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1、开关电源电路详解图 一、开关电源的电路组成 开关电源 的主要电路是由输入电磁干扰滤波器(EMI)、整流滤波电路、功率变换电路、 PWM 控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压 保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。 开关电源的电路组成方框图如下: 二、输入电路的原理及常见电路 1、AC 输入整流滤波电路原理: 防雷电路:当有雷击,产生高压经电网导入电源时,由MOV1、MOV2、MOV3:F1、F2、 F3、FDG1 组成的电路进行保护。当加在压敏电阻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
2、会烧毁保护后级电路。 输入滤波电路:C1、L1、C2、C3 组成的双型滤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对电网干扰。 当电源开启瞬间,要对C5 充电,由于瞬间电流大,加RT1(热敏电阻)就能有效的防止浪 涌电流。因瞬时能量全消耗在RT1 电阻上,一定时间后温度升高后RT1 阻值减小( RT1 是 负温系数元件),这时它消耗的能量非常小,后级电路可正常工作。 整流滤波电路:交流电压经BRG1 整流后,经C5 滤波后得到较为纯净的直流电压。若 C5 容量变小,输出的交流纹波将增大。 2、 DC 输入滤波电路原理: 输入滤波电路:
3、C1、L1、C2 组成的双 型滤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对电网干扰。C3、 C4 为安规电容, L2、L3 为差模电感。 R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7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Z1 的稳压 值时 Q2 导通。如果C8 漏电或后级电路短路现象,在起机的瞬间电流在RT1 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,以保护后级电路。 三、功率变换电路 1
4、、 MOS 管的工作原理:目前应用最广泛的绝缘栅场效应管是MOSFET (MOS 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 管是利用栅源电压的大 小,来改变半导体表面感生电荷的多少,从而控制漏极电流的大小。 2、 常见的原理图: 3、工作原理 : R4 、C3、R5 、R6 、C4、D1 、D2 组成缓冲器,和开关MOS 管并接,使开关管电压应 力减少, EMI 减少,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,能很好地吸收尖
5、峰电压和电流。从 R3 测得的电流 峰值信号参与当前工作周波的占空比控制,因此是当前工作周波的电流限制。当 R5 上的电 压达到 1V 时, UC3842停止工作,开关管Q1 立即关断。 R1 和 Q1 中的结电容CGS 、 CGD 一起组成RC 网络,电容的充放电直接影响着开关管的开关速度。R1 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 通常将 MOS 管的 GS 电压限制在18V 以下,从而保护了MOS 管。Q1 的栅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 D1 、D2 、R
6、5 、R4 、C3 释放能量,同时也达到了磁场复位的目的,为变压器的下一次存 储、传递能量做好了准备。IC 根据输出电压和电流时刻调整着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 为尖峰电压吸收回路。 4、推挽式功率变换电路: Q1 和 Q2 将轮流导通。 5、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。 四、输出整流滤波电路: 1、 正激式整流电路: T1 为开关变压器,其初极和次极的相位同相。D1 为整流二极管,D2 为续流二极管,R1 、 C1、R2、 C2 为削尖峰电路。L1 为续流电感,C4 、L2 、C5 组成
7、 型滤波器。 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 为整流二极管,R1、C1 为削尖峰电路。 L1 为续流电感,R2 为假负载, C4 、L2、 C5 组成 型滤波器。 3、同步整流电路: 工作原理:当变压器次级上端为正时,电流经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、 R4、R2 使 Q1 导通,Q1 为续流管。 Q2 栅极由于处于反偏而截止。L2 为续流电感, C6、L1、 C7 组成 型滤波器。 R1、C1、R9、C4 为削尖峰电路。 五、稳压环路原理
8、 1、反馈电路原理图: 2、工作原理 : 当输出U0 升高,经取样电阻R7 、R8 、R10 、VR1 分压后, U1 脚电压升高,当其 超过 U1 脚基准电压后U1 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,从而改变U1 脚输出占空比减小,U0 降低。 当输出U0 降低时, U1 脚电压降低,当其低过U1 脚基准电压后U1 脚输出低电平, Q1 不导通,光耦OT1 发光二极管不发光,光电三极管不导通,UC3842 脚电位升高, 从而改变U1 脚输出占空比增大,U0 降低。周而复始,从而使输出电压保持稳定。调节 VR1 可改
9、变输出电压值。 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,故障现象为:波形异常,空、满载振荡,输出电压不稳定等。 六、短路保护电路 1、在输出端短路的情况下,PWM 控制电路能够把输出电流限制在一个安全范围内,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,只有另增设一部分电路。 2、短路保护电路通常有两种,下图是小功率短路保护电路,其原理简述如下: 当输出电路短路,输出电压消失, 光耦 OT1 不导通, UC3842 脚电压上升至5V 左右, R1 与 R2 的分压超过TL431基准, 使之导通, UC3842 脚 VCC 电位
10、被拉低, IC 停止工 作。 UC3842停止工作后 脚电位消失, TL431不导通 UC3842 脚电位上升, UC3842 重新启动,周而复始。当短路现象消失后,电路可以自动恢复成正常工作状态。 3、下图是中功率短路保护电路,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U1 脚输出低电位,UC3842 脚低于 1V ,UCC3842 停止工作,输出电压为0V ,周而复始,当短路消失后电路正常工 作。 R2 、C1 是充放电时间常数,阻值不对时短路保护不起作用。 4、 下图
11、是常见的限流、短路保护电路。其工作原理简述如下: UC3842脚输出占空比逐渐增大,脚电压超过1V 时, UC3842 关闭无输出。 5、下图是用电流互感器取样电流的保护电路,有着功耗小,但成本高和电路较为复杂,其 工作原理简述如下: 输出电路短路或电流过大,TR1 次级线圈感应的电压就越高, 当 UC3842 脚超过 1 伏, UC3842 停止工作,周而复始,当短路或过载消失,电路自行恢复。 七、输出端限流保护 上图是常见的输出端限流保护电路,其工作原理简述如上图:当输出电流过大时,RS (锰铜丝)两端电压上升,U1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
12、,UC3842 脚电压降低, 输出电压降低, 从而达到输出过载限流的目的。 八、输出过压保护电路的原理 输出过压保护电路的作用是:当输出电压超过设计值时,把输出电压限定在一安全值的 范围内。 当开关电源 内部稳压环路出现故障或者由于用户操作不当引起输出过压现象时,过 压保护电路进行保护以防止损坏后级用电设备。应用最为普遍的过压保护电路有如下几种: 1、可控硅触发保护电路: 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, 脚电压升高, 如上图,当Uo1 输出升高,稳压管(Z3)击穿导通,可控硅(SCR1)的控制端得到触发电 压,因此可控硅导通。Uo2 电压对地短路,过流保护电路
13、或短路保护电路就会工作,停止整 个电源电路的工作。当输出过压现象排除,可控硅的控制端触发电压通过R 对地泄放,可 控硅恢复断开状态。 2、光电耦合保护电路: 如上图,当Uo 有过压现象时,稳压管击穿导通,经光耦(OT2)R6 到地产生电流流过,光 电耦合器的发光二极管发光,从而使光电耦合器的光敏三极管导通。Q1 基极得电导通, 3842 的脚电降低,使IC 关闭,停止整个电源的工作,Uo 为零,周而复始,。 3、输出限压保护电路: 输出限压保护电路如下图,当输出电压升高,稳压管导通光耦导通,Q1 基极有驱动电压而 道通, UC3842 电压升高, 输出降低, 稳压管不导通, UC3842 电压
14、降低, 输出电压升高。 周而复始,输出电压将稳定在一范围内(取决于稳压管的稳压值)。 4、输出过压锁死电路: 图 A 的工作原理是,当输出电压Uo 升高,稳压管导通,光耦导通,Q2 基极得电导通,由 于 Q2 的导通 Q1 基极电压降低也导通,Vcc 电压经 R1、Q1、 R2 使 Q2 始终导通, UC3842 脚始终是高电平而停止工作。在图B 中, UO 升高 U1脚电压升高,脚输出高电平,由 于 D1、R1 的存在, U1脚始终输出高电平Q1 始终导通, UC3842脚始终是低电平而停 止工作。正反馈? 九、功率因数校正电路(PFC ) 1、原理示意图: 2、工作原理 : 输入电压经L1
15、、L2、L3 等组成的EMI 滤波器, BRG1 整流一路送PFC 电感, 另一路经 R1、 R2 分压后送入PFC 控制器作为输入电压的取样,用以调整控制信号的占空比, 即改变 Q1 的导通和关断时间,稳定PFC输出电压。 L4 是 PFC电感,它在Q1 导通时储存 能量,在Q1 关断时施放能量。D1 是启动二极管。D2 是 PFC整流二极管, C6、C7 滤波。 PFC 电压一路送后级电路,另一路经R3、R4 分压后送入PFC控制器作为PFC 输出电压的 取样,用以调整控制信号的占空比,稳定PFC输出电压。 十、输入过欠压保护 1、 原理图 : 2、 工作原理 : AC 输入和 DC 输入的 开关电源 的输入过欠压保护原理大致相同。保护电路的取样电压 均来自输入滤波后的电压。取样电压分为两路,一路经R1、R2 、R3 、R4 分压后输入比 较器 3 脚,如取样电压高于2 脚基准电压,比较器1 脚输出高电平去控制主控制器使其关 断,电源无输出。另一路经R7 、R8 、R9、R10 分压后输入比较器6 脚,如取样电压低于 5 脚基准电压,比较器7 脚输出高电平去控制主控制器使其关断,电源无输出。
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