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干貨 | 入門開關(guān)電源,這些原理圖一定要讀懂

時間:2020-1-15閱讀:436
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一,、開關(guān)電源的電路組成

開關(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。輔助電路有輸入過欠壓保護(hù)電路,、輸出過欠壓保護(hù)電路,、輸出過流保護(hù)電路、輸出短路保護(hù)電路等,。

開關(guān)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

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,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,,F(xiàn)1,、F2、F3會燒毀保護(hù)后級電路,。

 

②,、輸入濾波電路:C1、L1,、C2,、C3組成的雙π型濾波網(wǎng)絡(luò)主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進(jìn)行抑制,防止對電源干擾,,同時也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對電網(wǎng)干擾。當(dāng)電源開啟瞬間,,要對C5充電,,由于瞬間電流大,,加RT1(熱敏電阻)就能有效的防止浪涌電流。因瞬時能量全消耗在RT1電阻上,,一定時間后溫度升高后RT1阻值減?。≧T1是負(fù)溫系數(shù)元件),這時它消耗的能量非常小,,后級電路可正常工作,。

 

③、整流濾波電路: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)主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進(jìn)行抑制,防止對電源干擾,,同時也防止電源本身產(chǎn)生的高頻雜波對電網(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Q2導(dǎo)通,。如果C8漏電或后級電路短路現(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沒有柵極電壓不導(dǎo)通,,RT1將會在很短的時間燒毀,,以保護(hù)后級電路。

 

三,、功率變換電路

1,、MOS管的工作原理:

目前應(yīng)用zui廣泛的絕緣柵場效應(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,。也稱為表面場效應(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,,zui高可達(dá)105歐姆,,MOS管是利用柵源電壓的大小,來改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少,,從而控制漏極電流的大小,。

2、常見的原理圖:

 

3,、工作原理:

R4,、C3、R5,、R6,、C4、D1,、D2組成緩沖器,,和開關(guān)MOS管并接,使開關(guān)管電壓應(yīng)力減少,,EMI減少,,不發(fā)生二次擊穿。在開關(guān)管Q1關(guān)斷時,,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測得的電流峰值信號參與當(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,,UC3842停止工作,,開關(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關(guān)管的開關(guān)速度,。R1過小,,易引起振蕩,,電磁干擾也會很大;R1過大,,會降低開關(guān)管的開關(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,Q1導(dǎo)通時間越長,,變壓器所儲存的能量也就越多,;當(dāng)Q1截止時,變壓器通過D1,、D2,、R5、R4,、C3釋放能量,,同時也達(dá)到了磁場復(fù)位的目的,為變壓器的下一次存儲,、傳遞能量做好了準(zhǔn)備,。IC根據(jù)輸出電壓和電流時刻調(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)動變壓器的功率變換電路:

 

 

T2為驅(qū)動變壓器,T1為開關(guān)變壓器,,TR1為電流環(huán),。

 

四、輸出整流濾波電路:

1,、正激式整流電路:

 

 

T1為開關(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)變壓器次級上端為正時,,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)變壓器次級下端為正時,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。

 

五,、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,U1③腳電壓降低,,當(dāng)其低過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)路是影響開關(guān)電源穩(wěn)定性的重要電路。如反饋電阻電容錯,、漏,、虛焊等,會產(chǎn)生自激振蕩,,故障現(xiàn)象為:波形異常,,空、滿載振蕩,,輸出電壓不穩(wěn)定等,。

 

六,、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安全范圍內(nèi),,它可以用多種方法來實現(xiàn)限流電路,當(dāng)功率限流在短路時不起作用時,,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,,周而復(fù)始,。當(dāng)短路現(xiàn)象消失后,電路可以自動恢復(fù)成正常工作狀態(tài),。

 

3,、下圖是中功率短路保護(hù)電路,其原理簡述如下:

 

 

當(dāng)輸出短路,,UC3842①腳電壓上升,U1③腳電位高于②腳時,,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⑤腳基準(zhǔn)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,,周而復(fù)始,當(dāng)短路消失后電路正常工作,。R2,、C1是充放電時間常數(shù),阻值不對時短路保護(hù)不起作用,。

 

4,、下圖是常見的限流,、短路保護(hù)電路。其工作原理簡述如下:

 

 

當(dāng)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(guān)閉無輸出,。

 

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,,其工作原理簡述如下:

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

 

七,、輸出端限流保護(hù)

 

 

上圖是常見的輸出端限流保護(hù)電路,其工作原理簡述如上圖:當(dāng)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(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)到輸出過載限流的目的。

 

八,、輸出過壓保護(hù)電路的原理

輸出過壓保護(hù)電路的作用是:當(dāng)輸出電壓超過設(shè)計值時,,把輸出電壓限定在一安全值的范圍內(nèi)。當(dāng)開關(guān)電源內(nèi)部穩(wěn)壓環(huán)路出現(xiàn)故障或者由于用戶操作不當(dāng)引起輸出過壓現(xiàn)象時,,過壓保護(hù)電路進(jìn)行保護(hù)以防止損壞后級用電設(shè)備,。應(yīng)用為普遍的過壓保護(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電壓對地短路,,過流保護(hù)電路或短路保護(hù)電路就會工作,停止整個電源電路的工作,。當(dāng)輸出過壓現(xiàn)象排除,,可控硅的控制端觸發(fā)電壓通過R對地泄放,可控硅恢復(fù)斷開狀態(tài),。

 

2,、光電耦合保護(hù)電路:

 

 

如上圖,當(dāng)Uo有過壓現(xiàn)象時,,穩(wěn)壓管擊穿導(dǎo)通,,經(jīng)光耦(OT2)R6到地產(chǎn)生電流流過,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,?

 

九、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)整控制信號的占空比,即改變Q1的導(dǎo)通和關(guān)斷時間,,穩(wěn)定PFC輸出電壓。L4是PFC電感,,它在Q1導(dǎo)通時儲存能量,,在Q1關(guān)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電壓一路送后級電路,,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)整控制信號的占空比,,穩(wěn)定PFC輸出電壓。

 

十,、輸入過欠壓保護(hù)

1,、原理圖:

 

 

2,、工作原理:

AC輸入和DC輸入的開關(guān)電源的輸入過欠壓保護(hù)原理大致相同。保護(hù)電路的取樣電壓均來自輸入濾波后的電壓,。取樣電壓分為兩路,,一路經(jīng)R1、R2,、R3,、R4分壓后輸入比較器3腳,如取樣電壓高于2腳基準(zhǔn)電壓,,比較器1腳輸出高電平去控制主控制器使其關(guān)斷,,電源無輸出。另一路經(jīng)R7,、R8,、R9、R10分壓后輸入比較器6腳,,如取樣電壓低于5腳基準(zhǔn)電壓,,比較器7腳輸出高電平去控制主控制器使其關(guān)斷,電源無輸出,。

 

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