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开关电源基础分类与原理

来源:来源: 电源网 | 作者:Prothe | 发布时间: 474天前 | 2998 次浏览 | 分享到:
开关电源分为,隔离与非隔离两种形式,在这里主要谈一谈隔离式开关电源的拓扑形式,在下文中,非特别说明,均指隔离电源。


开关电源基础分类与原理

 

开关电源分为,隔离与非隔离两种形式,在这里主要谈一谈隔离式开关电源的拓扑形式,在下文中,非特别说明,均指隔离电源。隔离电源按照结构形式不同,可分为两大类:正激式和反激式。反激式指在变压器原边导通时副边截止,变压器储能。截止是通过次级绕组的感应电动势与次级整流管反相达到的。原边截止时,副边导通,能量释放到负载的工作状态,一般常 规反激式电源单管多,双管的不常见。正激式指在变压器原边导通同时副边感应出对应电压输出到负载,能量通过变压器直接传递。按规格又可分为常规正激,包括 单管正激,双管正激。半桥、桥式电路都属于正激电路。一般在小功率场合可选用反激式。稍微大一些可采用单管正激电路,中等功率可采用双管正激电路或半桥电路,低电压时采用推挽电路,与半桥工作状态相同。大功率输出,一般采用桥式电路,低压也可采用推挽电路。

反激式电源因其结构简单,省掉了一个和变压器体积大小差不多的电感,而在中小功率电源中得到广泛的应用。一般介绍中讲到反激式电源功率只能做到几十瓦,输出功率超过100瓦就没有优势. 少数利用芯片可以达到300W输出功率大小与输出电压高低有关。 

    反激式电源占空比由变压器原副边匝数比确定,做反激的看法是,可以先确定反射电压(输出电压通过变压器耦合反映到原边的电压值在一定电压范围内输出电压升高,使反射电压提高则工作占空比增大,开关管损耗降低。反射电压降低则工作占空比减小,开关管损耗增大。当然这也是有前提条件,当占空比增大,则意味着输出二极管导通时间缩短,为保持输出稳定,更多的时候将由输出电容放电电流来保证,输出电容将承受更大的高频纹波电流冲刷,而使其发热加剧,这在许多条件下是不允许的。

     占空比增大,改变变压器匝数比,会使变压器漏感加大 (?),使其整体性能变,当漏感能量大到一定程度,可充分抵消掉开关管大占空带来的低损耗,时就没有再增大占空比的意义了,甚至可能会因为漏感反峰值电压过高而击穿开关管。由于漏感大,可能使输出纹波,及其他一些电磁指标变差。当占空比小时,开关管通过电流有效值高,变压器初级电流有效值大,降低变换器效率,但可改善输出电容的工作条件,降低发热。

        实践证明600V管子反射电压不要大于100V650V管子反射电压不要大于120V,把漏感尖峰电压值钳位在50V时管子还有50V的工作余量。现在 由于MOS管制造工艺水平的提高,一般反激电源都采用700V750V甚至 800-900V的开关管。像这种电路,抗过压的能力强一些开关变压器反射电压也可以做得比较高一些,最大反射电压在150V比较合适,能够获得较好的综 合性能。

        反激电源的反射电压还与一个参数有关,那就是输出电压,输出电压越低则变压器匝数比越大,变压器漏感越大,开关管承受电压越高,有可能击穿开关管、吸收电 路消耗功率越大,有可能使吸收回路功率器件永久失效(特别是采用瞬变电压抑制二极管的电路)。在设计低压输出小功率反激电源的优化过程中必须小心处理,其 处理方法有几个:

1、 采用大一个功率等级的磁芯降低漏感,这样可提高低压反激电源的转换效率,降低损耗,减小输出纹波,提高多路输出电源的交差调整率,一般常见于家电用开关电源,如光碟机、DVB机顶盒等。

2、如果条件不允许加大磁芯,只能降低反射电压,减小占空比。降低反射电压可减小漏感但有可能使电源转换效率降低,这 两者是一个矛盾,必须要有一个替代过程才能找到一个合适的点,在变压器替代实验过程中,可以检测变压器原边的反峰电压,尽量降低反峰电压脉冲的宽度,和幅 度,可增加变换器的工作安全裕度。一般反射电压在110V时比较合适。

3、增强耦合,降低损耗,采用新的技术,和绕线工艺,变压器为满足安全规范会在原边和副边间采取绝缘措施,如垫绝缘胶 带、加绝缘端空胶带。这些将影响变压器漏感性能,现实生产中可采用初级绕组包绕次级的绕法。或者次级用三重绝缘线绕制,取消初次级间的绝缘物,可以增强耦 合,甚至可采用宽铜皮绕制。

文中低压输出指小于或等于5V的输出,像这一类小功率电源,本人的经验是,功率输出大于20W输出可采用正激式,可获得最佳性价比,当然这也不是决对的,与个人的习惯,应用的环境有关系

关于反激电源用磁性芯,磁路开气隙

反激电源变压器磁芯在工作在单向磁化状态,所以磁路需要开气隙. 两个作用。其一是传递更多能量,其二防止磁芯进入饱和状态。气隙的处理需要非常小心,气隙太大可使漏感变大,磁滞损耗增加,铁损、铜损增大,影响电源的整机性能。气隙太小有可能使变压器磁芯饱和,导致电源损坏。

 

反激式变换器一般有两种工作方式:完全能量转换(电感电流不连续)和不完全能量转换(电感电流连续)。这两种工作方式的小信号传递函数是截然不同的,动态分析时要做不同的处理。实际上当变换器输入电压在一个较大范围发生变化,和(或者)负载电流在较大范围内变化时,必然跨越两种工作方式,因此,常要求反激式变换器在完全能量和不完全能量转换方式下都能稳定工作。


开关式稳压电源的工作原理

        随着全球对能源问题的重视,电子产品的耗能问题将愈来愈突出,如何降低其待机功耗,提高供电效率成为一个急待解决的问题。传统的线性稳压电源虽然电路结构 简单、工作可靠,但它存在着效率低(只有40% -50%)、体积大、铜铁消耗量大,工作温度高及调整范围小等缺点。为了提高效率,人们研制出了开关式稳压电源,它的效率可达85% 以上,稳压范围宽,除此之外,还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点,是一种较理想的稳压电源。正因为如此,开关式稳压电源已广泛应用于各种电子设备 中,本文对各类开关电源的工作原理作一阐述。

一、开关式稳压电源的基本工作原理
       开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种,在实际的应用中,调宽式使用得较多,在目前开发和使用的开关电源集成电路中,绝大多数也为脉宽调制型。因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。
      调宽式开关稳压电源的基本原理可参见下图。

      对于单极性矩形脉冲来说,其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度,脉冲越宽,其直流平均电压值就越高。直流平均电压U。可由公式计算,
    即Uo=Um×T1/T
   式中Um为矩形脉冲最大电压值;T为矩形脉冲周期;T1为矩形脉冲宽度。
从上式可以看出,当Um 与T 不变时,直流平均电压Uo 将与脉冲宽度T1 成正比。这样,只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄,就可以达到稳定电压的目的。

二、开关式稳压电源的原理电路
    1、基本电路

                                             图二 开关电源基本电路框图
      开关式稳压电源的基本电路框图如图二所示。
      交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后,变成含有一定脉动成份的直流电压,该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波,最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。
      控制电路为一脉冲宽度调制器,它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化,制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例,以达到稳定输出电压的目的。

      2.单端反激式开关电源
      单端反激式开关电源的典型电路如图三所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激,是指当开关管VT1 导通时,高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负,整流二极管VD1处于截止状态,在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时,变压器T初级绕组中存储的能量,通过次级绕组及VD1 整流和电容C滤波后向负载输出。

       单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路,输出功率为20-100W,可以同时输出不同的电压,且有较好的电压调整率。唯一的缺点是输出的纹波电压较大,外特性差,适用于相对固定的负载。
       单端反激式开关电源使用的开关管VT1 承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍,工作频率在20-200kHz之间。

3.单端正激式开关电源
       单端正激式开关电源的典型电路如图四所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似,但工作情形不同。当开关管VT1导通时,VD2也
导通,这时电网向负载传送能量,滤波电感L储存能量;当开关管VT1截止时,电感L通过续流二极管VD3 继续向负载释放能量。

       在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2,它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件,即磁通建立和
复位时间应相等,所以电路中脉冲的占空比不能大于50%。由于这种电路在开关管VT1导通时,通过变压器向负载传送能量,所以输出功率范围大,可输出50-200 W的功率。电路使用的变压器结构复杂,体积也较大,正因为这个原因,这种电路的实际应用较少。

4.自激式开关稳压电源
        自激式开关稳压电源的典型电路如图五所示。这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源,也是目前广泛使用的基本电源之一。

       当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流,使VT1开始导通,其集电极电流Ic在L1中线性增长,在L2 中感应出使VT1 基极为正,发射极为负的正反馈电压,使VT1 很快饱和。与此同时,感应电压给C1充电,随着C1充电电压的增高,VT1基极电位逐渐变低,致使VT1退出饱和区,Ic 开始减小,在L2 中感应出使VT1 基极为负、发射极为正的电压,使VT1 迅速截止,这时二极管VD1导通,高频变压器T初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止时,L2中没有感应电压,直流供电输人电压又经R1给C1反向充 电,逐渐提高VT1基极电位,使其重新导通,再次翻转达到饱和状态,电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电源那样,由变压器T的次级绕组向负 载输出所需要的电压。
自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从,也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态,具有输人和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源,亦适用于小功率电源。

5.推挽式开关电源
       推挽式开关电源的典型电路如图六所示。它属于双端式变换电路,高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管VT1和VT2,两个开关管在外 激励方波信号的控制下交替的导通与截止,在变压器T次级统组得到方波电压,经整流滤波变为所需要的直流电压。

      这种电路的优点是两个开关管容易驱动,主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大,一般在100-500 W范围内。

6.降压式开关电源
        降压式开关电源的典型电路如图七所示。当开关管VT1 导通时,二极管VD1 截止,输人的整流电压经VT1和L向C充电,这一电流使电感L中的储能增加。当开关管VT1截止时,电感L感应出左负右正的电压,经负载RL和续流二极管 VD1释放电感L中存储的能量,维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。

        这种电路使用元件少,它同下面介绍的另外两种电路一样,只需要利用电感、电容和二极管即可实现。

7.升压式开关电源
       升压式开关电源的稳压电路如图八所示。当开关管 VT1 导通时,电感L储存能量。当开关管VT1 截止时,电感L感应出左负右正的电压,该电压叠加在输人电压上,经二极管VD1向负载供电,使输出电压大于输人电压,形成升压式开关电源。

8.反转式开关电源
       反转式开关电源的典型电路如图九所示。这种电路又称为升降压式开关电源。无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压,电路均能正常工作。

        当开关管 VT1 导通时,电感L 储存能量,二极管VD1 截止,负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。当开关管VT1截止时,电感L中的电流继续流通,并感应出上负下正的电压,经二极管VD1向负载供电,同时给电容C充电。

         以上介绍了脉冲宽度调制式开关稳压电源的基本工作原理和各种电路类型,在实际应用中,会有各种各样的实际控制电路,但无论怎样,也都是在这些基础上发展出来的。


单端反激RCC原理详解 


RCC(RINGING CHOKE CONVERTER)是一种非定频电源.

如图为一个简单的RCC原理图。V?为输入电源,R2R3串联构成启动电阻,L2L3L4构成变压器,其中L2为初级绕组,L3为次级绕组,L4为反馈绕组,R14为输出电容的ESRDzR6和光耦构成反馈电路来稳压。
    工作过程如下:上电以后,输入电压通过启动电阻R2R3给电容C15充电,当C15上的电压达到开关管的开启电压时,开关管开始导通, 电流随C15上的电压增加而增大,于是初级绕组上跟着产生一个电压,大小为L2*di/dt,根据变压器原理可知反馈绕组L4上也会产生一个与匝数成正比的反馈电压,这里的极性是正反馈,所以反馈电压与C15上的电压叠加形成更高的栅极电压,使开关管导通电阻迅速减小,初级绕组上的电压迅速变大,这样反馈 电压又迅速增大,如此循环,最终导致开关管迅速进入饱和导通状态。开关管饱和导通以后,输入电压全部加在初级绕组L2两端,L2的电流线性增大,增大的速 度为Vin/L2。这个电流流过采样电阻R13,在其两端产生一个电压,这个电压达到0.7V时,三极管Q2开始导通,于是开始释放开关管栅极的电荷,栅极电压开始下降,当下降到足够低时,开关管开始退出饱和导通状态,进入线性工作区,于是开始了另一个正反馈,这个正反馈使开关管迅速进入截止状态而关断。在开关管饱和导通期间,初级产生了一个电流,设为Ipp,因此变压器磁芯及气隙里建立了相应的一个磁场,我们知道磁场是存有能量的,所以变压器就存储了一定的能量,用电赣量和电流表达为0.5*L2*Ipp*Ipp. 当开关管关断以后,这个能量会通过次级绕组及反馈绕组释放出来,反馈绕组功率很小,忽略不计,我们认为能量全部通过次级释放。根据能量守恒可计算出初次级 峰值电流之间的关系:
      0.5*L2*Ipp*Ipp = 0.5*L3*Ips*Ips
            Ips/Ipp =√(L2/L1)= 匝比
      Ipp 为初级峰值电流,Ips为次级峰值电流
释放能量期间,次级绕组电流下降的速度为Vo/L3当电流下降至0时,磁场储能释放完毕。但是,由于开关管的寄生电容储存了电场能,于是这个电 容将和初级电感产生正弦振荡,频率因开关管和变压器电感量而定,小功率的一般在1MHz左右,当开关管电压Vds振荡到足够低时,反馈绕组则振荡到足够 高,以至开关管栅极电压达到开启电压,于是进入了下一个导通周期 ?,如此周而复始,便使得开关管不断地导通-关断-导通-关断-......,形成了一个自 激振荡转换器。这便是RCC工作过程的分析。
    然后,我们来看看怎么稳压的。这里采用了简单的稳压管方式来稳压。稳压管串上光电耦合器。电压达到输出电压时,稳压管和光耦导通,占空比被稳定在合适的值从而稳定输出电压。
    
    最后,来看看一些比较关键的元器件。
    1,启动电阻R2,R3,刚开始上电的瞬间,开关管的驱动信号依靠这两个启动电阻。由于电压很高,所以采用两个串联,以保证功率降额和电 压降额,保证可靠性。此电阻大小也有讲究。他们会对短路功率和空载功耗起关键作用。对于MOS开关管,此电阻可以取得很大,2M以上都没问题。电阻值越 大,短路功率和空载功耗也将越小。
     2C15, 此电容为隔直电容,但其作用可不只隔直,对短路功耗也有影响。取值大小应合适,太了影响正反馈强弱,可能不起振,太小了也可能导致短路时不打嗝,徒增短路功耗。
     3,其他功率器件选择和一般反激一样,不再赘述。

 

 

另一介绍:


220V市电压整流滤波电路产生的300V直流电压分两路输出:一路通过开关压器T1初级绕组加到开关管Q2的漏极(D极);另一路通过启动电阻R1加到开关管Q2栅极(G极),使Q2导通。
开关管Q2导通后,其集成电极流在开关变压器T1初级组上产生○1正、○2负的感应电动势。由于互感,T1正反馈绕组相应产生○3正、○4负的感应电动势。于是T1○3脚上的正脉冲电压通过C5R8加到Q2 G极与源极(S极)之间,使Q2漏极电流进一步增大,于是开关管Q2在正反馈雪崩过程的作用下,迅速进入饱和状态。
开关管Q2在饱和期间,开关变压器T1次级绕组所接的整流滤波电路因感应电动势反相而截止,于是电能便以磁能的方式存储在T1初级绕组内部。由于正反馈雪崩过程时间极短,定时电容C5来不及充电(等效于短路)。在Q2进入饱和状态后,正反馈绕组上的感应电压对C5充电,随着C5充电的不断进行,其两端电位差升高。于是Q2以导通回路被切断,使Q2退出饱和状态。
开关管Q2退出饱和状态后,其内阻增大,导致漏极电流进一步下降。由于电感中的电流不能突变,于是开关变压器T1各个绕组的感应电动势反相,正反馈绕组○3端负的脉冲电压与定时电容C5所充的电压叠加后,使Q2迅速截止。
 开关管Q2在截止期间,定时电容C5放电,以便为下一个正反馈电压(驱动电压)提供电路,保证开关管Q2能够再次进入饱和状态。同时,开关变压器T1初级绕组存储的能量耦合到次级绕组并通过整流管整流后,向滤波电容提供能量。
  当初级绕组的能量下降到一定值时,根据电感中的电流不能突变的原理,初级绕组便产生一个反铅电动势,以抵抗电流的下降,该电流在T1初级绕组产生○1正、 ○2负的感应电动势。T1○3脚感生和正脉冲电压通过正反馈回路,使开关管Q2又重新导通 ?。因此,开关电源电路便工作在自激振荡状态
 通过以上介绍可知,在自激振荡状态,开关管的导通时间由定时电容C5充电时间决定;开关管截止时间,由C5放电时间决定
 在开关管Q2截止期间,开关变压器T1初级绕组存储的能量经次级绕组的耦合,二极管整流供负载。


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