功能的啟動方式:使用3腳VIN作為啟動引腳時芯片具有OCP補償功能,但僅支持從整流濾波后啟動的方式,如下所示:

  

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  原理解析:

  OCP補償功能的啟動,

  

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  左側(cè),當系統(tǒng)的輸入電壓發(fā)送變化時,通過啟動電阻流經(jīng)Vin端的電流也會發(fā)生變化,芯片通過檢測該端口變化值來自動實現(xiàn)補償,使系統(tǒng)達到恒定功率輸出的目的。

  右側(cè),當電源上電開機時,通過啟動電阻R11給 VDD端的電容C1 充電,直到VDD端口電壓達到芯片的啟動電壓 Vth(ON) (典型值 16.5V)時,芯片才被激活并且驅(qū)動整個電源系統(tǒng)正常工作。

  開關(guān)ON通路與電流檢測(限流保護)

  

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  開關(guān)電源ON的通路,其中R8為工作電流檢測電阻。

  R9 與 C5 構(gòu)成R-C網(wǎng)絡,避免由于Sense 端的電流反饋信號前沿噪聲干擾持續(xù)時間超過芯片內(nèi)置的前沿消隱(LEB)時間導致系統(tǒng)性能異常。

  推薦R-C網(wǎng)絡的取值:R<680Ω ,C < 1000pF。

  開關(guān)OFF通路

  

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  能量不可能憑空消失,因此需要一個回路來釋放電感存儲的能量,開關(guān)OFF時,通過二極管D6 電阻R10 釋放能量,此處的電容與電阻并聯(lián),為了避免開關(guān)管的高頻信號影響直流分量信號,起濾波作用。

  

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  加速關(guān)斷驅(qū)動

  

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  MOS管一般都是慢開快關(guān)。在關(guān)斷瞬間驅(qū)動電路能提供一個盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓快速泄放,保證開關(guān)管能快速關(guān)斷。

  為使柵源極間電容電壓的快速泄放,常在驅(qū)動電阻上并聯(lián)一個電阻和一個二極管,如上圖所示,其中D1常用的是快恢復二極管。這使關(guān)斷時間減小,同時減小關(guān)斷時的損耗。Rg2是防止關(guān)斷的時電流過大,把電源IC給燒掉。

  開關(guān)管工作頻率

  CR6842 允許設計者依據(jù)系統(tǒng)的使用環(huán)境自行調(diào)制系統(tǒng)的工作頻率,CR6842的典型工作頻率為65KHZ,其應用電路如下:

  

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  如上,我們設置的工作頻率為 fpwm = 1742 / 24 = 72.58KHZ。

  同步整流濾波電路

  

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  D5 為整流二極管,保證單向?qū)ā?/p>

  C6 與 R12 串聯(lián)組成吸收回路與二極管并聯(lián),其作用是抑制方向峰值電壓(削弱尖峰)對二極管的造成耐壓不足引起損壞。

  也就是我們所說的緩沖電路:

  

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  L3 為續(xù)流電感,避免負載電流的突變,起到平滑電流作用。

  電容 C4 C7 C8 為輸出濾波。

  光耦和TL431聯(lián)合用在開關(guān)電源中的電壓反饋電路

  

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  TL431 工作原理如下:

  上圖中的431不是用于穩(wěn)壓,而是用作一個電壓門限開關(guān),它與R14,R15一起檢測+12V電壓的變化,當+12V電壓升高時,431的K極和A極短接,然后將光耦發(fā)光二極管的陰極接地,光耦導通,電源芯片(TMG0165)的第一管腳(FB)被拉低,芯片便調(diào)整輸出占空比,使+12V電壓降低。當+12V降低時,光耦不導通,電源芯片 FB 端為高電平,調(diào)整輸出占空比,使+12V升高。

  TL431 原理框圖:

  

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  TL431 用作穩(wěn)壓電路時,典型電路如下:

  

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  當輸入電壓變化時,431會將變化的電壓通過電流的作用轉(zhuǎn)化到輸入端的電阻上,其過程為:當輸入端電壓升高時,431的 K 極與 A 極之間的三極管 CE極電流增大,即 Ik電流變大(而 R1 和 R2 上的電流不變)輸入端的電阻壓降升高,從而保證 VKa 不變。當輸入端電壓降低時,431 的 K極和 A極 之間的三極管 CE極電流減少,即 Ik電流減少(而 R1 和 R2 上的電流不變),輸入端的電阻壓降減少,從而保證 VKa 不變。


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