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  • 反激式开关电源原理

    2021-01-20 05:45:25
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    本文开关电源工作原理是开关电源工程师全力整理的原理分析,以丰富的开关电源案例分析,介绍单端正激式开关电源、自激式开关电源、推挽式开关电源、降压式开关电源、升压式开关电源和反转式开关电源。

    随着全球对能源问题的重视,电子产品的耗能问题将愈来愈突出,如何降低其待机功耗,提高供电效率成为一个急待解决的问题。传统的线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠,但它存在着效率低(只有40%~50%)、体积大、铜铁消耗量大,工作温度高及调整范围小等缺点。

    为了提高效率,人们研制出了开关式稳压电源,它的效率可达85%以上,稳压范围宽,除此之外,还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点,是一种较理想的稳压电源。正因为如此,开关式稳压电源已广泛应用于各种电子设备中,本文对各类开关电源的工作原理作一阐述。

    开关式稳压电源的基本工作原理

    开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种,在实际的应用中,调宽式使用得较多,在目前开发和使用的开关电源集成电路中,绝大多数也为脉宽调制型。因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。

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    调宽式开关稳压电源的基本原理

    对于单极性矩形脉冲来说,其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度,脉冲越宽,其直流平均电压值就越高,直流平均电压为U。可由公式计算,即Uo=Um×T1/T,式中Um为矩形脉冲最大电压值,T为矩形脉冲周期,T1为矩形脉冲宽度。

    从上式可以看出,当Um与T不变时,直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比。这样,只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄,就可以达到稳定电压的目的。

    开关式稳压电源的原理电路

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    开关电源基本电路框图

    交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后,变成含有一定脉动成份的直流电压,该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波,最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。

    控制电路为一脉冲宽度调制器,它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化,制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例,以达到稳定输出电压的目的。

    单端反激式开关电源

    单端反激式开关电源的典型电路如下图所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激,是指当开关管VT1导通时,高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负,整流二极管VD1处于截止状态,在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时,变压器T初级绕组中存储的能量,通过次级绕组及VD1整流和电容C滤波后向负载输出。

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    单端反激式开关电源

    单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路,输出功率为20~100W,可以同时输出不同的电压,且有较好的电压调整率。

    唯一的缺点是输出的纹波电压较大,外特性差,适用于相对固定的负载。单端反激式开关电源使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍,工作频率在20~200kHz之间。

    单端正激式开关电源

    单端正激式开关电源的典型电路如下图所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似,但工作情形不同。当开关管VT1导通时,VD2也导通,这时电网向负载传送能量,滤波电感L储存能量;当开关管VT1截止时,电感L通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。

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    单端正激式开关电源

    在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2,它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件,即磁通建立和复位时间应相等,所以电路中脉冲的占空比不能大于50%。

    由于这种电路在开关管VT1导通时,通过变压器向负载传送能量,所以输出功率范围大,可输出50~200W的功率。电路使用的变压器结构复杂,体积也较大,正因为这个原因,这种电路的实际应用较少。

    自激式开关稳压电源

    自激式开关稳压电源的典型电路如下图所示。这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源,也是目前广泛使用的基本电源之一。

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    自激式开关稳压电源

    当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流,使VT1开始导通,其集电极电流Ic在L1中线性增长,在L2中感应出使VT1基极为正,发射极为负的正反馈电压,使VT1很快饱和。

    与此同时,感应电压给C1充电,随着C1充电电压的增高,VT1基极电位逐渐变低,致使VT1退出饱和区,Ic开始减小,在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的电压,使VT1迅速截止,这时二极管VD1导通,高频变压器T初级绕组中的储能释放给负载。

    在VT1截止时,L2中没有感应电压,直流供电输人电压又经R1给C1反向充电,逐渐提高VT1基极电位,使其重新导通,再次翻转达到饱和状态,电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电源那样,由变压器T的次级绕组向负载输出所需要的电压。

    自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从,也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态,具有输人和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源,亦适用于小功率电源。

    推挽式开关电源

    推挽式开关电源的典型电路如下图所示。它属于双端式变换电路,高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管VT1和VT2,两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止,在变压器T次级统组得到方波电压,经整流滤波变为所需要的直流电压。

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    推挽式开关电源

    这种电路的优点是两个开关管容易驱动,主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大,一般在100~500W范围内。

    降压式开关电源

    降压式开关电源的典型电路如下图所示。当开关管VT1导通时,二极管VD1截止,输人的整流电压经VT1和L向C充电,这一电流使电感L中的储能增加。当开关管VT1截止时,电感L感应出左负右正的电压,经负载RL和续流二极管VD1释放电感L中存储的能量,维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。

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    降压式开关电源

    这种电路使用元件少,它同下面介绍的另外两种电路一样,只需要利用电感、电容和二极管即可实现。

    升压式开关电源

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    升压式开关电源

    升压式开关电源的稳压电路如上图所示。当开关管VT1导通时,电感L储存能量。当开关管VT1截止时,电感L感应出左负右正的电压,该电压叠加在输人电压上,经二极管VD1向负载供电,使输出电压大于输人电压,形成升压式开关电源。

    反转式开关电源

    反转式开关电源的典型电路如下图所示。这种电路又称为升降压式开关电源。无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压,电路均能正常工作。

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    反转式开关电源

    当开关管VT1导通时,电感L储存能量,二极管VD1截止,负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。当开关管VT1截止时,电感L中的电流继续流通,并感应出上负下正的电压,经二极管VD1向负载供电,同时给电容C充电。

    以上介绍了脉冲宽度调制式开关稳压电源的基本工作原理和各种电路类型,在实际应用中,会有各种各样的实际控制电路,但无论怎样,也都是在这些基础上发展出来的。

    - END -

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    一、开关式稳压电源的基本工作原理

    开关式稳压电源接控制方式分为调宽式和调频式两种,在实际的应用中,调宽式使用得较多,在目前开发和使用的开关电源集成电路中,绝大多数也为脉宽调制型。因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。

    调宽式开关稳压电源的基本原理可参见下图。

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    对于单极性矩形脉冲来说,其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度,脉冲越宽,其直流平均电压值就越高。直流平均电压U。可由公式计算,

    即Uo=Um×T1/T

    式中Um为矩形脉冲最大电压值;T为矩形脉冲周期;T1为矩形脉冲宽度。

    从上式可以看出,当Um 与T 不变时,直流平均电压Uo 将与脉冲宽度T1 成正比。这样,只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄,就可以达到稳定电压的目的。

    二、开关式稳压电源的原理电路

    1、基本电路

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    图二 开关电源基本电路框图

    开关式稳压电源的基本电路框图如图二所示。

    交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后,变成含有一定脉动成份的直流电压,该电压进人高频变换器被转换成所需电压值的方波,最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。

    控制电路为一脉冲宽度调制器,它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化,制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例,以达到稳定输出电压的目的。

    2、单端反激式开关电源

    单端反激式开关电源的典型电路如图三所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激,是指当开关管VT1 导通时,高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负,整流二极管VD1处于截止状态,在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时,变压器T初级绕组中存储的能量,通过次级绕组及VD1 整流和电容C滤波后向负载输出。

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    单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路,输出功率为20-100W,可以同时输出不同的电压,且有较好的电压调整率。唯一的缺点是输出的纹波电压较大,外特性差,适用于相对固定的负载。

    单端反激式开关电源使用的开关管VT1 承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍,工作频率在20-200kHz之间。

    3、单端正激式开关电源

    单端正激式开关电源的典型电路如图四所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似,但工作情形不同。当开关管VT1导通时,VD2也

    导通,这时电网向负载传送能量,滤波电感L储存能量;当开关管VT1截止时,电感L通过续流二极管VD3 继续向负载释放能量。

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    在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2,它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件,即磁通建立和

    复位时间应相等,所以电路中脉冲的占空比不能大于50%。由于这种电路在开关管VT1导通时,通过变压器向负载传送能量,所以输出功率范围大,可输出50-200 W的功率。电路使用的变压器结构复杂,体积也较大,正因为这个原因,这种电路的实际应用较少。

    4、自激式开关稳压电源

    自激式开关稳压电源的典型电路如图五所示。这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源,也是目前广泛使用的基本电源之一。

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    当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流,使VT1开始导通,其集电极电流Ic在L1中线性增长,在L2 中感应出使VT1 基极为正,发射极为负的正反馈电压,使VT1 很快饱和。与此同时,感应电压给C1充电,随着C1充电电压的增高,VT1基极电位逐渐变低,致使VT1退出饱和区,Ic 开始减小,在L2 中感应出使VT1 基极为负、发射极为正的电压,使VT1 迅速截止,这时二极管VD1导通,高频变压器T初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止时,L2中没有感应电压,直流供电输人电压又经R1给C1反向充电,逐渐提高VT1基极电位,使其重新导通,再次翻转达到饱和状态,电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电源那样,由变压器T的次级绕组向负载输出所需要的电压。

    自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从,也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态,具有输人和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源,亦适用于小功率电源。

    5、推挽式开关电源

    推挽式开关电源的典型电路如图六所示。它属于双端式变换电路,高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。电路使用两个开关管VT1和VT2,两个开关管在外激励方波信号的控制下交替的导通与截止,在变压器T次级统组得到方波电压,经整流滤波变为所需要的直流电压。

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    这种电路的优点是两个开关管容易驱动,主要缺点是开关管的耐压要达到两倍电路峰值电压。电路的输出功率较大,一般在100-500 W范围内。

    6、降压式开关电源

    降压式开关电源的典型电路如图七所示。当开关管VT1 导通时,二极管VD1 截止,输人的整流电压经VT1和L向C充电,这一电流使电感L中的储能增加。当开关管VT1截止时,电感L感应出左负右正的电压,经负载RL和续流二极管VD1释放电感L中存储的能量,维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。

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    这种电路使用元件少,它同下面介绍的另外两种电路一样,只需要利用电感、电容和二极管即可实现。

    7、升压式开关电源

    升压式开关电源的稳压电路如图八所示。当开关管 VT1 导通时,电感L储存能量。当开关管VT1 截止时,电感L感应出左负右正的电压,该电压叠加在输人电压上,经二极管VD1向负载供电,使输出电压大于输人电压,形成升压式开关电源。

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    8、反转式开关电源

    反转式开关电源的典型电路如图九所示。这种电路又称为升降压式开关电源。无论开关管VT1之前的脉动直流电压高于或低于输出端的稳定电压,电路均能正常工作。

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    当开关管 VT1 导通时,电感L 储存能量,二极管VD1 截止,负载RL靠电容C上次的充电电荷供电。当开关管VT1截止时,电感L中的电流继续流通,并感应出上负下正的电压,经二极管VD1向负载供电,同时给电容C充电。

    以上介绍了脉冲宽度调制式开关稳压电源的基本工作原理和各种电路类型,在实际应用中,会有各种各样的实际控制电路,但无论怎样,也都是在这些基础上发展出来的。

    -END-

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    “阅读本文大约需要8分钟”

    开关电源的输出电路主要包括输出滤波电路和反馈电路两部分,下面将分别对输出电路和反馈电路进行介绍。

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    输出电路

    输出电路主要包括整流和滤波两部分其原理图如图所示,输出电路设计的好坏会直接影响电源质量,因此输出部分的设计应该引起足够的重视。

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    变压器的次级输出为交流电压,二极管在反激式开关电源的输出级承担整流的作用,当初级开关管开通时,二极管反偏截止。当初级开关管关断时,二极管导通,此时负载电流流经二极管,为了减少在二极管上的损耗,提高电源效率,应该选择导通压降小,反向漏电流小、恢复速度快的肖特基二极管。(1)3.3V输出整流二极管的耐压值:

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    (2)5V输出整流二极管的耐压值:

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    (3)12V输出整流二极管的耐压值:

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    根据以上计算结果,VR>38.1V即可,则选择耐压值为60V,型号为SB560的肖特基二极管。

    次级输出滤波电路主要是为了抑制纹波电压而设置的,在整流电路后加上电容,就可以达到滤波效果。通常我们使用的电容并不是理想的电容,在开关电源的输出级应该尽量选择较低等效串联电阻ESR,且耐压值合适的电解电容。选择依据:

    (1)电容的耐压值                      

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    (2)确定输出电容纹波电流                            

    652cf917c8269e3d60445937c7f7b876.png根据以上计算结果,本所设计的三路输出滤波电容分别为:100μF/10V, 100μF/10V,220μF/50V的电解电容和100nF的陶瓷电容并联。

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    电压反馈电路

    隔离式开关电源由光耦和基准稳压器组成反馈回路。本设计只对3.3V电压输出进行反馈回路设计,利用光耦PC817和三端稳压管TL431相配合。通过设定参考电压,隔离放大组成负反馈环路维持输出电压稳定,原理图如图所示。

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    考虑到3.3V电压输出给微控制器供电,为保证电压的稳定和精度,反馈回路只在3.3V输出端使用。TL431为2.5V的基准稳压器,R15取10k,则在R10两端的电压为0.8V,因此R10取3.2k。R11电阻为TL431提供工作电流,根据手册,本设计取流过TL431上的电流为2mA。                             

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    电容C14和R13为环路补偿电容,根据经验值取C14为100nF,电阻R13取3KΩ。51ad154fbe8f0e2994f43d11efefbe9e.png电流反馈回路

    电源的电流反馈是通过检测流过初级变压器绕组的电流。过电流保护电路响应速度快,在变压器的输入端就能避免大电流的流入,从而有效的保护后级电路。控制器UC3842过流保护电压为1V,根据变压器计算的峰值电流为6A,则电流采样电阻取值为1/6=0.16Ω,封装选用2W的直插封装。采样的电压经过一个RC滤波电路后进入3脚电流比较器端,其原理图如图所示。

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    C16和R12对采样电压进行滤波,根据经验值取C16为100pF,电阻R12取1KΩ。    346e78055319f767fa789675ca3e027a.pngPCB设计

    PCB设计在开关电源制板环节至关重要,因为涉及到EMI、稳定性,噪声等问题会直接影响最后设计电源的质量。若是PCB板过大,器件之间的间隔太大,容易引入噪声,浪费材料不经济。如果PCB板过小,元器件焊接调试不方便,散热性降低,相邻电路之间容易产生相互干扰,因此合适的PCB尺寸是至关重要的。

    本电源的PCB是由Altium 公司的Altium Desinger软件来完成。根据理论知识和项目经验在布局和布线上要注意下面的问题。

    (1)高频元器件走线短可以降低电磁干扰。功率回路应该尽量小,且与控制反馈回路隔开,避免功率大电流对小电流电路产生影响和减少电磁辐射。

    (2)控制芯片的电源输入端加上去耦电容,离芯片引脚尽可能近,减少干扰。驱动部分和开关管的栅极距离要尽可能短,以保证开关管的开通和关断的速度。

    (3)在走线的时候遵循地线>电源线>信号线,元器件之间的走线距离短,拐弯的角度要大于90°,避免出现直角的走线。电感的引线适当长,电容的引线适当短。控制芯片和光耦器件下面的走线尽可能少。

    (4)不同的地要进行隔离,最后采用单点接地。

    (5)PCB尽量将元器件摆放在单片,一方面可以减少打孔的数量,另一方面在大规模生产过程中,单面板的设计可以减小PCB生产时间周期,有利于降低生产成本。

    (6)为了便于焊接和调试,绘制PCB时,要求电路板上所有的元器件离电路板边缘的距离最好大于2mm,这也是DFM要求。

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    仿真设计

      利用PSIM软件仿真的原理图如下

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    (1) 输出电压

    12V电压输出12.26V,5V电压输出5.26V,3.3V电压输出3.25V。从输出来看,本设计基本上符合要求。

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    (2)变压器初级绕组波形分析

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    变压器初级绕组波形如图所示,在MOS管开通的时候,变压器的两端的电压波形和输入电压相同,即为24V。在MOS管关断的时候,由于初级绕组和次级绕组共用磁芯。

    因此,在初级绕组上会反射次级的电压,导致MOS管关断的时候,初级绕组一端的电压达到32V。仿真软件中的变压器是理想变压器,不会引入漏感这个参数,在实际制作的时候,漏感对MOS的耐压是一个重要的影响参数,从这里就可以看出来。

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反激式电路原理