開關電源
開關模式電源(Switch Mode Power Supply,簡稱SMPS),又稱交換式電源、開關變換器,是一種高頻化電能轉換裝置,是電源供應器的一種。其功能是將一個位準的電壓,透過不同形式的架構轉換為用戶端所需求的電壓或電流。開關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備,例如個人電腦,而開關電源就進行兩者之間電壓及電流的轉換。
開關電源用途
開關電源產品廣泛應用于工業(yè)自動化控制、軍工設備、科研設備、LED照明、工控設備、通訊設備、電力設備、儀器儀表、醫(yī)療設備、半導體制冷制熱、空氣凈化器,電子冰箱,液晶顯示器,LED燈具,通訊設備,視聽產品,安防監(jiān)控,LED燈帶,電腦機箱,數碼產品和儀器類等領域。
開關電源工作原理及各功能電路詳解
一、 開關電源的電路組成[/b]:開關電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器(EMI)、整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制器電路、輸出整流濾波電路組成。輔助電路有輸入過欠壓保護電路、輸出過欠壓保護電路、輸出過流保護電路、輸出短路保護電路等。
開關電源的電路組成方框圖如下:
二、 輸入電路的原理及常見電路[/b]::
1、AC輸入整流濾波電路原理:
① 防雷電路:當有雷擊,產生高壓經電網導入電源時,由MOV1、MOV2、MOV3:F1、F2、F3、FDG1組成的電路進行保護。當加在壓敏電阻兩端的電壓超過其工作電壓時,其阻值降低,使高壓能量消耗在壓敏電阻上,若電流過大,F1、F2、F3會燒毀保護后級電路。
② 輸入濾波電路:C1、L1、C2、C3組成的雙π型濾波網絡主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進行抑制,防止對電源干擾,同時也防止電源本身產生的高頻雜波對電網干擾。當電源開啟瞬間,要對C5充電,由于瞬間電流大,加RT1(熱敏電阻)就能有效的防止浪涌電流。因瞬時能量全消耗在RT1電阻上,一定時間后溫度升高后RT1阻值減?。≧T1是負溫系數元件),這時它消耗的能量非常小,后級電路可正常工作。
③ 整流濾波電路:交流電壓經BRG1整流后,經C5濾波后得到較為純凈的直流電壓。若C5容量變小,輸出的交流紋波將增大。
2、 DC輸入濾波電路原理:
① 輸入濾波電路:C1、L1、C2組成的雙π型濾波網絡主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進行抑制,防止對電源干擾,同時也防止電源本身產生的高頻雜波對電網干擾。C3、C4為安規(guī)電容,L2、L3為差模電感。
② R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7組成抗浪涌電路。在起機的瞬間,由于C6的存在Q2不導通,電流經RT1構成回路。當C6上的電壓充至Z1的穩(wěn)壓值時Q2導通。如果C8漏電或后級電路短路現象,在起機的瞬間電流在RT1上產生的壓降增大,Q1導通使Q2沒有柵極電壓不導通,RT1將會在很短的時間燒毀,以保護后級電路。
三、 功率變換電路[/b]:
1、 MOS管的工作原理:目前應用最廣泛的絕緣柵場效應管是MOSFET(MOS管),是利用半導體表面的電聲效應進行工作的。也稱為表面場效應器件。由于它的柵極處于不導電狀態(tài),所以輸入電阻可以大大提高,最高可達105歐姆,MOS管是利用柵源電壓的大小,來改變半導體表面感生電荷的多少,從而控制漏極電流的大小。
2、 常見的原理圖:
3、工作原理:
R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2組成緩沖器,和開關MOS管并接,使開關管電壓應力減少,EMI減少,不發(fā)生二次擊穿。在開關管Q1關斷時,變壓器的原邊線圈易產生尖峰電壓和尖峰電流,這些元件組合一起,能很好地吸收尖峰電壓和電流。從R3測得的電流峰值信號參與當前工作周波的占空比控制,因此是當前工作周波的電流限制。當R5上的電壓達到1V時,UC3842停止工作,開關管Q1立即關斷 。 R1和Q1中的結電容CGS、CGD一起組成RC網絡,電容的充放電直接影響著開關管的開關速度。R1過小,易引起振蕩,電磁干擾也會很大;R1過大,會降低開關管的開關速度。Z1通常將MOS管的GS電壓限制在18V以下,從而保護了MOS管。
Q1的柵極受控電壓為鋸形波,當其占空比越大時,Q1導通時間越長,變壓器所儲存的能量也就越多;當Q1截止時,變壓器通過D1、D2、R5、R4、C3釋放能量,同時也達到了磁場復位的目的,為變壓器的下一次存儲、傳遞能量做好了準備。IC根據輸出電壓和電流時刻調整著⑥腳鋸形波占空比的大小,從而穩(wěn)定了整機的輸出電流和電壓。 C4和R6為尖峰電壓吸收回路。
4、推挽式功率變換電路: Q1和Q2將輪流導通。
5、有驅動變壓器的功率變換電路:T2為驅動變壓器,T1為開關變壓器,TR1為電流環(huán)。
四、 輸出整流濾波電路[/b]::
1、 正激式整流電路:
T1為開關變壓器,其初極和次極的相位同相。D1為整流二極管,D2為續(xù)流二極管,R1、C1、R2、C2為削尖峰電路。L1為續(xù)流電感,C4、L2、C5組成π型濾波器。
2、 反激式整流電路:
T1為開關變壓器,其初極和次極的相位同相。D1為整流二極管,D2為續(xù)流二極管,R1、C1、R2、C2為削尖峰電路。L1為續(xù)流電感,C4、L2、C5組成π型濾波器。
3、 反激式整流電路:
4、工作原理:當變壓器次級上端為正時,電流經C2、R5、R6、R7使Q2導通,電路構成回路,Q2為整流管。Q1柵極由于處于反偏而截止。當變壓器次級下端為正時,電流經C3、R4、R2使Q1導通,Q1為續(xù)流管。Q2柵極由于處于反偏而截止。L2為續(xù)流電感,C6、L1、C7組成π型濾波器。R1、C1、R9、C4為削尖峰電路。
五、 穩(wěn)壓環(huán)路原理[/b]:
1、反饋電路原理圖:
2、工作原理: 當輸出U0升高,經取樣電阻R7、R8、R10、VR1分壓后,U1③腳電壓升高,當其超過U1②腳基準電壓后U1①腳輸出高電平,使Q1導通,光耦OT1發(fā)光二極管發(fā)光,光電三極管導通,UC3842①腳電位相應變低,從而改變U1⑥腳輸出占空比減小,U0降低。 當輸出U0降低時,U1③腳電壓降低,當其低過U1②腳基準電壓后U1①腳輸出低電平,Q1不導通,光耦OT1發(fā)光二極管不發(fā)光,光電三極管不導通,UC3842①腳電位升高,從而改變U1⑥腳輸出占空比增大,U0降低。周而復始,從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。調節(jié)VR1可改變輸出電壓值。 反饋環(huán)路是影響開關電源穩(wěn)定性的重要電路。如反饋電阻電容錯、漏、虛焊等,會產生自激振蕩,故障現象為:波形異常,空、滿載振蕩,輸出電壓不穩(wěn)定等。
六、短路保護電路:
1、在輸出端短路的情況下,PWM控制電路能夠把輸出電流限制在一個安全范圍內,它可以用多種方法來實現限流電路,當功率限流在短路時不起作用時,只有另增設一部分電路。
2、短路保護電路通常有兩種,下圖是小功率短路保護電路,其原理簡述如下:
當輸出電路短路,輸出電壓消失,光耦OT1不導通,UC3842①腳電壓上升至5V左右,R1與R2的分壓超過TL431基準,使之導通,UC3842⑦腳VCC電位被拉低,IC停止工作。UC3842停止工作后①腳電位消失,TL431不導通UC3842⑦腳電位上升,UC3842重新啟動,周而復始。當短路現象消失后,電路可以自動恢復成正常工作狀態(tài)。
3、下圖是中功率短路保護電路,其原理簡述如下:
當輸出短路,UC3842①腳電壓上升,U1 ③腳 電位高于②腳時,比較器翻轉①腳輸出高電位,給 C1充電,當C1兩端電壓超過⑤腳基準電壓時 U1⑦腳輸出低電位,UC3842①腳低于1V,UCC3842 停止工作,輸出電壓為0V,周而復始,當短路 消失后電路正常工作。R2、C1是充放電時間常數, 阻值不對時短路保護不起作用。
4、 下圖是常見的限流、短路保護電路。其工作原理簡述如下:
當輸出電路短路或過流,變壓器原邊電流增大,R3 兩端電壓降增大,③腳電壓升高,UC3842⑥腳輸出占空 比逐漸增大,③腳電壓超過1V時,UC3842關閉無輸出。
5、下圖是用電流互感器取樣電流的保護電路
有著功耗小,但成本高和電路較為復雜,其工作原 理簡述如下: 輸出電路短路或電流過大,TR1次級線圈感 應的電壓就越高,當UC3842③腳超過1伏,UC3842 停止工作,周而復始,當短路或過載消失,電路自行恢復。
七、輸出端限流保護:
上圖是常見的輸出端限流保護電路,其工作原理簡述如上圖:當輸出電流過大時,RS(錳銅絲)兩端電壓上升,U1③腳電壓高于②腳基準電壓,U1①腳輸出高電壓,Q1導通,光耦發(fā)生光電效應,UC3842①腳電壓降低,輸出電壓降低,從而達到輸出過載限流的目的。
八、輸出過壓保護電路的原理
輸出過壓保護電路的作用是:當輸出電壓超過設計值時,把輸出電壓限定在一安全值的范圍內。當開關電源內部穩(wěn)壓環(huán)路出現故障或者由于用戶操作不當引起輸出過壓現象時,過壓保護電路進行保護以防止損壞后級用電設備。
應用最為普遍的過壓保護電路有如下幾種:
1、可控硅觸發(fā)保護電路:
如上圖,當Uo1輸出升高,穩(wěn)壓管(Z3)擊穿導通,可控硅(SCR1)的控制端得到觸發(fā)電壓,因此可控硅導通。Uo2電壓對地短路,過流保護電路或短路保護電路就會工作,停止整個電源電路的工作。當輸出過壓現象排除,可控硅的控制端觸發(fā)電壓通過R對地泄放,可控硅恢復斷開狀態(tài)
2、光電耦合保護電路:
如上圖,當Uo有過壓現象時,穩(wěn)壓管擊穿導通,經光耦(OT2)R6到地產生電流流過,光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光,從而使光電耦合器的光敏三極管導通。Q1基極得電導通, 3842的③腳電降低,使IC關閉,停止整個電源的工作,Uo為零,周而復始,。
3、輸出限壓保護電路: 輸出限壓保護電路如下圖,當輸出電壓升高,穩(wěn)壓管導通光耦導通,Q1基極有驅動電壓而道通,UC3842③電壓升高,輸出降低,穩(wěn)壓管不導通,UC3842③電壓降低,輸出電壓升高。周而復始,輸出電壓將穩(wěn)定在一范圍內(取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值)。
4、輸出過壓鎖死電路:
5、工作原理
輸入電壓經L1、L2、L3等組成的EMI濾波器,BRG1整流一路送PFC電感,另一路經R1、R2分壓后送入PFC控制器作為輸入電壓的取樣,用以調整控制信號的占空比,即改變Q1的導通和關斷時間,穩(wěn)定PFC輸出電壓。L4是PFC電感,它在Q1導通時儲存能量,在Q1關斷時施放能量。D1是啟動二極管。D2是PFC整流二極管,C6、C7濾波。PFC電壓一路送后級電路,另一路經R3、R4分壓后送入PFC控制器作為PFC輸出電壓的取樣,用以調整控制信號的占空比,穩(wěn)定PFC輸出電壓。
十、輸入過欠壓保護:
1、 原理圖:
2、 工作原理
AC輸入和DC輸入的開關電源的輸入過欠壓保護原理大致相同。保護電路的取樣電壓均來自輸入濾波后的電壓。 取樣電壓分為兩路,一路經R1、R2、R3、R4分壓后輸入比較器3腳,如取樣電壓高于2腳基準電壓,比較器1腳輸出高電平去控制主控制器使其關斷,電源無輸出。另一路經R7、R8、R9、R10分壓后輸入比較器6腳,如取樣電壓低于5腳基準電壓,比較器7腳輸出高電平去控制主控制器使其關斷,電源無輸出。
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