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第5章常见开关电源识别与识图婴点 VD4 2C/13B 2CZ13B 图59并联型自激推挽式开关电源应用电路 ④输出纹波电压两路均小于100mV。 ⑤工作频率为2kHz ⑥转换效率为80 ⑦具有开关电源停振自动保护功能 当接入28V直流输入电源电压时,启动电阻R和电容C2很快给两只功率开关管VT1和 VT2其中的任意一只提供正向偏置电压,促使该功率开关管导通,与该功率开关管基极相连 的开关变压器反馈绕组就会给另一只功率开关管提供反向偏置电压,使其维持截止状态。当 旰关电源电路中的开关变压器T磁芯的磁通变化到正的饱和值附近时,电路的工作状态开始 翻转,很快使原来处于导通状态的功率开关管变为截止状态,而原来处于截止状态的功率开 关管此时则翻转为导通状态。当开关变压器T中磁芯的磁通变化到负的饱和值时,又要发生 功率开关管工作状态的翻转。这样就会在开关变压器T的一次绕组中产生交替变化的方波电 压信号,此方波电压信号被耦合到它的二次绕组中,在经过整流、滤波后成为所需要的直流 供电电压 电路中的电容器C3、C4和开关变压器二次侧的电感L1、L2是为了减小开关电源电路 的噪声和输出电压中的纹波电压而设置的 (3)改进型电路 上面的自激推挽式开关电源还存在一定的缺点,主要是开关管集电极峰值电流较高、电 路容易产生不平衡、对磁性材料要求较严、对开关管耐压值要求较高等,为了克服这些缺点 又发明了自激推挽式双变压器开关电源,其基本电路如图5-10所示 自激推挽式双变压器开关电源电路用一个体积较小的工作在饱和状态的驱动变压器T1 来控制功率开关管工作状态的转换,而使用一个体积较大的工作在线性状态的开关变压器T2 来进行电压的变换和功率的传输。由于采用了独立的饱和驱动变压器,因此开关电源电路的 工作特性就有了很大的改善 开关电源维修从入门到精通 VT2 图5-10并联型自微推挽式双变压器开关电源 电路的工作过程是,在接通电源后,由于电路总是存在着不平衡,假定功率开关管T1 首先导通,它的集电极电压就会降低,在输出开关变压器T2的一次绕组Np1两端就会产生 电压,一次绕组Np2的两端也会相应的产生感应电压。绕组Np1、Np2上所产生的电压值之 和全部加到由驱动变压器T的一次绕组与反馈电阻Rf组成的串联电路两端。驱动变压器T1 的二次绕组Nb2上所产生的电压把功率开关管T2的基极置成反向偏置,使其保持截止状 态:驱动变压器T1的二次绕组Nb上所产生的电压把功率开关管vTl的基极置成正向偏置, 使其很快达到饱和导通状态 驱动变压器Tl磁化电流的增加就会导致T1的饱和。一旦T1达到饱和,一次绕组Nf 中的电流很快增加,因此反馈电阻Rf两端的电压降也就会增加。这样,绕组Nf上的电压降 就会减小,于是与驱动变压器T1二次绕组相连的功率开关管的激励电压也会相应减小,原 来处于饱和导通状态的功率开关管vT1集电极电流开始减小,逐渐退出饱和区。因此,所有 绕组上的感应电压全部反向。功率开关管T2开始导通,功率开关管vT1将很快进入截止 状态。功率开关管VT2的饱和导通状态将一直维持到驱动变压器T1的磁通达到负的饱和值 为止。这时两只功率开关管vT1和vT2的工作状态将又会发生翻转,使功率开关管VT2截 止,功率开关管vTI重新导通。如此重复上述过程,电路形成自激振荡状态,这就是自激推 挽式双变压器开关电源电路的工作过程。 2.关联型他激推挽式开关电源电路 并联型他激推挽式开关电源电路与自激推挽式开关电源电路主要有以下两点区别。 是自激推挽式开关电源电路中的功率开关管和开关变压器要作为振荡电路的器件而 参与其振荡工作,振荡器的工作频率和占空比均与功率开关管和开关变压器的技术参数有 关。而他激推挽式开关电源电路中的功率开关管和开关变压器只作为功率变换电路,不参 与振荡电路的工作,振荡器的工作频率和占空比均与功率开关管和开关变压器的技术参数 无关。 二是他激推挽式开关电源电路中具有专门的PWM(或PFM)振荡、驱动和控制电路, 该振荡、驱动和控制电路一般均由一个集成电路来承担,而自激推挽式开关电源电路中却没 有这些电路 (1)基本电路 图5-11所示是并联型他激推挽式开关电源的基本电路。 第5章靠见开关电源诩别与识图要点 C2= RLUJA 图5-11并联型他激推挽式开关电源的基本电路 电路工作时,在PwM控制芯片的控制下,推挽电路中的两个开关管T1和VT2交替 导通,在一次绕组L1和L2两端分别形成方波电压,此方波电压信号被耦合到T的二次绕组 中,在经过整流、滤波后成为所需要的直流供电电压。改变输入到vT1、VT2开关脉冲的占 可以改变VT1、VT2导通与截止时间,从而改变了开关变压器T的储能,也就改变了 输出的电压值。需要注意的是,当ⅥT1和VT2同时导通时,相当于开关变压器一次绕组短 路,因此应避免两个开关管同时导通 (2)双管共态导通问题 两个功率开关管同时导通的现象也称为共态导通现象。这种现象一旦发生,就会将功率 开关管全部击穿而损坏,给用户造成极大的经济损失。他激推挽式开关电源电路中所存在的 双管共态导通问题在后面将要讲到的桥式开关电源电路中也同样存在,因此,在电路中一般 都设有相应的电路来解决这一问题,无论是识图还是维修,此类器件都应引起我们足够的重 视。下面对双管共态导通问题进行简要的介绍和分析 在他激推挽式开关电源电路中,一只功率开关管在正向驱动脉冲的作用下处于导通状态, 而另一只在反向关断脉冲作用下处于关断状态,虽然失去了正向驱动脉冲信号,但由于存储 时间的作用仍然停留在导通状态,这就产生了双管同时导通的现象,俗称“共态导通”在上 面基本电路的分析中可以看到,当双管同时导通时就会出现开关变压器次侧两个对称的绕 组一个给磁芯正向励磁,另一个给磁芯反向励磁,相互抵消。这样一来,一则开关变压器的 次侧无感应电压产生,输出端无直流电压输出;二则开关变压器一次侧的两个对称绕组相 当于两根短路线,将输入直流电源电压直接短路到两只功率开关管的集电极和发射极之间, 使集电极峰值电流急剧增加,严重时两只功率开关管同吋电流击穿而被损坏。产生双管共态 导通现象的电路及各点的波形如图5-12所示。 从图中还可以看出,产生双管共态导通的原因除了功率开关管所存在的存储时间以外, 还包括驱动信号的上升沿和下降沿延迟时间过长。 为了避免双管共态导通现象的发生,电路中都设有相应的元器件进行防犯,其电路形式 也较多,下面只简要介绍两种 图5-13所示是加入了RC延时导通电路的他激推挽式开关电源 开关电源雏修从入门到精通 PWM n///1 noLo 由于功率开关管存储时间所导致的共态导通 a)产生共态导通现象的电路 b)各点的渡形 图5-12双管共态导通现象的电路及波形 C3= RL 图5-13加入RC延时导通电路的他激推挽式开关电源 电路中,两个电容器C1和C2分别接于每个功率开关管的基极与地之间,使输入驱动方 波信号的正向上升沿因积聚电荷而延迟开启时间。输入电阻R1(R2)和二极管VDI(VD2) 并联,对于输入驱动正向上升信号来说,二极管ⅴD1(vD2)是反向偏置的,RC延迟电路 起作用。对于输入驱动跳变信号来说,二极管VD1(VD2)正向偏置与电阻R1(R2)分流, 使电容C1(C2)快速放电,并从功率开关管基极抽取较大的反向电流 图5-14所示是另一种形式的RC延迟导通电路 G↑ 图5-14另一种形式的RC延迟导通电路 第5章常见开关电源识别与识图要点 和上一种RC延时导通电路相比,电路中增加了一只开关变压器T1,它为两个功率开关 管基极电路提供反向的驱动脉冲信号,也为基极放电提供了简易的通路。开关变压器T1 次侧的两个输出电压为相位错开的、对地正负相间的双向脉冲信号电压。加入此部分电路后 性能更好,可靠性更高 (3)他激推挽式开关电源电路中的PWM电路 他激推挽式开关电源电路中的PWM电路一般采用专用的PWM集成电路,称为PWM 控制芯片,内部包括PwM发生器、PWM驱动器、PWM控制器等电路,并且采用双端驱动 输出形式(相位相差180°)。另外,具有双端驱动输出的这些PWM控制芯片不但能构成他 激推挽式开关电源电路,还能构成其他类型的双端式开关电源,如半桥式、全桥式等开关电 源电路。目前,PWM控制芯片形式多样,下面以应用较多的UC3525A为例进行说明。 UC3525A是一系列的电压控制模式的PwM控制与驱动器集成电路。其内部电路如图5-15所 示,引脚功能如表5-2所示。与UC3525A功能基本一致的还有UC1525A、UC2525A、UC3527A等。 === 部基淮稳压器欠压封领电路 内鄙振荡器 翻转电路 14/18 误差放大器 比较器 UC152 DIP(DIL)16/PLCC(LCC)20 图5-15UC3525A内部电路框图 表5-3 UC3525A引脚功能 LCC20 误差放大器反相输入端 l+误差放大器同相输入 Sync撅荡器冋步输入 开关电源维慘从入门到精通 续表 PLCC20 sc Out Put内部振荡器输出端 ④⑤⑥⑦⑧回⑩ Ct外接定时电容 ⑧④⑩④⑥◎ 外接定时电阻 Discharge外接放电电阻 s(S软启动端 Com内部PwM比较器的输出端 Onom外部控制,高电平时,芯片内部工作被关断;低电平时,芯片内部开 Out putA PWM哪动信号A输出端 ② GND地 芯片内部图病输出级的集电极 ⑩ wM驱动信号B输出端 基准电压 o,@⑩⑩ 使用该集成电路芯片构成的开关电源不但具有良好的性能,而且还具有外围元器件少、 调试和安装简单等优点。连接于Ct端和 Discharge端的电阻可以实现对PwM输出驱动信号 的死区时间进行调节,该器件仅需要一个外部定时电容就可以实现软启动功能。UC3525A还 具有欠压封锁输出的功能,这种功能是通过其内部的一个欠压封锁电路来实现的,当输入电 压大于2.5V之前,欠压锁定电路即开始工作,直到输入电压等于8V。而当输入电压从 降至75V时,欠压锁定电路则又开始恢复工作。另外该芯片内部还具有一个PWM触发器 该PWM触发器的主要功能是当内部的PWM脉冲信号不管是由于什么原因而被关闭时,都 能将输出端关闭而维持一段时间,并且该触发器在内部时钟信号的每一个周期内都要被复位 片的输出级被设计为图腾柱输出方式,具有输出和吸收20mA的输出驱动能力。 图5-16所示是由UC3525A构成的他激推挽式开关电源电路。 图5-16由UC3525A构成的他激推挽式开关电源电路 第5章常见开关电源识别与识图要点 工作时,输入电压U经开关变压器T的两个绕组分别加到两只开关管T1、VT2的集 电极,同时,U还经R9、R10限流后,为PwM控制芯片uC3525A的①、⑤脚提供工作电 压;UC3525A工作后,从①、⑩脚输出驱动脉冲,经RC延迟电路(R1l、C9和R12、C10) 延迟后,分别加到开关管VT1、vT2的基极,在驱动脉冲的作用下,使两个开关管vT1 VT2交替导通,在VT1、VT2的集电极产生方波信号,此方波电压信号被耦合到T的二次绕 组中,在经过整流、滤波后成为所需要的直流供电电压U 当输出的直流电压U升高时,则流过光电耦合器IC2中发光二极管的电流增大,其发光 强度增强,则光敏三极管导通加强,使UC3525A的①脚电压下降,经UC3525A内部电路检 测后,控制①、吵脚输出的驱动脉冲占空比减小,开关管VTI、ⅥT2提前截止,使开关电源 的输出电压下降到正常值;反之,当输出电压降低时,经上述稳压电路的负反馈作用,使开 关管T、VT2导通时间变长,使输出电压上升到正常值。 5.22并联型半桥式开关电源电路 半桥式和全桥式开关电源同属桥式开关电源,由于这种结构克服了推挽式开关电源电路中功 率开关管集电极承受电压高、集电极电流大、对磁芯材料要求严、功率开关变压器必须具有中心 抽头等缺点,继承了推挽式开关电源电路输出功率大、开关变压器磁滞回线利用率高等优点,因 此在许多领域获得了广泛的应用。和推挽式开关电源相比,在相同的成本和输入条件下,半桥式 开关电源的输出功率为推挽式开关电源的两倍,全桥式开关电源为推挽式开关电源的四倍 半桥式开关电源也分为自激式和他激式两种类型,这里简要说明识图要点 1.自激半桥式开关电源电路 图5-17所示是一种在实际中应用的并联型自激半桥式开关电源电路 图517并联型自激半桥式开关电源电路 (1)整流滤波电路 路中,C1~C6与共模电感TI组成双向共模滤波器,一方面可将电源内部所产生的高 频信号对工频电网的影响和污染滤除到最低程度;另一方面还可挡住工频电网上的杂散电磁 干扰信号,使其不能进入电源电路而干扰电源电路的正常工作。IC1和电解电容C7、C8组 成的全波整流滤波电路,将220V/50Hz工频输入电网电压整流和滤波成300V的直流电 作为半桥式变换器的供电电源电压。 (2)启动电路 启动电路由电阻R5、R6和电容Cl以及双向二极管VD2组成。一旦接通电源,300 直流电压就会通过电阻R5给电容Cl1充电。当电容C11上的电压足以使双向二极管VD2触 关电源维修从入门到精通 发导通时,该电容上的电压就会通过电阻R6加到开关管T的基极上,使其饱和导通,完 成电源电路的启动工作。 (3)振荡电路 当开关管T1被启动后,C8上的直流电压通过开关变压器T3的一次绕组Np和开关管 vTI形成回路,绕组Np中就会有电流流过,这时反馈绕组Nf中就会感应出一脉冲电流。该 电流经过由电容C15和电阻R9组成的相移延迟电路延退后,流过耦合变压器T2的T24绕 组,导致在分别连于开关管VT1和VT2基极的两个副绕组T22和T2-3上感应出vT1的基 极为负、VT2的基极为正的相位相反的驱动脉冲电压信号,使导通的T1截止,截止的VT2 导通。功率开关管VT2导通后,Np绕组中流过的电流反向,结果使VT1又回到导通状态 而VT2又回到截止状态,完成了一个周期的变换过程。这个过程将不断地进行下去,从而形 成了完整的自激型半桥式变换器的工作过程 (4)其他元器件的识别 电容C12和C13为加速电容,其作用是改善屯路的开关特性,减小开关管VT1和VT2 的开启时间、关断时间以及存储时间,以降低两只功率开关管的损耗,避免和防止双管共态 导通现象的发生。电阻R10和电容C14一起构成开关管集电极峰值电压吸收电路,其作用为 抑制和吸收由于开关变压器的漏感而导致的集电极尖峰电压,防止和避免两只开关管由于集 电极尖峰电压过高而引起二次击穿现象的发生 2.他激半桥式开关电源电路 并联型他激半桥式开关电源的电路结构如图5-18所示。 220V/50Hz 吕」 、v2太v a)功率开关臂为三极管 ⅥB 本vDs 本v本vp4 b)功率开关管为场效应管 图5-18并联型他激半桥式开关电源的电路结构

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