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開關電源的電路組成原理

一、 開關電源的電路組成[/b]::

開關電源的主要電路是由輸入電磁幹擾濾波器(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。

輔助電路有輸入過欠壓保護電路、輸出過欠壓保護電路、輸出過流保護電路、輸出短路保護電路等。

開關電源的電路組成方框圖如下:


二、 輸入電路的原理及常見電路[/b]::

1、AC輸入整流濾波電路原理:


① 防雷電路:當有雷擊,産生高壓經電網導入電源時,由MOV1、MOV2、MOV3:F1、F2、F3、FDG1組成的電路進行保護。當加在壓敏電阻兩端的電壓超過其工作電壓時,其阻值降低,使高壓能量消耗在壓敏電阻上,若電流過大,F1、F2、F3會燒毀保護後級電路。

② 輸入濾波電路:C1、L1、C2、C3組成的雙π型濾波網絡主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信号進行抑制,防止對電源幹擾,同時也防止電源本身産生的高頻雜波對電網幹擾。當電源開啟瞬間,要對C5充電,由于瞬間電流大,加RT1(熱敏電阻)就能有效的防止浪湧電流。因瞬時能量全消耗在RT1電阻上,一定時間後溫度升高後RT1阻值減小(RT1是負溫系數元件),這時它消耗的能量非常小,後級電路可正常工作。

③ 整流濾波電路:交流電壓經BRG1整流後,經C5濾波後得到較為純淨的直流電壓。若C5容量變小,輸出的交流紋波将增大。

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型濾波網絡主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信号進行抑制,防止對電源幹擾,同時也防止電源本身産生的高頻雜波對電網幹擾。C3、C4為安規電容,L2、L3為差模電感。

② R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7組成抗浪湧電路。在起機的瞬間,由于C6的存在Q2不導通,電流經RT1構成回路。當C6上的電壓充至Z1的穩壓值時Q2導通。如果C8漏電或後級電路短路現象,在起機的瞬間電流在RT1上産生的壓降增大,Q1導通使Q2沒有栅極電壓不導通,RT1将會在很短的時間燒毀,以保護後級電路。


三、 功率變換電路[/b]::

1、 MOS管的工作原理:目前應用最廣泛的絕緣栅場效應管是MOSFET(MOS管),是利用半導體表面的電聲效應進行工作的。也稱為表面場效應器件。由于它的栅極處于不導電狀态,所以輸入電阻可以大大提高,最高可達105歐姆,MOS管是利用栅源電壓的大小,來改變半導體表面感生電荷的多少,從而控制漏極電流的大小。

2、 常見的原理圖:


3、工作原理:

R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2組成緩沖器,和開關MOS管并接,使開關管電壓應力減少,EMI減少,不發生二次擊穿。在開關管Q1關斷時,變壓器的原邊線圈易産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測得的電流峰值信号參與當前工作周波的占空比控制,因此是當前工作周波的電流限制。當R5上的電壓達到1V時,UC3842停止工作,開關管Q1立即關斷 。

R1和Q1中的結電容CGS、CGD一起組成RC網絡,電容的充放電直接影響着開關管的開關速度。R1過小,易引起振蕩,電磁幹擾也會很大;R1過大,會降低開關管的開關速度。Z1通常将MOS管的GS電壓限制在18V以下,從而保護了MOS管。

Q1的栅極受控電壓為鋸形波,當其占空比越大時,Q1導通時間越長,變壓器所儲存的能量也就越多;當Q1截止時,變壓器通過D1、D2、R5、R4、C3釋放能量,同時也達到了磁場複位的目的,為變壓器的下一次存儲、傳遞能量做好了準備。IC根據輸出電壓和電流時刻調整着⑥腳鋸形波占空比的大小,從而穩定了整機的輸出電流和電壓。

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将輪流導通。

5、有驅動變壓器的功率變換電路:T2為驅動變壓器,T1為開關變壓器,TR1為電流環。

四、 輸出整流濾波電路[/b]::

1、 正激式整流電路:


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

2、 反激式整流電路:


T1為開關變壓器,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為續流電感,R2為假負載,C4、L2、C5組成π型濾波器。

3、 同步整流電路:


工作原理:當變壓器次級上端為正時,電流經C2、R5、R6、R7使Q2導通,電路構成回路,Q2為整流管。Q1栅極由于處于反偏而截止。當變壓器次級下端為正時,電流經C3、R4、R2使Q1導通,Q1為續流管。Q2栅極由于處于反偏而截止。L2為續流電感,C6、L1、C7組成π型濾波器。R1、C1、R9、C4為削尖峰電路。

五、 穩壓環路原理[/b]:

1、反饋電路原理圖:


2、工作原理:

當輸出U0升高,經取樣電阻R7、R8、R10、VR1分壓後,U1③腳電壓升高,當其超過U1②腳基準電壓後U1①腳輸出高電平,使Q1導通,光耦OT1發光二極管發光,光電三極管導通,UC3842①腳電位相應變低,從而改變U1⑥腳輸出占空比減小,U0降低。

當輸出U0降低時,U1③腳電壓降低,當其低過U1②腳基準電壓後U1①腳輸出低電平,Q1不導通,光耦OT1發光二極管不發光,光電三極管不導通,UC3842①腳電位升高,從而改變U1⑥腳輸出占空比增大,U0降低。周而複始,從而使輸出電壓保持穩定。調節VR1可改變輸出電壓值。

反饋環路是影響開關電源穩定性的重要電路。如反饋電阻電容錯、漏、虛焊等,會産生自激振蕩,故障現象為:波形異常,空、滿載振蕩,輸出電壓不穩定等。

由于版面有限,還有很多沒上傳,有空會上傳上去。如果你急需要看全文的話,可以留個郵箱。


六、短路保護電路:

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安全範圍内,它可以用多種方法來實現限流電路,當功率限流在短路時不起作用時,隻有另增設一部分電路。

2、短路保護電路通常有兩種,下圖是小功率短路保護電路,其原理簡述如下:

當輸出電路短路,輸出電壓消失,光耦OT1不導通,UC3842①腳電壓上升至5V左右,R1與R2的分壓超過TL431基準,使之導通,UC3842⑦腳VCC電位被拉低,IC停止工作。UC3842停止工作後①腳電位消失,TL431不導通UC3842⑦腳電位上升,UC3842重新啟動,周而複始。當短路現象消失後,電路可以自動恢複成正常工作狀态。

3、下圖是中功率短路保護電路,其原理簡述如下:


當輸出短路,UC3842①腳電壓上升,U1 ③腳

電位高于②腳時,比較器翻轉①腳輸出高電位,給

C1充電,當C1兩端電壓超過⑤腳基準電壓時

U1⑦腳輸出低電位,UC3842①腳低于1V,UCC3842

停止工作,輸出電壓為0V,周而複始,當短路

消失後電路正常工作。R2、C1是充放電時間常數,

阻值不對時短路保護不起作用。

4、 下圖是常見的限流、短路保護電路。其工作原理簡述如下:


當輸出電路短路或過流,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1V時,UC3842關閉無輸出。

5、下圖是用電流互感器取樣電流的保護電路,

着功耗小,但成本高和電路較為複雜,其工作原

理簡述如下:

輸出電路短路或電流過大,TR1次級線圈感

應的電壓就越高,當UC3842③腳超過1伏,UC3842

停止工作,周而複始,當短路或過載消失,電路自行恢複。

七、輸出端限流保護:]:


上圖是常見的輸出端限流保護電路,其工作原理簡述如上圖:當輸出電流過大時,RS(錳銅絲)兩端電壓上升,U1③腳電壓高于②腳基準電壓,U1①腳輸出高電壓,Q1導通,光耦發生光電效應,UC3842①腳電壓降低,輸出電壓降低,從而達到輸出過載限流的目的。



八、輸出過壓保護電路的原理

輸出過壓保護電路的作用是:當輸出電壓超過設計值時,把輸出電壓限定在一安全值的範圍内。當開關電源内部穩壓環路出現故障或者由于用戶操作不當引起輸出過壓現象時,過壓保護電路進行保護以防止損壞後級用電設備。應用最為普遍的過壓保護電路有如下幾種:

1、可控矽觸發保護電路


如上圖,當Uo1輸出升高,穩壓管(Z3)擊穿導通,可控矽(SCR1)的控制端得到觸發電壓,因此可控矽導通。Uo2電壓對地短路,過流保護電路或短路保護電路就會工作,停止整個電源電路的工作。當輸出過壓現象排除,可控矽的控制端觸發電壓通過R對地洩放,可控矽恢複斷開狀态。

2、光電耦合保護電路


如上圖,當Uo有過壓現象時,穩壓管擊穿導通,經光耦(OT2)R6到地産生電流流過,光電耦合器的發光二極管發光,從而使光電耦合器的光敏三極管導通。Q1基極得電導通,

3842的③腳電降低,使IC關閉,停止整個電源的工作,Uo為零,周而複始,。

3、輸出限壓保護電路

輸出限壓保護電路如下圖,當輸出電壓升高,穩壓管導通光耦導通,Q1基極有驅動電壓而道通,UC3842③電壓升高,輸出降低,穩壓管不導通,UC3842③電壓降低,輸出電壓升高。周而複始,輸出電壓将穩定在一範圍内(取決于穩壓管的穩壓值)。


4、輸出過壓鎖死電路


圖A的工作原理是,當輸出電壓Uo升高,穩壓管導通,光耦導通,Q2基極得電導通,由于Q2的導通Q1基極電壓降低也導通,Vcc電壓經R1、Q1、R2使Q2始終導通,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始終導通,UC3842①腳始終是低電平而停止工作。

九、功率因數校正電路(PFC):

1、原理示意圖:


2、工作原理:

輸入電壓經L1、L2、L3等組成的EMI濾波器,BRG1整流一路送PFC電感,另一路經R1、R2分壓後送入PFC控制器作為輸入電壓的取樣,用以調整控制信号的占空比,即改變Q1的導通和關斷時間,穩定PFC輸出電壓。L4是PFC電感,它在Q1導通時儲存能量,在Q1關斷時施放能量。D1是啟動二極管。D2是PFC整流二極管,C6、C7濾波。PFC電壓一路送後級電路,另一路經R3、R4分壓後送入PFC控制器作為PFC輸出電壓的取樣,用以調整控制信号的占空比,穩定PFC輸出電壓。

十、輸入過欠壓保護

1、 原理圖:


2、 工作原理:

AC輸入和DC輸入的開關電源的輸入過欠壓保護原理大緻相同。保護電路的取樣電壓均來自輸入濾波後的電壓。

取樣電壓分為兩路,一路經R1、R2、R3、R4分壓後輸入比較器3腳,如取樣電壓高于2腳基準電壓,比較器1腳輸出高電平去控制主控制器使其關斷,電源無輸出。另一路經R7、R8、R9、R10分壓後輸入比較器6腳,如取樣電壓低于5腳基準電壓,比較器7腳輸出高電平去控制主控制器使其關斷,電源無輸出。

十一、電池管理:

1、 電池管理原理圖:

虛線框A内的零件組成電池啟動和關斷電路;虛線框B為電池充電線性穩壓電路;虛線框C為電子開關電路;虛線框D為電池充電電流限制電路。

2、 電池啟動原理:

輸入電壓由INPUT和AGND端輸入,分為三路。第一路經D7直接送後級和電池啟動、關斷電路。R28、R27、R26分壓後的電壓使U3導通(此電壓在設計時已計算好了,正常工作時高于2.5V),光藕OT1導通。R25為U3提供工作電壓,R23、R24為光藕的限流及保護電阻。

光藕導通後電源經R22、OT1、D9給Q4提供基極偏置電壓,Q4導通,R21為Q4的下偏置電阻。繼電器RLY1-A的線圈中有電流流過,繼電器觸點RLY1-B吸合,将電池BAT接入電路中。D4為阻止在Q4關斷時繼電器線圈産生的電動勢影響後級電路,D5為防止在Q4關斷時繼電器線圈産生的電動勢損壞Q4,将繼電器線圈産生的能量釋放。

3、 電池充電穩壓原理:

在通電的初期,由于Q3沒有偏置而不導通,D3的正端無電壓。電源經R1降壓Z1穩壓後給U1和U2提供工作電壓。R2、U1組成基準電壓,R13、R4、R5、R6、VR1組成電池電壓檢測電路,當U2②腳檢測電壓低于③腳電壓時,其①腳輸出高電平,經R14給Q2提供偏置電壓,Q2導通、Q3也跟着導通,電源經Q3、D3、繼電器觸點RLY1-B、F1給電池BAT充電。

當U2②腳檢測電壓高于③腳電壓時,其①腳輸出低電平,Q2失去偏置電壓而截止,Q3截止,D3的正端無電壓,其負極電壓下降,U2②腳檢測電壓也跟着下降,當U2②腳檢測電壓低于③腳電壓時,其①腳輸出高電平,Q2、Q3導通繼續充電,如此周而複始,使D3的負端電壓維持在某一設定值。調節VR1可以改變充電電壓值。

4、 電池充電限流原理:>

 在充電的過程中,電流經Q3、RLY1-B、F1、BAT、R20回到地(AGND)。在電池充電的初期,因電池電壓比較低,流經Q3、RLY1-B、F1、BAT、R20的電流就會增大,那麼在R20上産生的壓降就會增大(R20為電流取樣電阻)。電阻R20的上端S點經R11連接到U2B的同相輸入端⑤腳,U2B的反相輸入端⑥腳有一固定參考電壓,當R20上的壓降超過參考電壓時,U2⑦腳輸出高電平,經D2、R15給Q1提供偏置電壓,Q1因此導通。Q1導通後Q2因失去基極電壓而截止,将使線性穩壓器的輸出關斷,Q3、RLY1-B、F1、BAT、R20回路中就沒有電流流過,R20上的壓降消失,U2⑦腳輸出低電平,Q1截止,Q2、Q3導通繼續充電,如此周而複始,就将充電電流限制在某一設定值範圍内。

調節R10、R11可改變限流點。


5、 電池欠壓關斷原理:

當輸入電壓沒有時,電池電壓經D6給後級和電池啟動、關斷電路供電。當電池電壓下降,U3①腳電壓也跟着下降,在電池電壓下降至設計關斷點時(也就是U3①腳電壓低于2.5V時),U3不導通,OT1不發生光電藕合,Q4無偏置而截止,繼電器RLY1-A的線圈中沒有電流流過,繼電器觸點RLY1-B斷開,将電池BAT從電路中斷開,防止電池過放電而損壞。改變R26、R27的阻值,可以改變電池欠壓關斷時的電壓值。

十二、智能風扇散熱:

1、 在開關電源中,對電源進行散熱的方式有很多種,智能散熱就是其中之一。它是随電源工作時的溫度高低,來調節散熱風扇的工作電壓而改變風力大小,達到最佳散熱效果。有着節能的目的。其原理圖如下:

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2、 工作原理:

輸入電壓由INPUT端(12~13V)輸入,R6為U2提供工作電壓,R7、R8阻值相同,分壓後為TL431提供觸發電壓,使A點的基準電壓在+5V;RT1為負溫度系數熱敏電阻,經R1、R2分壓加在U1的反相輸入端⑥腳。R5為輸出電壓取樣電阻,與R4分壓後加在U1的同相輸入端⑤腳;Q1為電子開關管;風扇電壓由FANOUT端輸出。

在剛通電的時候,由于Q1還沒導通,C點無電壓,U1的⑥腳電壓高于⑤腳,因此U1⑦腳輸出低電平,Z1擊穿導通,Q1導通,C點有電壓輸出;應Q1的發射極接輸入電壓端,因此C點電壓約等于輸入電壓,經R5與R4分壓後加在U1的同相輸入端⑤腳,使⑤腳電壓高于⑥腳電壓,U1⑦腳輸出高電平,Z1不導通,Q1不導通,C點無電壓輸出;使⑤腳電壓又低于⑥腳電壓,U1⑦腳又輸出低電平,如此反複最終使C電壓穩定在某一值(因⑥腳電壓不變);也就是說C點的電壓是随B點的電壓變化而變化的。

開關電源工作的初期(或輕載工作),機内溫度低,熱敏電阻RT1的内阻很大,B點的電壓相對較低,因此C點的輸出電壓也低,風扇因工作電壓低而轉速慢、風力小。當開關電源機内溫度逐漸升高(滿載工作),熱敏電阻RT1的内阻逐漸減小,B點的電壓也升高,因此C點的輸出電壓也跟着升高,風扇因工作電壓升高而轉速加快、風力加大。當機内溫度下降後,熱敏電阻内阻逐漸增大,B點電壓下降,C點的輸出電壓也降低,風扇因工作電壓低而轉速變慢、風力小。當B點電壓(溫度)升高到一定程度時,U1③腳電壓高于②腳基準電壓,U1①腳輸出高電平,一路經D1、R13返回到B點,使U1①腳始終輸出高電平(也就是自鎖);另一路經D2輸出到過溫保護電路,實現過溫保護功能。

十三、均流技術:

1、 在通訊設備或其它用電設備中,為了使系統不間斷的工作,對供電系統的要求就很高。除了要求電源本身的性能要穩定外,另一種方法就是采用1+1備分的方式,就是一台設備用兩台電源并聯供電,當其中的一台損壞,另外一台可繼續給系統供電。在正常工作時,每台電源提供的能量相等,也就是它們輸出的電壓、電流基本一緻。為了使每台電源輸出的電壓、電流基本一緻,就要用到均流技術。原理如下圖所示:>

2、 工作原理:

U1A、R1~R7、C1~C5、VR1組成電流取樣電壓放大器;U1B、D1組成電壓跟随器;R10為均流電壓輸出電阻;R11~R14、U2A、C6~C10組成平衡電壓比較器;R15~R17、Q1為電子開關;R30~R33、C17、C18、U2B組成過流保護電路;R19~28、D2、D3、D4、C12~C14、Q2是電源的輸出電壓穩壓環路,其中D2、D3、R19~R21為輸出電壓取樣電路。D6為輸出隔離二極管。

電源在工作時,由電流環或錳銅絲檢測的電流取樣電壓由+IS、-IS加入U1A組成的電壓放

大器進行放大,經R5、R6、R7、VR1分壓後分兩路輸出,一路送入U1B電壓跟随器,D1起

隔離作用,防止均流母線上的電壓變化對前級電路産生影響,另一路送過流保護電路。

經過電壓跟随器後的電流取樣電壓又分為兩路,一路經R10輸出作為均流信号電壓JL+,另一路經R11送入U2A組成的平衡電壓比較器與U2②腳的參考電壓進行比較,當U2③腳電壓高于②腳電壓,其①輸出高電平,Q1基極得電導通,将R17、R18并入輸出電壓取樣電路,使輸出電壓升高,輸出電壓升高後輸出電流就會減小,檢測的電流取樣電壓也就降低,均流信号電壓JL+降低,U2③腳電壓低于②腳電壓,其①輸出低電平,Q1截止,R17、R18從輸出電壓取樣電路中退出,輸出電壓降低。如此循環,最終使輸出電壓、電流保持穩定。

如下圖,src=http://img.gongkong.com/forum/pic/1460890_6.JPG >

當兩台電源并機工作時,其輸出端是并接在一起的,均流信号線也連接在一起。現在假設電源A的輸出電流Io1大于電源B的輸出電流Io2,在兩台電源内部的電流取樣電壓就會A高于B,也就是JL1+高于JL2+,而JL1+和JL2+是接在同一條線上(均流母線),因此JL2+升高,通過電源B内部均流電路的控制迫使其輸出電壓升高,Io2增大,Io1減小(負載電流不變);Io2高于

Io1時,其控制過程剛好相反,如此循環,最終使兩台電源的輸出電壓、電流保持一緻。

Q3、C19、R34~R36組成的電路的作用是,在電源啟動初期輸出電壓低或輸出欠壓時Q3導通,使U2A③腳處于低電位,U2A①腳輸出低電平,Q1截止,也就是使均流電路不起作用。

VR1可調節均流信号的電壓值,也可調節輸出限流點。



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