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開關(guān)電源工作原理及電路圖詳細(xì)解析

鉅大LARGE  |  點擊量:7101次  |  2020年05月09日  

開關(guān)模式電源(SwitchModePowerSupply,簡稱SMPS),又稱交換式電源、開關(guān)變換器,是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置,是電源供應(yīng)器的一種。其功能是將一個位準(zhǔn)的電壓,透過不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。開關(guān)電源的輸入多半是交流電源(例如市電)或是直流電源,而輸出多半是需要直流電源的設(shè)備,例如個人電腦,而開關(guān)電源就進(jìn)行兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換。

開關(guān)模式電源(SwitchModePowerSupply,簡稱SMPS),又稱交換式電源、開關(guān)變換器,是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置,是電源供應(yīng)器的一種。其功能是將一個位準(zhǔn)的電壓,透過不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。開關(guān)電源的輸入多半是交流電源(例如市電)或是直流電源,而輸出多半是需要直流電源的設(shè)備,例如個人電腦,而開關(guān)電源就進(jìn)行兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換。

開關(guān)電源不同于線性電源,開關(guān)電源利用的切換晶體管多半是在全開模式(飽和區(qū))及全閉模式(截止區(qū))之間切換,這兩個模式都有低耗散的特點,切換之間的轉(zhuǎn)換會有較高的耗散,但時間很短,因此比較節(jié)省能源,產(chǎn)生廢熱較少。理想上,開關(guān)電源本身是不會消耗電能的。電壓穩(wěn)壓是透過調(diào)整晶體管導(dǎo)通及斷路的時間來達(dá)到。相反的,線性電源在產(chǎn)生輸出電壓的過程中,晶體管工作在放大區(qū),本身也會消耗電能。開關(guān)電源的高轉(zhuǎn)換效率是其一大優(yōu)點,而且因為開關(guān)電源工作頻率高,可以使用小尺寸、輕重量的變壓器,因此開關(guān)電源也會比線性電源的尺寸要小,重量也會比較輕。

若電源的高效率、體積及重量是考慮重點時,開關(guān)電源比線性電源要好。不過開關(guān)電源比較復(fù)雜,內(nèi)部晶體管會頻繁切換,若切換電流尚加以處理,可能會產(chǎn)生噪聲及電磁干擾影響其他設(shè)備,而且若開關(guān)電源沒有特別設(shè)計,其電源功率因數(shù)可能不高。

主要用途

開關(guān)電源產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化控制、特種設(shè)備、科研設(shè)備、LED照明、工控設(shè)備、通訊設(shè)備、電力設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體制冷制熱、空氣凈化器,電子冰箱,液晶顯示器,LED燈具,通訊設(shè)備,視聽產(chǎn)品,安防監(jiān)控,LED燈帶,電腦機(jī)箱,數(shù)碼產(chǎn)品和儀器類等領(lǐng)域。

現(xiàn)代開關(guān)電源有兩種:一種是直流開關(guān)電源;另一種是交流開關(guān)電源。

開關(guān)電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)這里主要介紹的只是直流開關(guān)電源,其功能是將電能質(zhì)量較差的原生態(tài)電源(粗電),如市電電源或蓄電池電源,轉(zhuǎn)換成滿足設(shè)備要求的質(zhì)量較高的直流電壓(精電)。直流開關(guān)電源的核心是DC/DC轉(zhuǎn)換器。因此直流開關(guān)電源的分類是依賴DC/DC轉(zhuǎn)換器分類的。也就是說,直流開關(guān)電源的分類與DC/DC轉(zhuǎn)換器的分類是基本相同的,DC/DC轉(zhuǎn)換器的分類基本上就是直流開關(guān)電源的分類。

直流DC/DC轉(zhuǎn)換器按輸入與輸出之間是否有電氣隔離可以分為兩類:一類是有隔離的稱為隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器;另一類是沒有隔離的稱為非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。

隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器也可以按有源功率器件的個數(shù)來分類。單管的DC/DC轉(zhuǎn)換器有正激式(Forward)和反激式(Flyback)兩種。雙管DC/DC轉(zhuǎn)換器有雙管正激式(DoubleTransistorForwardConverter),雙管反激式(DoubleTransistorFlybackConverter)、推挽式(Push-PullConverter)和半橋式(Half-BridgeConverter)四種。四管DC/DC轉(zhuǎn)換器就是全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器(Full-BridgeConverter)。

非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器,按有源功率器件的個數(shù),可以分為單管、雙管和四管三類。

開關(guān)電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖單管DC/DC轉(zhuǎn)換器共有六種,即降壓式(Buck)DC/DC轉(zhuǎn)換器,升壓式(Boost)DC/DC轉(zhuǎn)換器、升壓降壓式(BuckBoost)DC/DC轉(zhuǎn)換器、CukDC/DC轉(zhuǎn)換器、ZetaDC/DC轉(zhuǎn)換器和SEPICDC/DC轉(zhuǎn)換器。在這六種單管DC/DC轉(zhuǎn)換器中,Buck和Boost式DC/DC轉(zhuǎn)換器是基本的,Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC轉(zhuǎn)換器是從中派生出來的。雙管DC/DC轉(zhuǎn)換器有雙管串接的升壓式(Buck-Boost)DC/DC轉(zhuǎn)換器。四管DC/DC轉(zhuǎn)換器常用的是全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器(Full-BridgeConverter)。

隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器在實現(xiàn)輸出與輸入電氣隔離時,通常采用變壓器來實現(xiàn),由于變壓器具有變壓的功能,所以有利于擴(kuò)大轉(zhuǎn)換器的輸出應(yīng)用范圍,也便于實現(xiàn)不同電壓的多路輸出,或相同電壓的多種輸出。

在功率開關(guān)管的電壓和電流定額相同時,轉(zhuǎn)換器的輸出功率通常與所用開關(guān)管的數(shù)量成正比。所以開關(guān)管數(shù)越多,DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出功率越大,四管式比兩管式輸出功率大一倍,單管式輸出功率只有四管式的1/4。

非隔離式轉(zhuǎn)換器與隔離式轉(zhuǎn)換器的組合,可以得到單個轉(zhuǎn)換器所不具備的一些特性。

按能量的傳輸來分,DC/DC轉(zhuǎn)換器有單向傳輸和雙向傳輸兩種。具有雙向傳輸功能的DC/DC轉(zhuǎn)換器,既可以從電源側(cè)向負(fù)載側(cè)傳輸功率,也可以從負(fù)載側(cè)向電源側(cè)傳輸功率。

DC/DC轉(zhuǎn)換器也可以分為自激式和他控式。借助轉(zhuǎn)換器本身的正反饋信號實現(xiàn)開關(guān)管自持周期性開關(guān)的轉(zhuǎn)換器,叫做自激式轉(zhuǎn)換器,如洛耶爾(Royer)轉(zhuǎn)換器就是一種典型的推挽自激式轉(zhuǎn)換器。他控式DC/DC轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)器件控制信號,是由外部專門的控制電路產(chǎn)生的。

按照開關(guān)管的開關(guān)條件,DC/DC轉(zhuǎn)換器又可以分為硬開關(guān)(HardSwitching)

開關(guān)電源和軟開關(guān)(SoftSwitching)兩種。硬開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)器件是在承受電壓或流過電流的情況下,開通或關(guān)斷電路的,因此在開通或關(guān)斷過程中將會產(chǎn)生較大的交疊損耗,即所謂的開關(guān)損耗(Switchingloss)。當(dāng)轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)一定時開關(guān)損耗也是一定的,而且開關(guān)頻率越高,開關(guān)損耗越大,同時在開關(guān)過程中還會激起電路分布電感和寄生電容的振蕩,帶來附加損耗,因此,硬開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率不能太高。

軟開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)管,在開通或關(guān)斷過程中,或是加于其上的電壓為零,即零電壓開關(guān)(Zero-Voltage-Switching,ZVS),或是通過開關(guān)管的電流為零,即零電流開關(guān)(Zero-Current·Switching,ZCS)。這種軟開關(guān)方式可以顯著地減小開關(guān)損耗,以及開關(guān)過程中激起的振蕩,使開關(guān)頻率可以大幅度提高,為轉(zhuǎn)換器的小型化和模塊化創(chuàng)造了條件。功率場效應(yīng)管(MOSFET)是應(yīng)用較多的開關(guān)器件,它有較高的開關(guān)速度,但同時也有較大的寄生電容。

它關(guān)斷時,在外電壓的作用下,其寄生電容充滿電,如果在其開通前不將這一部分電荷放掉,則將消耗于器件內(nèi)部,這就是容性開通損耗。為了減小或消除這種損耗,功率場效應(yīng)管宜采用零電壓開通方式(ZVS)。絕緣柵雙極性晶體管(InsulatedGateBipolartansistor,IGBT)是一種復(fù)合開關(guān)器件,關(guān)斷時的電流拖尾會導(dǎo)致較大的關(guān)斷損耗,如果在關(guān)斷前使流過它的電流降到零,則可以顯著地降低開關(guān)損耗,因此IGBT宜采用零電流(ZCS)關(guān)斷方式。

IGBT在零電壓條件下關(guān)斷,同樣也能減小關(guān)斷損耗,但是MOSFET在零電流條件下開通時,并不能減小容性開通損耗。諧振轉(zhuǎn)換器(ResonantConverter,RC)、準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器(Qunsi-TesonantConverter,QRC)、多諧振轉(zhuǎn)換器(Multi-ResonantConverter,MRC)、零電壓開關(guān)PWM轉(zhuǎn)換器(ZVSPWMConverter)、零電流開關(guān)PWM轉(zhuǎn)換器(ZCSPWMConverter)、零電壓轉(zhuǎn)換(Zero-Voltage-Transition,ZVT)PWM轉(zhuǎn)換器和零電流轉(zhuǎn)換(Zero-Voltage-Transition,ZVT)PWM轉(zhuǎn)換器等,均屬于軟開關(guān)直流轉(zhuǎn)換器。電力電子開關(guān)器件和零開關(guān)轉(zhuǎn)換器技術(shù)的發(fā)展,促使了高頻開關(guān)電源的發(fā)展。

基本組成

開關(guān)電源大致由主電路、

開關(guān)電源控制電路、檢測電路、輔助電源四大部份組成。

1、主電路

沖擊電流限幅:限制接通電源瞬間輸入側(cè)的沖擊電流。

輸入濾波器:其作用是過濾電網(wǎng)存在的雜波及阻礙本機(jī)產(chǎn)生的雜波反饋回電網(wǎng)。

整流與濾波:將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電。

逆變:將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電,這是高頻開關(guān)電源的核心部分。

輸出整流與濾波:根據(jù)負(fù)載需要,提供穩(wěn)定可靠的直流電源。

2、控制電路

一方面從輸出端取樣,與設(shè)定值進(jìn)行比較,然后去控制逆變器,改變其脈寬或脈頻,使輸出穩(wěn)定,另一方面,根據(jù)測試電路提供的數(shù)據(jù),經(jīng)保護(hù)電路鑒別,提供控制電路對電源進(jìn)行各種保護(hù)措施。

3、檢測電路

提供保護(hù)電路中正在運行中各種參數(shù)和各種儀表數(shù)據(jù)。

單端正激式開關(guān)電源的典型電路如圖四所示。這種電路在形式上與單端反激式電路相似,但工作情形不同。當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時,VD2也

導(dǎo)通,這時電網(wǎng)向負(fù)載傳送能量,濾波電感L儲存能量;當(dāng)開關(guān)管VT1截止時,電感L通過續(xù)流二極管VD3繼續(xù)向負(fù)載釋放能量。

簡單的開關(guān)電源電路圖大全(六款簡單的開關(guān)電源電路設(shè)計原理圖詳解)

在電路中還設(shè)有鉗位線圈與二極管VD2,它可以將開關(guān)管VT1的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿足磁芯復(fù)位條件,即磁通建立和

復(fù)位時間應(yīng)相等,所以電路中脈沖的占空比不能大于50%。由于這種電路在開關(guān)管VT1導(dǎo)通時,通過變壓器向負(fù)載傳送能量,所以輸出功率范圍大,可輸出50-200W的功率。電路使用的變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積也較大,正因為這個原因,這種電路的實際應(yīng)用較少。

推挽式開關(guān)電源的典型電路如圖六所示。它屬于雙端式變換電路,高頻變壓器的磁芯工作在磁滯回線的兩側(cè)。電路使用兩個開關(guān)管VT1和VT2,兩個開關(guān)管在外激勵方波信號的控制下交替的導(dǎo)通與截止,在變壓器T次級統(tǒng)組得到方波電壓,經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷骸?br/>
簡單的開關(guān)電源電路圖大全(六款簡單的開關(guān)電源電路設(shè)計原理圖詳解)

這種電路的優(yōu)點是兩個開關(guān)管容易驅(qū)動,主要缺點是開關(guān)管的耐壓要達(dá)到兩倍電路峰值電壓。電路的輸出功率較大,一般在100-500W范圍內(nèi)。

電路以UC3842振蕩芯片為核心,構(gòu)成逆變、整流電路。UC3842一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片,相關(guān)引腳功能及內(nèi)部電路原理已有介紹,此處從略。AC220V電源經(jīng)共模濾波器L1引入,能較好抑制從電網(wǎng)進(jìn)入的和從電源本身向輻射的高頻干擾,交流電壓經(jīng)橋式整流電路、電容C4濾波成為約280V的不穩(wěn)定直流電壓,作為由振蕩芯片U1、開關(guān)管Q1、開關(guān)變壓器T1及其它元件組成的逆變電路。逆變電路,可以分為四個電路部分講解其電路工作原理。

簡單的開關(guān)電源電路圖大全(六款簡單的開關(guān)電源電路設(shè)計原理圖詳解)

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圖1CL-A-35-24儀用DC24V開關(guān)電源

1、振蕩回路:開關(guān)變壓器的主繞組N1、Q1的漏--源極、R2(工作電流檢測電阻)為電源工作電流的通路;本機(jī)啟動電路與其它開關(guān)電源(啟動電路由降壓限流電阻組成)有所不同,啟動電路由C5、D3、D4組成,提供一個“瞬態(tài)”的啟動電流,二極管D2吸收反向電壓,D3具有整流作用,保障加到U1的7腳的啟動電流為正電流;電路起振后,由N2自供電繞組、D2、C5整流濾波電路,提供U1芯片的供電電壓。這三個環(huán)節(jié)的正常運行,是電源能夠振蕩起來的先決條件。

當(dāng)然,U1的4腳外接定時元件R48、C8和U1芯片本身,也構(gòu)成了振蕩回路的一部分。

電容式啟動電路,當(dāng)過載或短路故障發(fā)生時,電路能處于穩(wěn)定的停振保護(hù)狀態(tài),不像電阻啟動電路,會再現(xiàn)“打嗝”式間歇振蕩現(xiàn)象。工作電流檢測從電阻R2上取得,當(dāng)故障狀態(tài)引起工作過流異常增大時,U1的6腳輸出PWM脈沖占空比減小,N1自供電繞組的感應(yīng)電路也隨之降低,當(dāng)U1的7腳供電電壓低于10V時,電路停振,負(fù)載電壓為0,這是過流(過載或短路)引發(fā)U1內(nèi)部欠電壓保護(hù)電路動作導(dǎo)致的輸出中止;工作電流異常增大時,R2上的電壓降大于1V時,內(nèi)部鎖存器動作,電路停振,這是由過流引發(fā)U1內(nèi)部過流保護(hù)動作導(dǎo)致輸出中止。

2、穩(wěn)壓回路:開關(guān)變壓器的N3繞組、D6、C13、C14等元件組成的24V電源,基準(zhǔn)電壓源TL1、光耦合器U2等元件構(gòu)成了穩(wěn)壓控制回路。U1芯片和1、2腳外圍元件R7、C12,也是穩(wěn)壓回路的一部分。實際上,TL1、U1組成了(相對于U1內(nèi)部電壓誤差放大器)外部誤差放大器,將輸出24V的電壓變化反饋回U1的反饋電壓信號輸入端。當(dāng)24V輸出電壓上升時,U1的2腳電壓上升,1腳電壓下降,輸出PWM脈沖占空比下降,輸出電路回落。當(dāng)輸出電壓異常上升時,U1的1腳下降為1V時,內(nèi)部保護(hù)電路動作,電路停振。

3、保護(hù)回路:U1芯片本身和3腳外圍電路構(gòu)成過流保護(hù)回路;N1繞組上并聯(lián)的D1、R1、C9元件構(gòu)成了開關(guān)管的反向電壓吸收保護(hù)電路,以提供Q1截止時的反向電流通路,保障Q1的工作安全;實質(zhì)上穩(wěn)壓回路的電壓反饋信號,也可看作是一路電壓保護(hù)信號——當(dāng)反饋電壓幅度達(dá)一定值時,電路實施停振保護(hù)動作;24V的輸出端并聯(lián)有由R18、ZD2、單向晶閘管SCR組成的過壓保護(hù)電路,當(dāng)穩(wěn)壓電路失常,引起輸出電壓異常上升時,穩(wěn)壓二極管ZD2的擊穿為SCR提供觸發(fā)電流,SCR的導(dǎo)通形成一個“短路電流”信號,強(qiáng)制U1內(nèi)部保護(hù)電路產(chǎn)生過流保護(hù)動作,電路處于停振狀態(tài)。

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