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開(kāi)關(guān)電源的電路的輸入電路的原理及常見(jiàn)電路

時(shí)間:2024-08-06 17:36:43來(lái)源:21ic電子網(wǎng)

導(dǎo)語(yǔ):?開(kāi)關(guān)模式電源(Switch Mode Power Supply,簡(jiǎn)稱(chēng)SMPS),又稱(chēng)交換式電源、開(kāi)關(guān)變換器,是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置,是電源供應(yīng)器的一種。

  其功能是將一個(gè)位準(zhǔn)的電壓,透過(guò)不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶(hù)端所需求的電壓或電流。開(kāi)關(guān)電源的輸入多半是交流電源(例如市電)或是直流電源,而輸出多半是需要直流電源的設(shè)備,例如個(gè)人電腦,而開(kāi)關(guān)電源就進(jìn)行兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換。

  開(kāi)關(guān)電源不同于線性電源,開(kāi)關(guān)電源利用的切換晶體管多半是在全開(kāi)模式(飽和區(qū))及全閉模式(截止區(qū))之間切換,這兩個(gè)模式都有低耗散的特點(diǎn),切換之間的轉(zhuǎn)換會(huì)有較高的耗散,但時(shí)間很短,因此比較節(jié)省能源,產(chǎn)生廢熱較少。理想上,開(kāi)關(guān)電源本身是不會(huì)消耗電能的。電壓穩(wěn)壓是通過(guò)調(diào)整晶體管導(dǎo)通及斷路的時(shí)間來(lái)達(dá)到。相反的,線性電源在產(chǎn)生輸出電壓的過(guò)程中,晶體管工作在放大區(qū),本身也會(huì)消耗電能。開(kāi)關(guān)電源的高轉(zhuǎn)換效率是其一大優(yōu)點(diǎn),而且因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源工作頻率高,可以使用小尺寸、輕重量的變壓器,因此開(kāi)關(guān)電源也會(huì)比線性電源的尺寸要小,重量也會(huì)比較輕。若電源的高效率、體積及重量是考慮重點(diǎn)時(shí),開(kāi)關(guān)電源比線性電源要好。不過(guò)開(kāi)關(guān)電源比較復(fù)雜,內(nèi)部晶體管會(huì)頻繁切換,若切換電流尚未加以處理,可能會(huì)產(chǎn)生噪聲及電磁干擾影響其他設(shè)備,而且若開(kāi)關(guān)電源沒(méi)有特別設(shè)計(jì),其電源功率因數(shù)可能不高。

  開(kāi)關(guān)電源的電路組成

  開(kāi)關(guān)電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器(EMI)、整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制器電路、輸出整流濾波電路組成。輔助電路有輸入過(guò)欠壓保護(hù)電路、輸出過(guò)欠壓保護(hù)電路、輸出過(guò)流保護(hù)電路、輸出短路保護(hù)電路等。

  開(kāi)關(guān)電源的電路組成方框圖如下:

  輸入電路的原理及常見(jiàn)電路

  1、AC輸入整流濾波電路原理:

  ①、防雷電路:當(dāng)有雷擊,產(chǎn)生高壓經(jīng)電網(wǎng)導(dǎo)入電源時(shí),由MOV1、MOV2、MOV3:F1、F2、F3、FDG1組成的電路進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)加在壓敏電阻兩端的電壓超過(guò)其工作電壓時(shí),其阻值降低,使高壓能量消耗在壓敏電阻上,若電流過(guò)大,F(xiàn)1、F2、F3會(huì)燒毀保護(hù)后級(jí)電路。

 、凇⑤斎霝V波電路:C1、L1、C2、C3組成的雙π型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對(duì)輸入電源的電磁噪聲及雜波信號(hào)進(jìn)行抑制,防止對(duì)電源干擾,同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對(duì)電網(wǎng)干擾。當(dāng)電源開(kāi)啟瞬間,要對(duì)C5充電,由于瞬間電流大,加RT1(熱敏電阻)就能有效的防止浪涌電流。因瞬時(shí)能量全消耗在RT1電阻上,一定時(shí)間后溫度升高后RT1阻值減小(RT1是負(fù)溫系數(shù)元件),這時(shí)它消耗的能量非常小,后級(jí)電路可正常工作。

 、邸⒄鳛V波電路:交流電壓經(jīng)BRG1整流后,經(jīng)C5濾波后得到較為純凈的直流電壓。若C5容量變小,輸出的交流紋波將增大。

  2、DC輸入濾波電路原理:

  ①、輸入濾波電路:C1、L1、C2組成的雙π型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對(duì)輸入電源的電磁噪聲及雜波信號(hào)進(jìn)行抑制,防止對(duì)電源干擾,同時(shí)也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對(duì)電網(wǎng)干擾。C3、C4為安規(guī)電容,L2、L3為差模電感。②、R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7組成抗浪涌電路。在起機(jī)的瞬間,由于C6的存在Q2不導(dǎo)通,電流經(jīng)RT1構(gòu)成回路。當(dāng)C6上的電壓充至Z1的穩(wěn)壓值時(shí)Q2導(dǎo)通。如果C8漏電或后級(jí)電路短路現(xiàn)象,在起機(jī)的瞬間電流在RT1上產(chǎn)生的壓降增大,Q1導(dǎo)通使Q2沒(méi)有柵極電壓不導(dǎo)通,RT1將會(huì)在很短的時(shí)間燒毀,以保護(hù)后級(jí)電路。

  功率變換電路

  1、MOS管的工作原理:目前應(yīng)用最廣泛的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管是MOSFET(MOS管),是利用半導(dǎo)體表面的電聲效應(yīng)進(jìn)行工作的。也稱(chēng)為表面場(chǎng)效應(yīng)器件。由于它的柵極處于不導(dǎo)電狀態(tài),所以輸入電阻可以大大提高,最高可達(dá)105歐姆,MOS管是利用柵源電壓的大小,來(lái)改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少,從而控制漏極電流的大小。2、常見(jiàn)的原理圖:

  3、工作原理:R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2組成緩沖器,和開(kāi)關(guān)MOS管并接,使開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力減少,EMI減少,不發(fā)生二次擊穿。在開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷時(shí),變壓器的原邊線圈易產(chǎn)生尖峰電壓和尖峰電流,這些元件組合一起,能很好地吸收尖峰電壓和電流。從R3測(cè)得的電流峰值信號(hào)參與當(dāng)前工作周波的占空比控制,因此是當(dāng)前工作周波的電流限制。當(dāng)R5上的電壓達(dá)到1V時(shí),UC3842停止工作,開(kāi)關(guān)管Q1立即關(guān)斷。R1和Q1中的結(jié)電容CGS、CGD一起組成RC網(wǎng)絡(luò),電容的充放電直接影響著開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)速度。R1過(guò)小,易引起振蕩,電磁干擾也會(huì)很大;R1過(guò)大,會(huì)降低開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)速度。Z1通常將MOS管的GS電壓限制在18V以下,從而保護(hù)了MOS管。Q1的柵極受控電壓為鋸形波,當(dāng)其占空比越大時(shí),Q1導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng),變壓器所儲(chǔ)存的能量也就越多;當(dāng)Q1截止時(shí),變壓器通過(guò)D1、D2、R5、R4、C3釋放能量,同時(shí)也達(dá)到了磁場(chǎng)復(fù)位的目的,為變壓器的下一次存儲(chǔ)、傳遞能量做好了準(zhǔn)備。IC根據(jù)輸出電壓和電流時(shí)刻調(diào)整著⑥腳鋸形波占空比的大小,從而穩(wěn)定了整機(jī)的輸出電流和電壓。C4和R6為尖峰電壓吸收回路。

  4、推挽式功率變換電路:Q1和Q2將輪流導(dǎo)通。

  5、有驅(qū)動(dòng)變壓器的功率變換電路:T2為驅(qū)動(dòng)變壓器,T1為開(kāi)關(guān)變壓器,TR1為電流環(huán)。

  輸出整流濾波電路

  1、正激式整流電路:

  T1為開(kāi)關(guān)變壓器,其初極和次極的相位同相。D1為整流二極管,D2為續(xù)流二極管,R1、C1、R2、C2為削尖峰電路。L1為續(xù)流電感,C4、L2、C5組成π型濾波器。

  2、反激式整流電路:

  T1為開(kāi)關(guān)變壓器,其初極和次極的相位相反。D1為整流二極管,R1、C1為削尖峰電路。L1為續(xù)流電感,R2為假負(fù)載,C4、L2、C5組成π型濾波器。

  3、同步整流電路:

  工作原理:當(dāng)變壓器次級(jí)上端為正時(shí),電流經(jīng)C2、R5、R6、R7使Q2導(dǎo)通,電路構(gòu)成回路,Q2為整流管。Q1柵極由于處于反偏而截止。當(dāng)變壓器次級(jí)下端為正時(shí),電流經(jīng)C3、R4、R2使Q1導(dǎo)通,Q1為續(xù)流管。Q2柵極由于處于反偏而截止。L2為續(xù)流電感,C6、L1、C7組成π型濾波器。R1、C1、R9、C4為削尖峰電路。

  穩(wěn)壓環(huán)路原理

  1、反饋電路原理圖:

  2、工作原理:

  當(dāng)輸出U0升高,經(jīng)取樣電阻R7、R8、R10、VR1分壓后,U1③腳電壓升高,當(dāng)其超過(guò)U1②腳基準(zhǔn)電壓后U1①腳輸出高電平,使Q1導(dǎo)通,光耦OT1發(fā)光二極管發(fā)光,光電三極管導(dǎo)通,UC3842①腳電位相應(yīng)變低,從而改變U1⑥腳輸出占空比減小,U0降低。當(dāng)輸出U0降低時(shí),U1③腳電壓降低,當(dāng)其低過(guò)U1②腳基準(zhǔn)電壓后U1①腳輸出低電平,Q1不導(dǎo)通,光耦OT1發(fā)光二極管不發(fā)光,光電三極管不導(dǎo)通,UC3842①腳電位升高,從而改變U1⑥腳輸出占空比增大,U0降低。周而復(fù)始,從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。調(diào)節(jié)VR1可改變輸出電壓值。

  反饋環(huán)路是影響開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定性的重要電路。如反饋電阻電容錯(cuò)、漏、虛焊等,會(huì)產(chǎn)生自激振蕩,故障現(xiàn)象為:波形異常,空、滿(mǎn)載振蕩,輸出電壓不穩(wěn)定等。

  短路保護(hù)電路

  1、在輸出端短路的情況下,PWM控制電路能夠把輸出電流限制在一個(gè)安全范圍內(nèi),它可以用多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)限流電路,當(dāng)功率限流在短路時(shí)不起作用時(shí),只有另增設(shè)一部分電路。

  2、短路保護(hù)電路通常有兩種,下圖是小功率短路保護(hù)電路,其原理簡(jiǎn)述如下:

  當(dāng)輸出電路短路,輸出電壓消失,光耦OT1不導(dǎo)通,UC3842①腳電壓上升至5V左右,R1與R2的分壓超過(guò)TL431基準(zhǔn),使之導(dǎo)通,UC3842⑦腳VCC電位被拉低,IC停止工作。UC3842停止工作后①腳電位消失,TL431不導(dǎo)通UC3842⑦腳電位上升,UC3842重新啟動(dòng),周而復(fù)始。當(dāng)短路現(xiàn)象消失后,電路可以自動(dòng)恢復(fù)成正常工作狀態(tài)。

  3、下圖是中功率短路保護(hù)電路,其原理簡(jiǎn)述如下:

  當(dāng)輸出短路,UC3842①腳電壓上升,U1③腳電位高于②腳時(shí),比較器翻轉(zhuǎn)①腳輸出高電位,給C1充電,當(dāng)C1兩端電壓超過(guò)⑤腳基準(zhǔn)電壓時(shí)U1⑦腳輸出低電位,UC3842①腳低于1V,UCC3842停止工作,輸出電壓為0V,周而復(fù)始,當(dāng)短路消失后電路正常工作。R2、C1是充放電時(shí)間常數(shù),阻值不對(duì)時(shí)短路保護(hù)不起作用。

  4、下圖是常見(jiàn)的限流、短路保護(hù)電路。其工作原理簡(jiǎn)述如下:

  當(dāng)輸出電路短路或過(guò)流,變壓器原邊電流增大,R3兩端電壓降增大,③腳電壓升高,UC3842⑥腳輸出占空比逐漸增大,③腳電壓超過(guò)1V時(shí),UC3842關(guān)閉無(wú)輸出。

  5、下圖是用電流互感器取樣電流的保護(hù)電路,有著功耗小,但成本高和電路較為復(fù)雜,其工作原理簡(jiǎn)述如下:

  輸出電路短路或電流過(guò)大,TR1次級(jí)線圈感應(yīng)的電壓就越高,當(dāng)UC3842③腳超過(guò)1伏,UC3842停止工作,周而復(fù)始,當(dāng)短路或過(guò)載消失,電路自行恢復(fù)。

  七、輸出端限流保護(hù)

  上圖是常見(jiàn)的輸出端限流保護(hù)電路,其工作原理簡(jiǎn)述如上圖:當(dāng)輸出電流過(guò)大時(shí),RS(錳銅絲)兩端電壓上升,U1③腳電壓高于②腳基準(zhǔn)電壓,U1①腳輸出高電壓,Q1導(dǎo)通,光耦發(fā)生光電效應(yīng),UC3842①腳電壓降低,輸出電壓降低,從而達(dá)到輸出過(guò)載限流的目的。

  輸出過(guò)壓保護(hù)電路的原理

  輸出過(guò)壓保護(hù)電路的作用是:當(dāng)輸出電壓超過(guò)設(shè)計(jì)值時(shí),把輸出電壓限定在一安全值的范圍內(nèi)。當(dāng)開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部穩(wěn)壓環(huán)路出現(xiàn)故障或者由于用戶(hù)操作不當(dāng)引起輸出過(guò)壓現(xiàn)象時(shí),過(guò)壓保護(hù)電路進(jìn)行保護(hù)以防止損壞后級(jí)用電設(shè)備。應(yīng)用最為普遍的過(guò)壓保護(hù)電路有如下幾種:

  1、可控硅觸發(fā)保護(hù)電路:

  如上圖,當(dāng)Uo1輸出升高,穩(wěn)壓管(Z3)擊穿導(dǎo)通,可控硅(SCR1)的控制端得到觸發(fā)電壓,因此可控硅導(dǎo)通。Uo2電壓對(duì)地短路,過(guò)流保護(hù)電路或短路保護(hù)電路就會(huì)工作,停止整個(gè)電源電路的工作。當(dāng)輸出過(guò)壓現(xiàn)象排除,可控硅的控制端觸發(fā)電壓通過(guò)R對(duì)地泄放,可控硅恢復(fù)斷開(kāi)狀態(tài)。

  2、光電耦合保護(hù)電路:

  如上圖,當(dāng)Uo有過(guò)壓現(xiàn)象時(shí),穩(wěn)壓管擊穿導(dǎo)通,經(jīng)光耦(OT2)R6到地產(chǎn)生電流流過(guò),光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光,從而使光電耦合器的光敏三極管導(dǎo)通。Q1基極得電導(dǎo)通,3842的③腳電降低,使IC關(guān)閉,停止整個(gè)電源的工作,Uo為零,周而復(fù)始,。

  3、輸出限壓保護(hù)電路:輸出限壓保護(hù)電路如下圖,當(dāng)輸出電壓升高,穩(wěn)壓管導(dǎo)通光耦導(dǎo)通,Q1基極有驅(qū)動(dòng)電壓而道通,UC3842③電壓升高,輸出降低,穩(wěn)壓管不導(dǎo)通,UC3842③電壓降低,輸出電壓升高。周而復(fù)始,輸出電壓將穩(wěn)定在一范圍內(nèi)(取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值)。

  4、輸出過(guò)壓鎖死電路:

  圖A的工作原理是,當(dāng)輸出電壓Uo升高,穩(wěn)壓管導(dǎo)通,光耦導(dǎo)通,Q2基極得電導(dǎo)通,由于Q2的導(dǎo)通Q1基極電壓降低也導(dǎo)通,Vcc電壓經(jīng)R1、Q1、R2使Q2始終導(dǎo)通,UC3842③腳始終是高電平而停止工作。在圖B中,UO升高U1③腳電壓升高,①腳輸出高電平,由于D1、R1的存在,U1①腳始終輸出高電平Q1始終導(dǎo)通,UC3842①腳始終是低電平而停止工作。正反饋?

  功率因數(shù)校正電路(PFC)

  1、原理示意圖:

  2、工作原理:輸入電壓經(jīng)L1、L2、L3等組成的EMI濾波器,BRG1整流一路送PFC電感,另一路經(jīng)R1、R2分壓后送入PFC控制器作為輸入電壓的取樣,用以調(diào)整控制信號(hào)的占空比,即改變Q1的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間,穩(wěn)定PFC輸出電壓。L4是PFC電感,它在Q1導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存能量,在Q1關(guān)斷時(shí)施放能量。D1是啟動(dòng)二極管。D2是PFC整流二極管,C6、C7濾波。PFC電壓一路送后級(jí)電路,另一路經(jīng)R3、R4分壓后送入PFC控制器作為PFC輸出電壓的取樣,用以調(diào)整控制信號(hào)的占空比,穩(wěn)定PFC輸出電壓。

  開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化控制、軍工設(shè)備、科研設(shè)備、LED照明、工控設(shè)備、通訊設(shè)備、電力設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體制冷制熱、空氣凈化器,電子冰箱,液晶顯示器,LED燈具,通訊設(shè)備,視聽(tīng)產(chǎn)品,安防監(jiān)控,LED燈帶,電腦機(jī)箱,數(shù)碼產(chǎn)品和儀器類(lèi)等領(lǐng)域。

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