开关电源原理

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血郯
5 years ago
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1 开关电源原理及各功能电路详解一开关电源的电路组成 [/b]:: 开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器 (EMI) 整流滤波电路功率变换电路 PWM 控制器电路输出整流滤波电路组成辅助电路有输入过欠压保护电路输出过欠压保护电路输出过流保护电路输出短路保护电路等开关电源的电路组成方框图如下 : 二输入电路的原理及常见电路 [/b]:: 1 AC 输入整流滤波电路原理 :

2 1 防雷电路 : 当有雷击, 产生高压经电网导入电源时, 由 MOV1 MOV2 MOV3:F1 F2 F3 FDG1 组成的电路进行保护当加在压敏电阻两端的电压超过其工作电压时, 其阻值降低, 使高压能量消耗在压敏电阻上, 若电流过大,F1 F2 F3 会烧毁保护后级电路 2 输入滤波电路 :C1 L1 C2 C3 组成的双 π 型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制, 防止对电源干扰, 同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰当电源开启瞬间, 要对 C5 充电, 由于瞬间电流大, 加 RT1( 热敏电阻 ) 就能有效的防止浪涌电流因瞬时能量全消耗在 RT1 电阻上, 一定时间后温度升高后 RT1 阻值减小 (RT1 是负温系数元件 ), 这时它消耗的能量非常小, 后级电路可正常工作 3 整流滤波电路 : 交流电压经 BRG1 整流后, 经 C5 滤波后得到较为纯净的直流电压若 C5 容量变小, 输出的交流纹波将增大 2 DC 输入滤波电路原理 : 1 输入滤波电路 :C1 L1 C2 组成的双 π 型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制, 防止对电源干扰, 同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰 C3 C4 为安规电容,L2 L3 为差模电感 2 R1 R2 R3 Z1 C6 Q1 Z2 R4 R5 Q2 RT1 C7 组成抗浪涌电路在起机的瞬间, 由于 C6 的存在 Q2 不导通, 电流经 RT1 构成回路当 C6 上的电压充至 Z1 的稳压值时 Q2 导通如果 C8 漏电或后级电路短路现象, 在起机的瞬间电流在 RT1 上产生的压降增大,Q1 导通使 Q2 没有栅极电压不导通,RT1 将会在很短的时间烧毁, 以保护后级电路三功率变换电路 [/b]:: 1 MOS 管的工作原理 : 目前应用最广泛的绝缘栅场效应管是 MOSFET(MOS 管 ), 是利用半导体表面的电声效应进行工作的也称为表面场效应器件由于它的栅极处于不导电状态, 所以输入电阻可以大大提高, 最高可达 105 欧姆,MOS 管是利用栅源电压的大小, 来改变半

3 导体表面感生电荷的多少, 从而控制漏极电流的大小 2 常见的原理图 : 3 工作原理: R4 C3 R5 R6 C4 D1 D2 组成缓冲器, 和开关 MOS 管并接, 使开关管电压应力减少, EMI 减少, 不发生二次击穿在开关管 Q1 关断时, 变压器的原边线圈易产生尖峰电压和尖峰电流, 这些元件组合一起, 能很好地吸收尖峰电压和电流从 R3 测得的电流峰值信号参与当前工作周波的占空比控制, 因此是当前工作周波的电流限制当 R5 上的电压达到 1V 时,UC3842 停止工作, 开关管 Q1 立即关断 R1 和 Q1 中的结电容 CGS CGD 一起组成 RC 网络, 电容的充放电直接影响着开关管的开关速度 R1 过小, 易引起振荡, 电磁干扰也会很大 ;R1 过大, 会降低开关管的开关速度 Z1 通常将 MOS 管的 GS 电压限制在 18V 以下, 从而保护了 MOS 管 Q1 的栅极受控电压为锯形波, 当其占空比越大时,Q1 导通时间越长, 变压器所储存的能量也就越多 ; 当 Q1 截止时, 变压器通过 D1 D2 R5 R4 C3 释放能量, 同时也达到了磁场复位的目的, 为变压器的下一次存储传递能量做好了准备 IC 根据输出电压和电流时刻调整着 6 脚锯形波占空比的大小, 从而稳定了整机的输出电流和电压 C4 和 R6 为尖峰电压吸收回路 4 推挽式功率变换电路: Q1 和 Q2 将轮流导通

4 5 有驱动变压器的功率变换电路 :T2 为驱动变压器,T1 为开关变压器,TR1 为电流环四输出整流滤波电路 [/b]:: 1 正激式整流电路 :

5 T1 为开关变压器, 其初极和次极的相位同相 D1 为整流二极管,D2 为续流二极管,R1 C1 R2 C2 为削尖峰电路 L1 为续流电感,C4 L2 C5 组成 π 型滤波器 2 反激式整流电路 : T1 为开关变压器, 其初极和次极的相位相反 D1 为整流二极管,R1 C1 为削尖峰电路 L1 为续流电感,R2 为假负载,C4 L2 C5 组成 π 型滤波器 3 同步整流电路 :

6 工作原理 : 当变压器次级上端为正时, 电流经 C2 R5 R6 R7 使 Q2 导通, 电路构成回路, Q2 为整流管 Q1 栅极由于处于反偏而截止当变压器次级下端为正时, 电流经 C3 R4 R2 使 Q1 导通,Q1 为续流管 Q2 栅极由于处于反偏而截止 L2 为续流电感,C6 L1 C7 组成 π 型滤波器 R1 C1 R9 C4 为削尖峰电路五稳压环路原理 [/b]: 1 反馈电路原理图: 2 工作原理: 当输出 U0 升高, 经取样电阻 R7 R8 R10 VR1 分压后,U13 脚电压升高, 当其超过 U12 脚基准电压后 U11 脚输出高电平, 使 Q1 导通, 光耦 OT1 发光二极管发光, 光电三极管导通, UC38421 脚电位相应变低, 从而改变 U16 脚输出占空比减小,U0 降低当输出 U0 降低时,U13 脚电压降低, 当其低过 U12 脚基准电压后 U11 脚输出低电平,Q1 不导通, 光耦 OT1 发光二极管不发光, 光电三极管不导通,UC38421 脚电位升高, 从而改变 U16 脚输出占空比增大,U0 降低周而复始, 从而使输出电压保持稳定调节 VR1 可改变输出电压值反馈环路是影响开关电源稳定性的重要电路如反馈电阻电容错漏虚焊等, 会产生自激振荡, 故障现象为 : 波形异常, 空满载振荡, 输出电压不稳定等六短路保护电路 : 1 在输出端短路的情况下,PWM 控制电路能够把输出电流限制在一个安全范围内, 它可以用多种方法来实现限流电路, 当功率限流在短路时不起作用时, 只有另增设一部分电路 2 短路保护电路通常有两种, 下图是小功率短路保护电路, 其原理简述如下 :

7 当输出电路短路, 输出电压消失, 光耦 OT1 不导通,UC38421 脚电压上升至 5V 左右,R1 与 R2 的分压超过 TL431 基准, 使之导通,UC38427 脚 VCC 电位被拉低,IC 停止工作 UC3842 停止工作后 1 脚电位消失,TL431 不导通 UC38427 脚电位上升,UC3842 重新启动, 周而复始当短路现象消失后, 电路可以自动恢复成正常工作状态 3 下图是中功率短路保护电路, 其原理简述如下 : 当输出短路,UC38421 脚电压上升,U1 3 脚电位高于 2 脚时, 比较器翻转 1 脚输出高电位, 给 C1 充电, 当 C1 两端电压超过 5 脚基准电压时 U17 脚输出低电位,UC38421 脚低于 1V,UCC3842 停止工作, 输出电压为 0V, 周而复始, 当短路消失后电路正常工作 R2 C1 是充放电时间常数, 阻值不对时短路保护不起作用 4 下图是常见的限流短路保护电路其工作原理简述如下 :

8 当输出电路短路或过流, 变压器原边电流增大,R3 两端电压降增大,3 脚电压升高,UC38426 脚输出占空比逐渐增大,3 脚电压超过 1V 时,UC3842 关闭无输出 5 下图是用电流互感器取样电流的保护电路, 有着功耗小, 但成本高和电路较为复杂, 其工作原理简述如下 : 输出电路短路或电流过大,TR1 次级线圈感应的电压就越高, 当 UC38423 脚超过 1 伏,UC3842 停止工作, 周而复始, 当短路或过载消失, 电路自行恢复七输出端限流保护 :]:

9 上图是常见的输出端限流保护电路, 其工作原理简述如上图 : 当输出电流过大时,RS ( 锰铜丝 ) 两端电压上升,U13 脚电压高于 2 脚基准电压,U11 脚输出高电压,Q1 导通, 光耦发生光电效应,UC38421 脚电压降低, 输出电压降低, 从而达到输出过载限流的目的八输出过压保护电路的原理 : 输出过压保护电路的作用是 : 当输出电压超过设计值时, 把输出电压限定在一安全值的范围内当开关电源内部稳压环路出现故障或者由于用户操作不当引起输出过压现象时, 过压保护电路进行保护以防止损坏后级用电设备应用最为普遍的过压保护电路有如下几种 : 1 可控硅触发保护电路: 如上图, 当 Uo1 输出升高, 稳压管 (Z3) 击穿导通, 可控硅 (SCR1) 的控制端得到触发电压, 因此可控硅导通 Uo2 电压对地短路, 过流保护电路或短路保护电路就会工作, 停止整个电源电路的工作当输出过压现象排除, 可控硅的控制端触发电压通过 R 对地泄放, 可控硅恢复断开状态 2 光电耦合保护电路:

10 如上图, 当 Uo 有过压现象时, 稳压管击穿导通, 经光耦 (OT2)R6 到地产生电流流过, 光电耦合器的发光二极管发光, 从而使光电耦合器的光敏三极管导通 Q1 基极得电导通, 3842 的 3 脚电降低, 使 IC 关闭, 停止整个电源的工作,Uo 为零, 周而复始, 3 输出限压保护电路: 输出限压保护电路如下图, 当输出电压升高, 稳压管导通光耦导通,Q1 基极有驱动电压而道通,UC38423 电压升高, 输出降低, 稳压管不导通,UC38423 电压降低, 输出电压升高周而复始, 输出电压将稳定在一范围内 ( 取决于稳压管的稳压值 ) 4 输出过压锁死电路 :

11 图 A 的工作原理是, 当输出电压 Uo 升高, 稳压管导通, 光耦导通,Q2 基极得电导通, 由于 Q2 的导通 Q1 基极电压降低也导通,Vcc 电压经 R1 Q1 R2 使 Q2 始终导通,UC38423 脚始终是高电平而停止工作在图 B 中,UO 升高 U13 脚电压升高,1 脚输出高电平, 由于 D1 R1 的存在,U11 脚始终输出高电平 Q1 始终导通,UC38421 脚始终是低电平而停止工作正反馈? 九功率因数校正电路 (PFC): 1 原理示意图: 2 工作原理: 输入电压经 L1 L2 L3 等组成的 EMI 滤波器,BRG1 整流一路送 PFC 电感, 另一路经 R1 R2 分压后送入 PFC 控制器作为输入电压的取样, 用以调整控制信号的占空比, 即改变 Q1 的导通和关断时间, 稳定 PFC 输出电压 L4 是 PFC 电感, 它在 Q1 导通时储存能量, 在

12 Q1 关断时施放能量 D1 是启动二极管 D2 是 PFC 整流二极管,C6 C7 滤波 PFC 电压一路送后级电路, 另一路经 R3 R4 分压后送入 PFC 控制器作为 PFC 输出电压的取样, 用以调整控制信号的占空比, 稳定 PFC 输出电压十输入过欠压保护 : 1 原理图 : 2 工作原理 : AC 输入和 DC 输入的开关电源的输入过欠压保护原理大致相同保护电路的取样电压均来自输入滤波后的电压取样电压分为两路, 一路经 R1 R2 R3 R4 分压后输入比较器 3 脚, 如取样电压高于 2 脚基准电压, 比较器 1 脚输出高电平去控制主控制器使其关断, 电源无输出另一路经 R 7 R8 R9 R10 分压后输入比较器 6 脚, 如取样电压低于 5 脚基准电压, 比较器 7 脚输出高电平去控制主控制器使其关断, 电源无输出

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B

电子技术基础 ( 第版 ) 3. 图解单相桥式整流电路 ( 图 4-1-3) 电路名称电路原理图波形图整流电路的工作原理 1. 单相半波整流电路 u 1 u u sin t a t 1 u 0 A B VD I A VD R B 直流稳压电源第 4 章 4.1 整流电路及其应用学习目标 1. 熟悉单相整流电路的组成, 了解整流电路的工作原理. 掌握单相整流电路的输出电压和电流的计算方法, 并能通过示波器观察整流电路输出电压的波形 3. 能从实际电路中识读整流电路, 通过估算, 能合理选用整流元器件 4.1.1 认识整流电路 1. 图解单相半波整流电路 ( 图 4-1-1) 电路名称电路原理图波形图 4-1-1. 图解单相全波整流电路