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開關電源精講精修連載

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樓主
發表于 2013-1-10 21:02:20 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
         眾所周知:開關電源是把一個直流電壓通過電子開關逆變,產生各種需要的電壓,比如我們這行接觸最多的液晶電源,本本適配器,ATX電源等等。如何從AC220V產生300VDC就不用說了,直接從逆變過程開始,先看個示意圖:

  圖中K為一個電子開關,就是我們所說的開關管,當然它處于高速開關狀態:
   1,當K導通時,300V經L1,K到熱地構成回路是,這是一個儲能過程,即來自300V的電能以磁能的方式被儲存在L1中。這時L1感應電壓的極性為上正下負,而L2感應電壓極性為上負下正,顯然整流管D是截止的。負載RF所需電能由濾波電容C在上一過程中所儲存的能量提供。
   2,當K截止時,L1感應電壓極性為上負下正,其所儲存磁能被互感耦合到L2,在L2中轉換為一個上正下負的電壓,完成電---磁---電的轉換。這時D導通,其輸出的能量一方面供給RF,另一方面向C充電補充能量.....
    值得提出的是:在這種單端激勵的電源中,能量的輸出只有也只能在開關管截止過程中進行,如果在開關管導通儲能過程中輸出太大能量(小額輸出是可以的),那么電源的工作將無法繼續。整流管D這在里的作用叫隔離更為貼切,同樣,濾波電容C更應理解為儲能平滑。
   前邊說的這種單端反激電源,很明顯存在兩個問題:
  1,不能輸出交流,因為儲能期間是不能輸出能量的;
  2,負載電流不可能很大,因為有半個周期是靠電容放電來供電的,再說能量輸出也只有半個周期。
  那么很容易得出結論:這種電源不能用在需要交流輸出的場合,比如電子變壓器,鎮流器;也不能用在需要大電流輸出的場合,比如ATX電源,動輒幾十A的電流這種電源是無能為力的。我們來看另一種傳說中的半橋式電源:


    本電源中用了兩個開關管Q1,Q2,它相當于前邊提到的開關,且他們總是輪流導通的。DC300V 經C1,C2串聯濾波,靜態條件下兩個電容各得一個約150V的電壓。這里為什么要用兩個電容而不用一個呢?呵呵,別急,一會就明白了。現在我們來看下本電路的工作過程:
    1,Q1 導通Q2截止,這時C1放電向C3充電,路徑為:C1上正---Q1 ce---L1(從下到上)---C3充電(左負右正)---C1下負。
    2,Q1截止Q2導通,這時C2放電向C3反向充電,路徑為:C2上正---C3反向充電(左正右負)---L1(從上到下)Q2 ce---C2下負。
    整個過程可以看出,只要我們設法讓Q1,Q2維持交替導通,則L1就不斷有交流通過。首先,讓L2輸出交流供給負載是沒問題了,其次,雖然我們在這里接了個二極管D整流,RF實際上仍然只用了半個周期,但能量輸出已經不是半個周期而是整個周期了,如果開關頻率足夠高,且濾波電容C4的容量足夠大,要輸出大電流是沒問題的。
     現在明白ATX電源為什么要用兩個濾波電容,兩個開關管了吧?當然,小功率和山寨得離譜的電源例外。
     無論哪種電源,開關管總是需要有一個開關脈沖來驅動,使之處于開關狀態,就激勵方式而言,可以分為兩種:
    1,它激式電源,比如絕大多數液晶和本本適配器電源就是這類:

這種電源中,有一個驅動IC來專門產生開關脈沖用以驅動開關管,具體原理以后再說。
     2,自激式電源,比如ATX電源中的輔助電源:

  先介紹下各元件:
  1,R1:啟動電阻,為開關管提供啟動電流,使之能啟動正反饋電路進入自激振蕩。要注意這個電阻的目的是為Q1提供一個初始的Ib,那么它在電路中的接法就是一端接300V,另一端接開關管b。阻值一般在220K以上。把握這樣些要點,相信任何一個自激式電源,很容易找到啟動電阻。
  2,C1:正反饋電容,在0.1U以下;R2:正反饋電阻,阻值為幾十歐;L2:正反饋繞組,是開關變壓器的繞組之一。這3個元件一起組成正反饋電路,接法是正反饋電容,正反饋電阻,正反饋繞組串聯(串聯的順序在各電源中可能不同),然后并聯在開關管的be之間。(注意:開關管e通常會通過一個1歐以下的電流取樣電阻接地,分析正反饋回路時忽略此電阻)
  振蕩過程:
1,脈沖上升沿:通電時R1為Q提供Ib(300V---R1---be---地),使之導通。L1,L2感應電壓極性為上正下負,L3為上負下正(極性問題由各線圈同名端也就是開關變壓器的繞制決定)。其中L2感應電壓會對C1充電(L2上正---R2---C1充電上負下正---be---地---L2下負),而這個充電電流與原來R1提供的Ib迭加的結果是Ib加大---IL1加大----UL2加大---C1充電電流加大----Ib更大......如此一個正反饋過程,使Q迅速進入飽和。注意這一過程L3的感應電壓極性始終是上負下正,D截止,不對外輸出能量。否則(比如D擊穿),L2在第一過程中可能沒有足夠高的感應電壓對C1充電引起正反饋而使電路停振。
2,脈沖平頂:Q飽和后,L1中的電流必然線性增大,依據電感特性,L2感應電壓為一固定值。一個固定的電壓對C1充電,顯然這個電流是一個由大到小的電流,但只要能夠維持Q飽和,則此狀態并不改變,形成脈沖平頂。
  3,脈沖下降沿:接前一過程,C1的充電電流持續減小,終會使Q退出飽和進入放大狀態。一旦至此,L1中的電流必然開始減小,那么L2中的感應電壓立即反向,也就是上負下正。C1下端電壓由正轉負,依據電容特性,其上端電壓也會發生相同變化,不難看出這個電壓也就是Q b的電壓很快會進入一個很深的負值,Q立即轉入截止,形成脈沖下降沿。此過程L3通過D對外輸出電能。
  4,間歇階段:隨著L3的放電,電感中儲存的磁能必然逐步減小,UL2也同步減小,這時實際加在Q 的be上的電壓是UL2(負值)和UC1(正值)的迭加,只要這個迭加值不超過Q的開啟電壓,則Q維持截止,形成脈沖間歇階段。
   當L3放電使UL2和UC1的迭加值達到Q的開啟電壓時,Q會再次導通,進入下一個周期。注意這里Q的再次導通與R1無關,也就是說R1一旦完成啟動后就失去了作用,很玄是嗎?你試試在自激電源啟動后如果斷開啟動電阻,電源還能正常工作的話,那就很說明問題了。
    至此,自激電源振蕩原理結束,但這還不是一個實用的電源,這只是一個自由振蕩,如果不用穩壓電路來控制它的脈沖寬度的話,一通電,開關管就會因為導通時間過長,C極電流過大而灰飛煙滅。
(待續)

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wangyjkang + 12 很給力!
逸信科技 + 12 神馬都是浮云
草上飛 + 25 讓我聯想到發動機兩沖程和四沖程的原理了!.
寂寞修行 + 16 很給力!
計將安出 + 2 + 30
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 樓主| 發表于 2013-1-14 21:57:43 | 只看該作者
    有了前面的知識,現在我們至少應對ATX電源中的輔助電源是小菜一碟了,我們來看一個電路截圖:

   上圖是一個長城電源中的輔助電源,起眼一看,這電源似乎不認識了,不是嗎?沒有脈寬調整管,也沒有比較放大,更沒有光耦。呵呵,前面說過,學東西要把握關鍵,舉一反三嘛,等會你就明白這個電源其實比我們前邊講的那些要簡單得多,因為這個電源要求并不高。
    AC220V輸入經D01-D04整流,C01-C02濾波產生300VDC,經限流電阻R80加到開關管V01的C極繞組L1,R82是啟動電阻,正反饋元件是R81,C81,L2。啟動和振蕩原理用前邊所學的東西,很容易就明白了,不在我們討論之列。
     我們注意到在正反饋電容C81的兩端并聯了一個R85和D83,這兩個元件是做什么的呢?它叫做展寬電路,通常就一個二極管或再串聯一個小電阻并聯在正反饋電容兩端。它的作用是提高電源的低壓啟動性能,原理是如果AC過低,必然導致300VDC過低,那電源啟動瞬間正反饋繞組L2的感應電壓也過低,可能不足以引起正反饋使電源起振。導致電源在AC過低時不啟動或啟動困難。加入D83,在電源啟動瞬間為正反饋電流提供一個旁路(與正反饋電容充電電流并聯),加大開關管Ib,使開關管能順利進入放大狀態而引起正反饋,以改善電源的低壓啟動性能。注意加有展寬電路的電源其正反饋電容容量通常較小,如果展寬電路開路,引起的故障可能是電源輸出過低或帶負載能力差。
      C80和R84組成尖峰脈沖吸收回路,防止開關管C極在截止時出現過高脈沖擊穿開關管,也可能在開關管C到地之間串接RC元件實現此功能。
      重點來討論下本電路的穩壓原理,這其實是一個很簡單的間接取樣式穩壓電路:正反饋繞組L2的感應電壓經D80整流,C82濾波產生一個工作負壓。當電源輸出過高時,UL2必然也高,那么工作負壓也高。注意這個電壓是加在D82負端,還有一個ZD1接在開關管b,當工作負壓升高到超過ZD1擊穿電壓時,ZD1擊穿,對開關管Ib分流(V01 b--ZD1--D82--工作負壓),使開關管V01提前截止實現穩壓。很明顯,這里從工作負壓取樣,其實穩定的是工作負壓,利用工作負壓與兩組輸出電壓之間的固定比例關系,間接實現對輸出電壓的穩壓,這就是所謂的間接取樣。由于取樣端在熱地,就無需冷熱地隔離,當然也用不上光耦合.
       L3輸出的電壓經D29,C26整流濾波,再經過三端穩壓器7805產生穩定的5V電壓,這就是待機電壓5VSB;L4輸出的電壓經D30,C16整流濾波,產生20V輔助電壓,供給主電源驅動IC,以產生驅動脈沖使主電源工作。

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發表于 2013-8-7 19:51:02 | 只看該作者
路過,學習中,覺得好
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發表于 2014-5-21 08:57:19 | 只看該作者
這帖子得收藏!沒事兒的時候好好學習學習!電源修不好時還能給點思路!太好了!!
不過一年來我發現一個修電源的竅門!很多電源板別人修不好的,都是貼片電阻或色環電阻阻值不對引起的無輸出或輸出跳變!我倒沒系統的學過,但一遇到不好弄的我就仔細的查電阻和一次電源的電容,好多別人修不上的我都修好了!等不忙的時候我好好學習學習這帖子!在充實一下自己!
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發表于 2014-4-5 01:36:57 | 只看該作者
看到好的資料了,辛苦樓主
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發表于 2014-3-11 14:06:09 | 只看該作者
非常好的資料~
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發表于 2013-12-21 22:37:49 | 只看該作者
講得很透徹。學習了。
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發表于 2013-6-24 11:39:19 | 只看該作者
高手,分析的金皮
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發表于 2013-7-7 16:19:04 | 只看該作者
很實用 實戰經驗 受益很多。。。
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 樓主| 發表于 2013-1-13 22:04:47 | 只看該作者
   負責檢測輸出電壓是否達到設計值并輸出控制信號的任務由比較放大器來完成,所謂比較,就是比較輸出電壓的取樣值和基準電壓的大小,以判斷輸出電壓的高低;所謂放大,就是將二者的比較誤差值放大,以提高控制精度。我們來看一個實例:

    圖中Q3及外圍電路組成比較放大器,其中D2產生一個基準電壓加在Q3 e,加入R2的目的是使基準電壓更加穩定。因為穩壓管有一個最小穩定電流(一般取10mA),意思是穩壓管反向擊穿電流大于此值,才能獲得最佳穩壓精度,加入R2的目的就在于此。當然,在精度要求不高的場合,這個電阻是可以取消的。R3,R4在這里對輸出電壓取樣,取樣值送入Q3 b,由Q3完成比較放大。其實也可以簡單理解為如果輸出電壓達到設計值,則Q3導通....很明顯改變R3,R4就可以改變輸出電壓值,這里給出一個輸出電壓的參考計算公式:U=UD2*(1+R3/R4),其中UD2是D2的穩壓值。
    這里用了一個光耦來完成冷熱地的隔離,所謂熱地,可以理解為連接300V的地,冷地是輸出端的地。冷熱地的隔離很必要,否則,輸出端的地接熱地的話,整機會帶電打人。當然隔離問題也可以用間接取樣的方式由變壓器來完成,不過這種方式存在固有軟肋,現有電源基本都采用光耦隔離。光耦的工作原理是假設LED端有電流通過,則光電三極管端就導通,因為LED光使內部光電池產生電流注入光電管b.
    好了,現在我們來分析下工作過程:輸出電壓升高達到設計值---經R3,R4取樣---Q3導通---光耦LED發光(輸出電壓---R1---LED---Q3 ce---D2---地)---光耦導通---調整管Q2導通(Q2 e---b---光耦---地)---Q2對Q1的Ib分流---Q1提前截止停止儲能---輸出電壓不再上升即穩定在設計值。
    當然,大家接觸最多的可能是所謂的精密穩壓器TL431,其實可以把它理解為一個比較放大器的集成體:

    圖中IC1就是TL431,內部帶有一個2.5V的基準電壓VRef,l輸出電壓VO2經R1 ,R2取樣后送到TL431 R端在內部完成比較放大,當這個取樣值達到2.5V時,431的 K到A端導通,光耦N1導通......輸出電壓的參考計算公式是:VO2=(1+R1/R2)*VRef,其中VRef=2.5V.
     一個開關電源中往往不止一組輸出電壓,(比如上圖中就有VO1,VO2兩組),那是不是每組電壓都要設一個穩壓電路呢?那倒不必,雖然要設也不是沒有辦法。為什么呢?開關變壓器輸出繞組的匝數是固定的,那就決定了各組電壓之間有一個固定的比例,其中一組穩定,那么其它各組也就穩定了。至于到底從哪組電壓取樣,基本的設計原則是選擇精度要求最高的那組,比如液晶電源中的5V。值得提出的是這個"固定比例“是建立在各組輸出電壓帶有合適負載的前提下,如圖中假設VO1是空載,那么測得的電壓是偏高的。比如液晶電源通常從5V取樣,而15V左右的高壓條供電電壓在高壓條工作與否的情況下電壓值是不同的,這一問題在某些情況下是必須重視的。所以,在液晶電源中往往要從高壓條供電電壓那組接相關元件到取樣電路,防止在高壓條不工作時這組電壓過高,使濾波電容容易懷孕。
     OK,到這里我們已經完整地了解了一個自激式單端反激電源的關鍵電路,把握關鍵,任何一個自激式單端反激電源都將不在話下。但是路還很長,一個實用的電源往往會加入一些更為復雜的保護性電路,把握關鍵,舉一反三就看各位的了。

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點評

完了么 意猶未盡啊  發表于 2013-1-13 23:20
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發表于 2013-1-10 21:39:14 | 只看該作者
{:soso_e179:}{:soso_e179:}慢慢學習
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沙發
發表于 2013-1-10 21:28:35 | 只看該作者
電源部分的原理博大精深啊 沒有幾年扎扎實實的研究 不可能精通
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地板
發表于 2013-1-10 21:49:20 | 只看該作者
開關電源很復雜呀,我還要學習!學到老用到老!!
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5#
發表于 2013-1-10 22:17:41 | 只看該作者
學習
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6#
發表于 2013-1-11 09:37:20 | 只看該作者
支持樓主啊  好文章
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7#
發表于 2013-1-11 10:48:51 | 只看該作者
類似的發動機做功原理:一個周期,單管的是做功一次,雙管的是做功兩次
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8#
 樓主| 發表于 2013-1-11 23:26:44 | 只看該作者
     前面說到必須加入穩壓電路去控制自激振蕩,電路才能工作。這里我們首先要明白,穩壓的前提條件是自由振蕩時電源的輸出電壓必須要高于設計值,因為穩壓的動作是單方向的,也就是它是在自由振蕩輸出電壓的基礎上把電壓降低,使之符合設計值。例如要輸出5V的電壓,自由振蕩時的輸出電壓必須要高于5V,加入穩壓電路,使輸出達到5V時立即讓開關管提前截止,停止儲能,則電壓不會再上升而穩定在5V,開關管也不會因電流繼續加大而燒毀。如果因為某種原因(比如正反饋系數減小,最常見的是正反饋電容容量過小)自由振蕩時輸出電壓達不到設計值,則這時穩壓電路是不工作的,加不加穩壓電路輸出電壓都會過低。
     那么怎么在輸出電壓達到設計值時讓開關管提前截止呢?方法很簡單:為開關管的Ib提供一個分流通路,在輸出達到設計值時這個通路導通分流使之退出飽和,讓開關管立即提前轉入截止。如下圖:

      三個圖中Q1為開關管,Q2就是前邊提到的分流通路,叫做脈寬調整管,可以用NPN管,也可以用PNP管實現;可以把Ib分流入地,也可以分流入一個工作負壓。其中工作負壓是根據需要在電路中設置的一組供給電源自身的電壓,當然也可能有工作正壓,通常可以由正反饋繞組或單獨設置一個工作電壓繞組經整流濾波產生,各電源設計有所不同。
    剩下的事就是要檢測出輸出電壓是否達到設計值并將結果用來控制脈寬調整管就OK了,這部份原理下節繼續。

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admin + 30 很詳細了

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