自激式串联开关电源

1、6第3章自激式开关电源的原理自激式开关电源驱动开关管的信号由自激振荡产生，在一定程度上简化了电路。它所用的元器件少，电路简单成本低。由于自激式开关电源经济实用，目前仍有较多的电子设备采用自激式开关电源，比如自动化仪器仪表、视盘机、电视机、显示器、打印机和手机充电器等。本章在讲述自激式开关电源的基本电路的基础上，以自激式开关电源的电路实例为载体，分析几种变压器耦合型开关电源的工作原理。/3-1自激式开关电源的工作原理3.1.1 自激式开关电源的特点1 .自激式开关电源的工作原理(1)自激式开关电源结构简单，生产制造成本低廉。(2)自激式开关电源的脉冲信号是自激振荡形成的，是一种非固定频率的变换电

2、路，随输 入电压和负载变化而变化，空载时开关频率可达100kHz,满载时可能会降到 20kHz,频率的变化几乎与变压器的匝数和电感量无关。(3)自激式开关电源的具备了一定的自保护功能，一旦负载过重，必然破坏反馈条件，振 荡将因损耗过大而减少或和停振，因此保护电路也比较简单，这是自激式开关电源的一大优点。(4)自激式开关电源在改变占空比 D时，振荡兼开关管的iE与UCE相对值发生变化，因此D变化范围较小，一般不大于 0.5。(5)自激式开关电源的开关电流峰值高、纹波电流大，由于它的工作频率随着输入电压和 负载电流变化而变化， 在高功率、大电流工作时稳定性差， 因此仅用于60W以下的小功率场合。2

3、 .自激式开关电源的类型自激式开关电源按输入、输出连接方式可分为串联型(降压式非隔离型)、并联型(升压式韭隔直里)租变压造耦合型(隔离里1。在变压器耦合型自激式开关电源中，按开关管的连接方 式又可分为单管式、推挽式和桥式等。由于自激式并联型属于升压型，实际应用很少，所以，本 章我们主要讲述用于 AC-DC变换的自激式中的串联型和变压器耦合型开关电源。3.1.2 自激式串联型开关电源1 .自激式串联型开关电源的工作原理自激式串联型开关电源是早期采用的一种开关电源，由于开关管、储能电感与负载串联， 其输出电压比输入电压低，也称为降压式非变压器耦合型开关电源。如图3-1所示为自激式串联型开关电源的结

4、构原理图。CI、CO分别是输入电压UI、输出电压Uo的滤波电容；开关管用一个开关符号模拟替代；L为储能电感；VD为续流二极管。电路中还包含采样电路、电压基准、比较放大和脉宽调制电路的功能框图。开关管/图3-1自激式串联型开关电源结构原理图输入直流电压Ui经过功率开关管的通断控制，变成周期性矩形波；设周期为T ,开关管导 通时间为toN ,截止时间为toFF。当开关管导通时，电感 L的电压极性为“左正右负”，续流二极管VD反偏截止；电感L中的电流随时间tON线性增大、电感储能；当开关管截止时，电感 L的电压极性为“左负右正”，续流二极管VD正偏导通，电感 L中的电流随时间tOFF线性减小、电感释

5、能。为了控制和调节输出电压，用分压器对输出电压采样， 送入误差放大器一个输入端，误差放大器另一个输入端接基准电压。两个输入电压进行比较、放大后经脉宽调制电路控制开关管通断时间比，从而调节和稳定输出电压。2 .自激式串联型开关电源的基本电路自激式串联型开关电源的基本电路 如图3-2所示。CI、CO分别是输入、输出电压的滤波电容；VTi为功率开关管；T为储能变压器；VDi为放电二极管；VD 2为续流二极管；VT2为脉宽调制管；VT3为误差放大器； R4、R5构成输出电压的采样电路；R、VSi构成基准电压。变压器T有两种功能：一是由初级绕组-构成储能电感；二是由次级绕组-构成脉冲变压器，使 VTi可

6、以依靠正反馈作用产生振荡脉冲。图3-2自激式串联型开关电源基本电路初始上电时， R给VTi提供启动电流。VTi导通时，T绕组端输出正极性感应脉冲加到 VTi基极，使VTi快速进入饱和；当-绕组电流开始下降时，同样的正反馈过程使VTi快速截止，完成一个振荡周期，功率开关管完成一次通断过程。在上述过程中，R2构成G的充电通路，同时 旦还限制了正反馈电流，防止过大的正反馈电流使VTi进入过饱和状态，增大VTi基区电荷的存储效应 ，加大开关管的损耗。VD2构成C1 的放电通路， G的容量对振荡频率影响较大，即使VTi未进入饱和区，在 VTi导通期间的正反馈过程中，G的充电电流小到一定程度，也会迫使 V

7、Ti截止，提前进入下一个振荡周期。VT2是VTi导通周期的基极可变分流器，可以控制VTi的导通时间。在 VTi振荡过程中，VT i由通态转为止态的转折点是PlB <IC的某一点；在此进程，如果 VT2导通、分流VTi基极电流，即可减小Ibi,使VTi提前达致转折点，VTi的通态时间变短，储能电感的储能减小，开 关电源的输出电压必然降低一一这就是VT2的脉宽调制功能。VT2的导通电流受控于 VT3。VT 3为误差检测和电流放大管，其发射极接入简单的二极管稳 压电路，作为基准电压；输出电压UO由R4、R5采样后送到VT3基极。正常工作时，采样电压比基准电压高一个 VT3发射结压降。若某种原因

8、使 Uo升高时，则VT 3发射结压降增大、集电极 电流增大，VT3导通电流也增大，控制 VT2导通电流也增大，分流更多 VTi正反馈的电流，VTi 的通态时间变短，输出电压降低。由于VT 2发射极电压几乎等于输入电压 U 1，故VT2始终工作于放大状态。 若VT2饱和，VTi将截止；若VT2截止，VTi将失去控制，处于 R、Ci参数决定的充电过程的最大脉宽状态，造 成输出电压异常升高，还会增大VTi的开关损耗甚至于热击穿。虽然这个电路能够实现降压，但不能完成过大的降压比。因为大幅度地降低电压， 必然是尽量缩短VTi的通态时间，这将使得 VTi的自激振荡处于临界状态，导致振荡不稳定，输出电压 的

9、纹波增大且稳定性也又t以保证；同时，VTi的通态时间过短，输出电流也无法增大，所以，这种电源只适合于小功率的负载。基区存储的由于晶体管基区电荷的存储效应，发射结电压突变为零时，晶体管并不能立即关断；越是过饱和, 电荷越多，延时关断的时间越长。3.2.8显示器开关电源有许多计算机显示器使用自激式开关电源，如图3-40所示为一种双频彩色显示器的自激式开关电源电路。它主要由电源滤波、整流滤波、自激振荡与稳压、同步激励与保护、输出电压与 转换等电路组成，各部分电路工作过程如下。图3-40自激式显示器开关电源电路原理图1 .市电输入电路及变换市电经保险管F901输入，C901滤除差模干扰；C903、C9

10、04与L901(450)构成共模滤波器, 滤除共模干扰；NTC是热敏电阻，减小开机冲击电流，实现软启动保护。为了适应各种不同的输入电压，显示器开关电源电路设置有110/220V转换开关，电路分解如图3-41所示。(a) Si开路，适用于220V(b) Si闭合，适用于110V图3-41110/220V转换电路分解图如图(a),当S1开路时，电路为桥式全波整流，适用于输入电压为 AC220V的情况，电源输入L正N负，D901、D903导通，电流方向见图中所示，C906、C907串联同时充电；电源输入L负N正，D902、D904导通，电流方向见图中所示，也是C906、C907串联同时充电。如图(b

11、),当S1闭合时，电路变为全波倍压整流。电源输入L正N负，D901导通对C906充电，电流方向见图中所示；电源输入L负N正，D904导通对C907充电，电流方向见图中所示。两种工作状况 D902和D903均不导通。倍压整流、滤波电压为输入市电电压最大值的两倍， 适用于输入电压为 AC110V的情况。2 .自激振荡与稳压电路开关变压器T901与功率管VT92构成自激振荡功率变换器，R901、R902是VT92的启动偏置 电路。R907与C913引入绕组的正反馈脉冲至 VT92的基极，使VT 92间歇振荡通断工作。在 VT92 截止期，T901向次级负载电路提供电压。光电耦合器4N35和精密可调稳

12、压器 TL431构成稳压控制系统。电源的行供电电压输出后，经R957、R963和Rp91分压，得到取样电压，送到 TL431的控制极。当输出电压升高时，TL431电流增大，光电耦合器4N35内部三极管C-E间的内阻降低，经 V901使VT 91的基极电压升高，导通程度增强，分流VT92的基极电流，VT92提前截止，迫使输出电压降低。 若输出电压降低时， 电路动作与上述相反，以维持输出电压的稳定。电路中，V905对正反馈绕组整流，C911滤波后作为光电耦合器4N35内部三极管的电源。3 .过流保护与延时电路功率管VT 92的导通电流，在R906上产生与其阻值成正比的电压降，该电压降经R903加到

13、VT 91的基极。当 VT92电流增大到600mA时，R906压降达到0.6V , VT91开始导通，分流 VT92 基极电流，迫使 VT 92集电极电流减小，提前导通。R903和C909构成VT91的延迟导通电路，如果VT92的电流只是瞬间增大，R906的压降经R903XC909充电，因电流峰值过后，C909尚未充满到克服 VT 91发射结的死区电压，所以VT91不会导通，这样延迟导通，就是为了避免开机瞬间的冲击电流使VT 91产生误动作。4 .同步激励电路该电源还设有行逆程同步电路“行FBT'。“行FBT”是用绝缘导线在行输出变压器磁心旁柱上穿绕一圈，以产生感应行逆程脉冲。行逆程期

14、间，其极性为正负，正脉冲通过C901使V902导通，VT 92触发导通，以使自激振荡与行频同行。5 .输出电压转换电路双频显示器可以支持两种不同模式的显示卡，兼容CGA、VGA模式，因此其行扫描频率应适应适应15.75kH和31.5kHz两种频率。在行扫描电路中，行振荡电路受控于模式识别系统而改 变其振荡频率。由于行频的差别较大，转换显示模式的同时行输出级的供电电压必须改变。当行频升高时，行偏转线圈的感抗相应增大，行偏转电流随之减小。此时，为了使行扫描满幅，只有 提高行扫描电压，使行扫描偏转电流增大。当行频降低时，行偏转线圈的感抗减小，行偏转电流 增大，此时要降低行扫描电压，否则，不仅行幅增大

15、，还会损坏显像管。需要指出的是，此时只 降低行输出级的供电，其他各绕组供电必须保持不变。在图3-39中，行供电设有两组电压： 一组由V954整流、C955滤波的45V,用于低行频供电； 另一组由V952整流、C953滤波的65V,用于高行频供电。低行频时，“行频模式”为低电平，VT93、VT94和VT95截止，行输出级供电为 45V。这时，取样电路由R957与R963、Rp91串联阻值之比决定，微调Rp91可得到精确的45V电压。高行频时，“行频模式”为高电平，VT93、VT94和VT 95均导通，行输出级供电为65V。这时，取样电路是电阻混联：R960、Rp92与R963、Rp91并联，再与

16、R957串联，加到TL431控制端。微调 Rp92可使65V电压在60V70V之间变动，以便使高行频显示模式有足够的行幅度。在显示模式变换过程中， 开关电源其他绕组输出电压不应有明显变化，否则，说明Rp91、Rp92设置不当。双频显示器的开关电源，首先应在低行频工作模式下调整 Rp91,使行扫描供电为45V; 然后，转换到高行频时，调整 Rp92使行扫描供电为65V,同时，在这两种模式下检测 25V输出 应在25± 1V范围之内。12图3-8 (b)原图图3-5 (b)原图图3-8 (b)原图图3-9 (b)原图Fairchild Semiconductor 公司推出的 KA5H03

17、65R/0380R 系列芯片、Infineon Technologies (IT) 公司推出的 COOLMOSICE2A165/265/365 系列芯片、Power Integrations (PI)公司推出的 TOP2217 系列芯片等，都是把功率开关与控制电路包括反馈电路集成于同一芯片上。用这类芯片用做开关电 源无需加散热器，在通用电网即可输出2050W的功率，而且保护功能齐全，电路结构简单，有的芯片还能自动降低空载时的工作频率，从而降低待机状态的损耗，故在中小功率开关电源中有着广 泛的应用前景。现以离线反激式开关电源在DVD机中的应用为例，以 Fairchild 一个FPS (Fairc

18、hild PowerSupply)的求解过程，探讨如何根据输入、输出的具体参量对开关电源的设计进行细化、分析、 计算，并讲述反激式开关电源设计的注意事项和特定电路的设计技巧。7.2.1 技术指标技术指标见表7-2所示。表7-2反激式开关电源技术指标输入电压单相交流220V输入电压变动范围交流 220V-20% 220V+10%输入频率50Hz输出功率19W24 V0.1A9V0.5A3.3V1.2A5V1.5A开关频率50kHz最大占空比45%转换效率刈=85%图7-14反激式开关电源7.2.2 确定输入参数1.确定输入电容Cin选择收入滤波电容，Cin按表7-3。表73 Cin范围输入电压Cin （ V F/VVUimin （V）100 Vac /115 Vac23之90230Vac1之240通用输入23>90因为输出功率PO =19W,由表7-3,取1.5科F/VV则Cin的容量为1.5 科 F/W19W=28.5 旷33科F,故确定Gn为33 d F。在标准电容系列中，与该参数最近的电容为2 .计算最低DC输入电压Uimin2FOU Im in2 U ac,minCIN(7-27)式中，tc是桥式整器导通时间，设 tc=3ms； Cin是输入电容；fL交流电网频率;U ac, min 电网