关于电源的论文
4.2 开关电源电路分析
4.2.1开关电源电路原理图
该电路实际上是一个比较简单的普通PWM开关电源电路。脉冲宽度的自动调节取决于反馈电平与振荡器三角波的比较。
它是一个正激式隔离开关电源电路。隔离变压器包括三个绕组,即原边、副边及第三绕组。第三绕组为芯片提供启动电路电源。
从整个电路结构看,它使用了最简单的单管结构。开关管使用了MOSFET器件,开关管型号:2SK1939(2501),富士电机产品,N沟道,电压600V,8A,功率100W。
电路使用线性光电耦合器从输出端引回F/B电压及OVP过压反馈,F/B电压基准为基准电源器件。同时引入了过流保护电路等。可以看出,它是一个非谐振式的变换器,即常规的硬开关。
图4-14、图4-15是该开关电源的原理图。电源输出电压为5VDC。各控制环节的设计和前面对芯片的分析相似,下面章节具体分析各单元电路结构及原理。
(a) 输入电路
(b) 输出电路
图4-14 开关电源电路原理图(输入、输出部分)
图4-15 开关电源电路原理图(控制电路、变换器部分)
4.2.2开关电源各单元电路具体分析
(1) 输入电路
该电路包含滤波、浪涌抑制及全波整流电路。
输入电路各电容C11、C12、C13用于滤波,滤除高频噪声;电抗器L11用于浪涌抑制;电容C14、C15、C18用于去耦。
输入220VAC电压经过全波整流,产生变换器所需要的直流电压,及提供控制电路必须的工作电源。
J21为短路线,TH为过流电阻,当发生过流时,器件熔断。
(2) 启动电路
启动电路是由输入整流电源提供芯片Vcc电源的电路。一般可以从隔离变压器原边或者第三边提供。典型值为12-17V,输出电压一般为Vcc-2V。
图4-16 开关电源启动电路
这里的隔离变压器T11的1、3绕组为原边主绕组,4、5为辅助绕组,6、7为副边输出绕组。2SD1457为NPN硅三极管。电源去耦电容建议为10—47uF,启动电流不少于300uA。
该电路由第三边(辅助绕组)供电,与常规的芯片启动电路有较大差别。C31及前面的两个二极管用于获得相对稳定的集电极直流偏压,基极偏置取自输入电路的直流电压。A、C点用于提供其它辅助控制的上偏电源。
图中发射极下偏置18K电阻实际上是通过0Ω电阻接到芯片7脚,并通过7脚并联0Ω电阻到5脚(热沉端)接地的。
(3) 振荡电路
Ron
CF Roff
图4-17 芯片振荡器外电路
Ron:充电电阻,Roff:放电电阻,CF:充放电电容。
芯片的上限频率是500KHz,电路原理前面已经详细分析,此处不再赘述。
(4) 电源反馈比较和锁存电路
下图是电源反馈部分的比较及锁存电路。
图4-18 电源反馈比较及锁存电路
该电路的F/B端为电源实际输出反馈端。输出电压Vo经分压采样,控制基准电源。基准电源的高低决定了线性光电耦合器的输出电流大小。从F/B端看,IF/B和VOUT是成线性关系的,这样就实现了电路的反馈调节。
(5) 过流、过压保护电路
下面展示了OVP过压保护、VF振荡电路反馈、检测端DET、电压反馈端F/B等的外部接线方法。
① VF反馈端:
控制芯片输出Vout经过阻容滤波,反馈回VF端,用于过流保护,作用和前面芯片分析中所分析相同。不同的是,它同时从第三边引出反馈,整流后送VF端,作用和从Vout端引出是一样的。
② OVP过压保护端:
OVP为过压检测端,它取决于反馈电路中光电流的大小。因为它直接影响光电输出级的导通程度(Uce),从而直接影响到OVP电位(VOVP=VCC-IRcRC-Uce)。由后面的输出电路可以看出,这个保护点取决于一个稳压管的稳压值。当输出电压高于保护值时,OVP点电位高于门槛电平750mV,芯片进入保护状态。
图4-19 过流、过压保护电路
③ 检测端DET:
该端被直接接地,因此F/B端不受此点控制。
DET被用于检测输出电压。如果DET不接地,则在它超过2.5VDC时,将F/B电位钳制在0VDC,从而使得占空比为0,电源处于保护状态。当它低于
2.5VDC时,电源正常工作。
(6) 电流极限保护电路
图4-20是电流极限保护电路。
由于隔离变压器原边开关管是单向驱动的,所以只做正极限保护即可。变压器第三边绕组单向脉动信号经过二极管整流及RC滤波,送CLM+端,做为正极限过流保护。
负电流极限被直接接地,不起作用。
常规情况下,CLM+或CLM-的电压超过阈值(+200mV/-200mV)时,过流信号将使输出截止,并且这个截止状态持续到下一个周期。下个周期将重新恢复,形成所谓“逐脉冲电流控制”。
(7) 通断控制电路及热沉端
ON/OFF端(7脚)为低电平时芯片才工作,阈值电压为2.4V。本电路被直接接地,不进行控制。
热沉端也被直接接地,以获取较好的热稳定性。芯片的5、6、15、16脚内部是短接的,四个热沉端通过5脚接地。
(8) 断续检测控制电路
断续电路的相关分析参见前面有关内容。
本电源CT端(14脚)被接地,即断续电路不起作用。
图4-20 电流极限保护电路
(9) 芯片输出及隔离电路
电源变换器部分是一个简单的单开关降压型隔离变换器。开关管规格:2SK1939(2501),富士电机产品,MOS,N沟道,电压600V,8A,功率100W。
芯片的半桥电路输出脚2驱动MOSFET管栅极,开关管驱动隔离变压器原边绕组1-3,主绕组上并联的RC电路用于提供泄放通路。
第三边绕组用于提供启动电源,如前述。
(10) 输出电路
整流部分的上面两个二极管用于整流,下面两个则用于提供在开关管关断期间(变压器没有输出)提供滤波电感的续流通路。电感器及电解电容用于滤波,加上两个二极管的续流作用,可以获得尽可能连续的电流。
从输出电路看,这是一个Buck(降压)式开关电源。实际输出为5VDC。 电源输出电压由光电1、基准电源器件及电位器部分来控制,调节电位器可以在一定范围内调整输出电压。
光电2、稳压管部分用于获得反馈OVP信号,稳压管的稳压值决定了OVP保护动作点。
图4-21 芯片输出及隔离电路
(11) 开关电源的等效变换器电路
综合上面分析,可以得到开关电源的变换器等效电路如下:
图4-22 开关电源的变换器等效电路
这是一个单管隔离降压变换器,而且是一个传统的硬开关电路。为防止变压器磁饱和及快速恢复,原边使用了简单的R1、C1释放电路。副边VD1整流,VD2续流,C2去耦,L、C4滤波,R3、C3、R4为辅助泄放通路。
第三边由于用于芯片启动电路,没有画出。