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干貨 | 反激開關(guān)電源電路分析

時(shí)間 :2023-08-03 09:06:20   來源 : 騰訊網(wǎng)

干貨 | 反激開關(guān)電源電路分析

最近在某寶買了一個(gè)AC-DC 開關(guān)電源,向他要一個(gè)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。

原理圖如下:

開關(guān)電源基礎(chǔ)知識(shí)


【資料圖】

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(shí)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(gè)特點(diǎn):

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(yīng)管),在每個(gè)周期完全接通和完全切斷的狀態(tài)。

里面至少包括一個(gè)電能儲(chǔ)能的元件,如電感或電容。

多種拓?fù)洌ń祲?,升壓,降?升壓)。

我們知道,所有的能量都不會(huì)憑空消失,損耗的能量最終都會(huì)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(huì)變大,并且整機(jī)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?

開關(guān)穩(wěn)壓器,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓,就需要控制系統(tǒng)(負(fù)反饋),從自動(dòng)控制理論中我們知道,當(dāng)電壓上升時(shí),通過負(fù)反饋把他降低,當(dāng)電壓下降時(shí),就把它升上去。這樣就形成了一個(gè)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(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間的簡單方法

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

但是,我們不能采用一個(gè)脈沖輸出,需要一種實(shí)現(xiàn)能量流動(dòng)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(chǔ)能量,而在開關(guān)切斷時(shí)提供能量的方法,從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)。

電子行業(yè)中,兩種儲(chǔ)能元件

實(shí)例,簡化的降壓開關(guān)電源

如圖,是一個(gè)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(dāng) S1 閉合時(shí),輸入的能量從C1 ,通過S1 -->電感器L1 -->電容器C2 -->負(fù)載RL供電,此時(shí),電感器L1同時(shí)也在 儲(chǔ)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(dāng) S2 關(guān)斷時(shí),由于電感儲(chǔ)存能量,( 電感阻礙電流的變化,與電流的方向一致,變化時(shí),將電感理解為一個(gè)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(chǔ)存的能量 -->電容器C2 -->負(fù)載RL -->二極管D1。此時(shí)可得式子:L*di/dtoff = V0。

最后我們得出 V0/Vin = D

各個(gè)器件的作用:

1、電容C1 : 用于使輸入電壓平穩(wěn)。

2、電容C2:負(fù)責(zé)輸出電壓平穩(wěn)。

3、鉗位二極管:在開關(guān)開路時(shí),為電感器提供一條電流通路。

4、電感器 L1:用于存儲(chǔ)即將傳送置負(fù)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(gè)隔離變壓器,就可以得到下圖的反激式變換器。

反激的重要波形

當(dāng)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(gè)原副邊的匝數(shù)比,這里也可以看做變壓器就是一個(gè)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(dǎo)通時(shí),高頻變壓器T初級繞組的感應(yīng)電壓為上正下負(fù),整流二極管D1處于截止?fàn)顟B(tài),再初級繞組中存儲(chǔ)能量。當(dāng)開關(guān)管截止時(shí),變壓器T初級繞組中存儲(chǔ)的能量,通過次級繞組激VD1整流和電容C濾波后向負(fù)載輸出。

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(shí)輸出不同的電壓,且有較好的電壓調(diào)整率。唯一的缺點(diǎn)是輸出的紋波電壓較大,外特性差,適用于相對固定的負(fù)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

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(jìn)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(gè)輸入線的共摸電流旁路到大地,共摸電感呈現(xiàn)一個(gè)平衡阻抗,也就是說,電源線和地線中阻抗相等,這個(gè)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(shè)備自身和電網(wǎng)中的其他設(shè)備免除干擾。

原理圖:

F1 : 保險(xiǎn)管,電流過大時(shí),保護(hù)電路。

R1 R2 : 放電電阻,給這部分濾波放電,使用多個(gè)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

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:

NTC 熱敏電阻:在電路的輸入端串聯(lián)一個(gè)負(fù)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(jī)時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓形成的浪涌電流。

當(dāng)電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作時(shí),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(dòng)電路

CR6842具有2中啟動(dòng)方式:

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

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

原理解析:

OCP補(bǔ)償功能的啟動(dòng),

左側(cè),當(dāng)系統(tǒng)的輸入電壓發(fā)送變化時(shí),通過啟動(dòng)電阻流經(jīng)Vin端的電流也會(huì)發(fā)生變化,芯片通過檢測該端口變化值來自動(dòng)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償,使系統(tǒng)達(dá)到恒定功率輸出的目的。

右側(cè),當(dāng)電源上電開機(jī)時(shí),通過啟動(dòng)電阻R11給 VDD端的電容C1 充電,直到VDD端口電壓達(dá)到芯片的啟動(dòng)電壓 Vth(ON) (典型值 16.5V)時(shí),芯片才被激活并且驅(qū)動(dòng)整個(gè)電源系統(tǒng)正常工作。

開關(guān)ON通路與電流檢測(限流保護(hù))

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(luò),避免由于Sense 端的電流反饋信號前沿噪聲干擾持續(xù)時(shí)間超過芯片內(nèi)置的前沿消隱(LEB)時(shí)間導(dǎo)致系統(tǒng)性能異常。

推薦R-C網(wǎng)絡(luò)的取值:R

開關(guān)OFF通路

能量不可能憑空消失,因此需要一個(gè)回路來釋放電感存儲(chǔ)的能量,開關(guān)OFF時(shí),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。

加速關(guān)斷驅(qū)動(dòng)

MOS管一般都是慢開快關(guān)。在關(guān)斷瞬間驅(qū)動(dòng)電路能提供一個(gè)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(dòng)電阻上并聯(lián)一個(gè)電阻和一個(gè)二極管,如上圖所示,其中D1常用的是快恢復(fù)二極管。這使關(guān)斷時(shí)間減小,同時(shí)減小關(guān)斷時(shí)的損耗。Rg2是防止關(guān)斷的時(shí)電流過大,把電源IC給燒掉。

開關(guān)管工作頻率

CR6842 允許設(shè)計(jì)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(yīng)用電路如下:

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

同步整流濾波電路

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:

L3 為續(xù)流電感,避免負(fù)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

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(gè)電壓門限開關(guān),它與R14,R15一起檢測+12V電壓的變化,當(dāng)+12V電壓升高時(shí),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(dǎo)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(dāng)+12V降低時(shí),光耦不導(dǎo)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:

TL431 用作穩(wěn)壓電路時(shí),典型電路如下:

當(dāng)輸入電壓變化時(shí),431會(huì)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(dāng)輸入端電壓升高時(shí),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(dāng)輸入端電壓降低時(shí),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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