开关电源电路组成及常见各模块电路资料 (2).doc

1.1 课题背景1.1 开关电源发展历史开关稳压电源（以下简称开关电源）取代晶体管线性稳压电源（以下简称线性电源）已有30多年历史，最早出现是串联型开关电源，其主电路拓扑及线性电源相仿，但功率晶体管了作于开关状态后，脉宽调制（PWM）控制技术有了发展，用以控制开关变换器，得到PWM开关电源，它特点是用20kHz脉冲频率或脉冲宽度调制—PWM开关电源效率可达 65～70％，而线性电源效率只有30～40％在发生世界性能源危机年代，引起了人们广泛关往线性电源工作于工频，因此用工作频率为20kHZPWM开关电源替代，可大幅度节约能源，在电源技术发展史上誉为20kHZ革命 随着ULSI芯片尺寸不断减小，电源尺寸及微处理器相比要大得多；航天，潜艇，军用开关电源以及用电池便携式电子设备（如手提计算机，移动等）更需要小型化，轻量化电源因此对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容体积重量要小此外要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等2 开关电源基本原理2.1 PWM开关电源基本原理开关电源工作过程相当容易理解性电源中，让功率晶体管工作性模式，及线性电源不同是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断状态。

在这两种状态中，加在功率晶体管上伏安乘积总是很小（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）功率器件上伏安乘积就是功率半导体器件上所产生损耗及线性电源相比，PWM开关电源更为有效工作过程是通过“斩波”，即把输入直流电压斩成幅值等于输入电压幅值脉冲电压来实现脉冲占空比是开关电源控制器来调节一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来生高或降低通过增加变压器二次绕组数就可以增加输出电压组数最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压控制器主要目式保持输出电压稳定，其工作过程及线性形式控制器很类似也就是说控制器功能模块电压参考和误差放大器，可以设计成及线性调节器相同它们不同之处在于，误差放大器输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压脉冲转换单元开关电源有两种主要工作方式：正激式变换和升压式变换尽管它们各部分布置差别很少，但是工作过程相差很大，在特定场合下个有优点正激式变换器优点式：输出电压纹波峰峰值比升压式变换器低，同时可以输出比较高功率，正激式变换器可以提供数千瓦功率升压式变换器中峰值电流较高，因此只适合功率不大于150W应用场合，在所有拓扑中，这类变换器所用元器件最小，因而在中小功率应用场合中和流行。

开关电源工作原理是:第一 交流电源输入经整流滤波成直流;第二 通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上;第三 开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载;输入PFI滤波器和浪涌抑制器输入整流和滤波反馈网络启动、IC供电和驱动电电路保护电路整流与滤波变压器功率开关控制器驱动VCC地地保护抑制输出Vin(DC)Vout(DC)第四 输出部分通过一定电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出目.3 PWM开关电源组成模块开关电源主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等3.1输入电路原理及常见电路3.1.1 AC 输入整流滤波电路原理① 防雷电路：当有雷击，产生高压经电网导入电源时，由MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1 组成电路进行保护当加在压敏电阻两端电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，F1、F2、F3 会烧毁保护后级电路② 输入滤波电路：C1、L1、C2、C3组成双π型滤波网络主要是对输入电源电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生高频杂波对电网干扰。

当电源开启瞬间，要对 C5充电，由于瞬间电流大，加RT1（热敏电阻）就能有效防止浪涌电流因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，一定时间后温度升高后RT1阻值减小（RT1是负温系数元件），这时它消耗能量非常小，后级电路可正常工作③ 整流滤波电路：交流电压经BRG1整流后，经C5滤波后得到较为纯净直流电压若C5容量变小，输出交流纹波将增大3.2.2 DC 输入滤波电路原理① 输入滤波电路：C1、L1、C2组成双π型滤波网络主要是对输入电源电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生高频杂波对电网干扰C3、C4 为安规电容，L2、L3为差模电感② R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7组成抗浪涌电路在起机瞬间，由于 C6存在Q2不导通，电流经RT1构成回路当C6上电压充至Z1稳压值时Q2导通如果C8漏电或后级电路短路现象，在起机瞬间电流在RT1上产生压降增大，Q1导通使 Q2没有栅极电压不导通，RT1将会在很短时间烧毁，以保护后级电路3.2功率变换电路1、 MOS管工作原理：目前应用最广泛绝缘栅场效应管是MOSFET（MOS管），是利用半导体表面电声效应进行工作。

也称为表面场效应器件由于它栅极处于不导电状态，所以输入电阻可以大大提高，最高可达105欧姆，MOS管是利用栅源电压大小，来改变半导体表面感生电荷多少，从而控制漏极电流大小2、 常见原理图：3、工作原理：     R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2组成缓冲器，和开关MOS管并接，使开关管电压应力减少，EMI减少，不发生二次击穿在开关管Q1关断时，变压器原边线圈易产生尖峰电压和尖峰电流，这些元件组合一起，能很好地吸收尖峰电压和电流从R3测得电流峰值信号参及当前工作周波占空比控制，因此是当前工作周波电流限制当R5上电压达到1V时，UC3842停止工作，开关管Q1立即关断 R1和Q1中结电容CGS、CGD一起组成RC网络，电容充放电直接影响着开关管开关速度R1过小，易引起振荡，电磁干扰也会很大；R1过大，会降低开关管开关速度Z1通常将MOS管GS电压限制在18V以下，从而保护了MOS管 Q1栅极受控电压为锯形波，当其占空比越大时，Q1导通时间越长，变压器所储存能量也就越多；当Q1截止时，变压器通过D1、D2、R5、R4、C3释放能量，同时也达到了磁场复位目，为变压器下一次存储、传递能量做好了准备。

IC根据输出电压和电流时刻调整着⑥脚锯形波占空比大小，从而稳定了整机输出电流和电压 C4和R6为尖峰电压吸收回路3.3推挽式功率变换电路Q1和Q2将轮流导通3.3.1有驱动变压器功率变换电路：    T2为驱动变压器，T1为开关变压器，TR1为电流环3.4输出整流滤波电路 3.4.1正激式整流电路T1为开关变压器，其初极和次极相位同相D1为整流二极管，D2为续流二极管，R1、C1、R2、C2为削尖峰电路L1为续流电感，C4、L2、C5组成π型滤波器3.4.2反激式整流电路T1为开关变压器，其初极和次极相位相反D1为整流二极管，R1、C1为削尖峰电路L1为续流电感，R2为假负载，C4、L2、C5组成π型滤波器3.4.3同步整流电路工作原理：当变压器次级上端为正时，电流经 C2、R5、R6、R7使Q2导通，电路构成回路，Q2 为整流管Q1栅极由于处于反偏而截止当变压器次级下端为正时，电流经C3、R4、R2使 Q1导通，Q1为续流管Q2栅极由于处于反偏而截止L2为续流电感，C6、L1、C7组成π 型滤波器R1、C1、R9、C4为削尖峰电路3.5稳压环路原理1、反馈电路原理图：2、工作原理：    当输出 U0升高，经取样电阻R7、R8、R10、VR1分压后，U1③脚电压升高，当其超过U1②脚基准电压后 U1①脚输出高电平，使Q1导通，光耦OT1发光二极管发光，光电三极管导通，UC3842①脚电位相应变低，从而改变U1⑥脚输出占空比减小，U0降低。

当输出 U0降低时，U1③脚电压降低，当其低过U1②脚基准电压后U1①脚输出低电平，Q1不导通，光耦OT1发光二极管不发光，光电三极管不导通，UC3842①脚电位升高，从而改变U1⑥脚输出占空比增大，U0降低周而复始，从而使输出电压保持稳定调节VR1可改变输出电压值    反馈环路是影响开关电源稳定性重要电路如反馈电阻电容错、漏、虚焊等，会产生自激振荡，故障现象为：波形异常，空、满载振荡，输出电压不稳定等 3.6短路保护电路1、在输出端短路情况下，PWM控制电路能够把输出电流限制在一个安全范围内，它可以用多种方法来实现限流电路，当功率限流在短路时不起作用时，只有另增设一部分电路2、短路保护电路通常有两种，下图是小功率短路保护电路，其原理简述如下：    当输出电路短路，输出电压消失，光耦OT1不导通，UC3842①脚电压上升至5V左右，R1及R2分压超过TL431基准，使之导通，UC3842⑦脚VCC电位被拉低，IC停止工作UC3842停止工作后①脚电位消失，TL431不导通UC3842⑦脚电位上升，UC3842重新启动，周而复始当短路现象消失后，电路可以自动恢复成正常工作状态3、下图是中功率短路保护电路，其原理简述如下：当输出短路，UC3842①脚电压上升,U1 ③脚 电位高于②脚时，比较器翻转①脚输出高电位，给 C1充电，当C1两端电压超过⑤脚基准电压时 U1⑦脚输出低电位，UC3842①脚低于1V，UCC3842 停止工作，输出电压为0V，周而复始，当短路 消失后电路正常工作。

R2、C1是充放电时间常数， 阻值不对时短路保护不起作用4、 下图是常见限流、短路保护电路其工作原理简述如下：当输出电路短路或过流，变压器原边电流增大，R3 两端电压降增大，③脚电压升高，UC3842⑥脚输出占空 比逐渐增大，③脚电压超过1V时，UC3842关闭无输出5、下图是用电流互感器取样电流保护电路，有着功耗小，但成本高和电路较为复杂，其工作原理简述如下：输出电路短路或电流过大，TR1次级线圈感 应电压就越高，当UC3842③脚超过1伏，UC3842 停止工作，周而复始，当短路或过载消失，电路自行恢复3.7输出端限流保护上图是常见输出端限流保护电路，其工作原理简述如上图：当输出电流过大时，RS（锰铜丝）两端电压上升，U1③脚电压高于②脚基准电压，U1①脚输出高电压，Q1导通，光耦发生光电效应，UC3842①脚电压降低，输出电压降低，从而达到输出过载限流目3.8输出过压保护电路原理     输出过压保护电路作用是：当输出电压超过设计值时，把输出电压限定在一安全值范围内当开关电源内部稳压环路出现故障或者由于用户操作不当引起输出过压现象时，过压保护电路进行保护以防止损坏后级用电设备应用最为普遍过压保护电路有如下几种： 1、可控硅触发保护电路：如上图，当Uo1输出升高，稳压管（Z3）击穿导通，可控硅（SCR1）控制端得到触发电压，因此可控硅导通。

Uo2电压对地短路，过流保护电路或短路保护电路就会工作，停止整个电源电路工作当输出过压现象排除，可控硅控制端触发电压通过R对地泄放，可控硅恢复断开状态 2、光电耦合保护电路：如上图，当Uo有过压现象时，稳压管击穿导通，经光耦（OT2）R6到地产生电流流过，光电耦合器发光二极管发光，从而使光电耦合器光敏三极管导通Q1基极得电导通， 3842③脚电降低，使IC关闭，停止整个电源工作，Uo为零，周而复始， 3、输出限压保护电路：输出限压保护电路如下图，当输。