开关电源电路组成及常见各模块电路分析...docx

1.1 课题背景1.2 开关电源的发展历史开关稳压电源（以下简称开关电源）取代晶体管线性稳压电源（以下简称线性电源）已有30多年历史，最早出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管了作于开关状态后，脉宽调制（PwM）限制技术仃了发展，用以限制开关变换器，得到PWM开关电源，它的特点是用20kHz脉冲频率或脉冲宽度调制一PWM开关电源效率可达6570%,而线性电源的效率只有3040%。在发生世界性能源危机的年头，引起了人们的广泛关往.线性电源工作于工领，因此用工作频率为20kHZ的PWM开关电源替代，可大幅度节约能源，在电源技术发展史上誉为20kHZ革命。随着U1.SI芯片尺寸不断然小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多：航天，潜艇，军用开关电源以及用电池的便携式电子设笛（如手提计算机，移动电话等）更须要小型化，轻量化的电源，因此对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量要小。此外要求开关电源效率要更高，性能更好，牢靠性更离等。2开关电源的基本原理2 .1PWM开关电源的基本原理开关电源的工作过程相当简单理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断状态.在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏安乘积总是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）,功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。与线性电源相比,PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比是开关电源的限制器来谢整。旦输入电位被斩成沟通方波，其幅值就可以通过变压器来生高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以蝌加输出的电压组数。最终这些沟通波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。限制器的主要目的式保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的限制器很类似。也就是说限制涔的功能模块电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调整器相同。它们的不同之处在于，误差放大罂的输出（误差电乐在驱动功率管之前要经过一个电压脉冲转换单元。开关电源有两种主要的工作方式：正微式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置差别很少，但是工作过程相差很大，在特定的场合下个有优点.正激式变换器的优点式：输出电压的纹波峰峰值比升压式变换器低，同时可以输出比较高的功率，正激式变换器可以供应数千瓦的功率。升压式变换器中峰值电流较高，因此只适合功率不大于150W的应用场合，在全部拓扑中，这类变换潺所用的元器件圾小，因而在中小功率的应用场合中和流行。开关电源的工作原理是：第一沟通电源输入经整流泄波成直流；其次通过高频PWM（脉冲宽度调制）信号限制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上；第三开关变乐器次级感应出高频电压,经整流滤波供应负载；第四输出部分通过肯定的电路反馈给限制电路,限制PM占空比，以达到稳定输出的目的3 PWM开关电源的组成模块开关电源的主要电路是由输入电礴干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PwM限制器电路、输出整流滤波电路组成。协助电路有输入过欠压爱护电路、输出过欠压爱护电路、输出过流爱护电路、输出短路爱护电路等。3.1 输入电路的原理及常见电路3.1.1 AC输入整流滤波电路原理入滤波、整流回路原理图防雷电路:当有雷击,产生高压经电网导入电源时，由MoY1、MoV2、MOY3：FKF2、F3、EDG1.组成的电路进行爱护。当加在乐敏电眼两端的电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，F1.、F2、F3会烧毁爱护后级电路，输入滤波电路：CK1.KC2、C3组成的双11型滤波网络主要是对输入电源的电陂噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰“当电源开启瞬间，耍对C5充电，由于瞬间电流大，加RTI（热故电阻）就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在RT1.电阻上，肯定时间后温度上升后RT1.限值减小RT1是负温系数元件），这时它消耗的能量特别小，后级电路可正常工作。整流灌波电路：沟通电压经BRG1.整流后，经C5港波后得到较为纯净的直流电压。若C5容量变小，输出的沟通纹波将熠大。3.2.2DC输入滤波电路原理CH三)需一产J1._"输入滤波电路：CK1.KC2组成的双11型浊波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波时电网干扰。C3、C4为安规电容，1.2、1.3为差模电感“RkR2、R3、ZkC6、QkZ2、R4、R5、Q2、RTk组成抗浪涌电路。在起机的瞬间，由于C6的存在Q2不导通，电流经RT1.构成回路。当C6上的电压充至ZI的稳压值时Q2导通。假如C8漏电或后级电路短路现象，在起机的瞬间电流在RTI上产生的压降增大，Q1.导通使Q2没有栅极电压不导通，RT1.将会在很短的时间烧毁，以爱护后级电路。3.2功率变换电路I、MoS管的工作原理：目前应用最广泛的绝缘捌场效应管是NoSFETG1.oS管），是利用半导体表面的电声效应进行工作的。也称为表面场效应器件。由于它的栅极处于不导电状态，所以输入电阻可以大大提高，最高可达105欧姆，MOS管是利用栩源出压的大小，来变更半导体表面感生电荷的多少，从而限制漏极电流的大小。2、常见的原理图：3,工作原理:R1.C3、R5、R6、C4、DkD2组成缓冲器，和开关MOS管并接，使开关管电压应力削减EMI削减，不发生二次击穿。在开关管Q1.关断时，变压器的原边线圈易产生尖峰电压和尖峰电流，这些元件组合一起，能很好地汲取尖峰电压和电流。从R3测得的电流峰值信号参加当前工作周波的占空比限制，因此是当前工作周波的电流限制。当R5上的电压达到IV时，UC3842停止工作,开关管Q1.马上关断。R1.和QI中的结电容CGS、CGD起组成RC网络,电容的充放电干脆影响着开关管的开关速度.R】过小，易引起振荡，电磁干扰也会很大：R1.过大，会降低开关管的开关速度。Z1.通常符MOS管的GS电压限制在18V以下，从而爱护了MOS管。Q1.的棚极受控电压为锯形波，当其占空比越大时，Q1.导通时间越长,变压器所储存的能量也就越多:当Q1.截止时,变压器通过DhD2、R5、R1.C3择放能珏，同时也达到J'磁场复位的目的，为变压器的下一次存储、传递能量做好了打算。IC依据输出电压和电流时刻调整若脚锯形波占空比的大小，从而稳定了整机的输出电流和电压。C4和R6为尖峰电压汲取回路。3.3推挽式功率变换电路Q1.和Q2将轮番导通。3.3.1有驱动变压器的功率变换电路：T2为驱动变压器，T1.为开关变压器，TR1.为电流环。DC*IC38423.4输出整流滤波电路3.4.1正激式整流电路T1.为开关变压器,管，RI、C1.、R2、波器。其初极和次极的相位同相。D1.为整流二极管，D2为续流二极C2为削尖峰电路。1.1.为续流电感，C4、1.2、C5组成11型漉3.4.2反激式整流电路T1.为开关变压器，其初极和次极的相位相反。D1.为整潦一极管，R1.、C1.为削尖峰电路。1.1.为续流电感，R2为假负载，C4、12、C5组成11型滤波器。3.4.3同步整流电路工作原理：当变压器次级上端为正时，电潦经C2、R5、R6、R7使Q2导通，电路构成回路，Q2为整流管。Q1.栅极由于处于反偏而截止。当变压器次级下端为正时，电流经C3、RkR2使Q1.导通，Q1.为续流管。Q2栅极由于处于反偏而被止。1.2为续流电感,C6、1.I、C7组成11型滤波器。RKCkR9、C4为削尖峰电路.3. 5稳压环路原理1、反馈电路原理图:2、工作原理:当输出UO升高，经取样电阻R7、R8、RIO,YR1.分压后，U1.脚电压上升，当其超过UI脚基准电压后口脚输出高电平，使Q1.导通，光耦OT1.发光二极管发光，光电三极管导通，UC3842脚电位相应变低，从而变更U1.脚输出占空比减小，UO降低.当输出1.O降低时，口脚电压降低，当其低过UI脚基准电压后U1.脚输出低电平，Q1.不导通，光耦OTI发光二极管不发光，光电三极管不导通，UC3842脚电位上升，从而变更U1.脚输出占空比增大，UO降低。周而更始，从而使输出电压保持稳定。调整VRI可变更输出电压值。反馈环路是影响开关电源稳定性的重要电路.如反馈电阻电容错'漏、虚焊等，会产生自激振荡，故障现缭为：波形异样，空、满载振荡，输出电压不稳定等。4. 6短路爱护电路1、在输出端短路的状况下，PWM限制电路能够把输出电潦限制在一个平安范围内，它可以用多种方法来实现限流电路，当功率限流在短路时不起作用时，只有另增设部分电路。2,短路爱护电路通常有两种，卜.图是小功率短路爱护电路，其原理简述如卜;当输出电路短路，输出电压消逝，光耦OTI不导通,UC3842脚电压上升至5Y左右，R1.与R2的分压超过T1.431基准，使之耳通，UC3842脚VCC电位被拉低，IC停止工作。UC3842停止工作后脚电位消逝,T1.431不导通UC3842脚电位上升，UC3842重新启动，周而红始。当短路现象消逝后，电路可以自动%原成正常工作状态。3、下图是中功率短路爱护电路，其原理简述如下：当输出短路，UC3842脚电压上升,U1.脚电位高于脚时，比较器翻转脚输出高电位，给C1.充电，当C1.两端电压超过脚基准电压时11脚输出低电位,UC3842脚低于IV,UCC3842停止工作，输出电压为OV,周而复始，当短路消逝后电路正常工作。R2、CI是充放电时间常数，阻值不对时短路爱护不起作用。5. 下图是常见的限流、短路爱护电路.其工作原理简述如下:当输出电路短路或过流，变压器原边电流增大，R3两端电压降增大，脚电压上升，UC3842脚输出占空比渐渐增大，脚电压超过IV时，UC3842关闭无输出.5、下图是用电流互感器取样电流的爱护电路，有着功耗小，但成本高和电路较为困难，其工作原理简述如下：Ti输出电路短路或电潦过大，TR1.次级线圈感应的电压就越高，当1X3842脚超过1伏，UC3842停止工作，周而更始，当短路或过我消逝，电路自行任原。3.7输出端限流爱护上图是常见的输出端限流爱护电路，其工作原理简述如上图：当输出电流过大时,RS（钛铜丝）两端电压上升，1.1.脚电压高于脚基准电压，U1.脚输出高电压,Q1.导通，光耦发生光电效应,UC3842脚电质降低，输出电压降低,从而达到输出过教限流的目的.3.8输出过压爱护电路的原理输出过压爱护电路的作用是：当输出电压超过设计值时，把输出电压限定在平安值的范用内。当开关电源内部稳压环路H1.现故障或者由于用户操作不当引起输出过压现象时，过压爱护电路进行爱护以防止损坏后级用电设备,应用最为普遍的过压爱护电路有如下几种：1、可控硅触发爱护电路:如上图，当UO1.输出上升，稳压管（ZB）击穿导通，可控硅（SCR1.）的限制端得到触发电压，因此可控硅导通。Uo2电压对地短路，过流爱护电路或短路爱护电路就会工作，停止整个电源电路的工作。当输出过压现象解除，可控硅的限制端触发电压通过R对地泄放，可控桂红原断开状态。2、光电糊合爱护电路:如上图,当U。有过压现象时,稔压管击穿导通,经光耦（0T2）R6到地产生电潦流过，光电耦合器的发光二极管发光，从而使光电耦合器的光敏：极管导通.Q1.基极得电导通，3842的脚电