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正文內(nèi)容

開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析(編輯修改稿)

2024-12-08 06:47 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 300~415V 左右,因而不需要倍壓電路,電容是耐壓值 400V 左右的規(guī)格。 】 開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析 第 12 頁 共 101 頁 圖 13: 兩顆巨大的電解電容組成的倍壓器 圖 14: 拆下來看看 在倍壓器的一側(cè)可以看到整流橋。整流橋可以是由 4 顆二極管組成,也可以是有單個元器件組成,如圖 15 所示。高 瓦數(shù) 電源的整流橋一般都會安置在專門的散熱片上。 開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析 第 13 頁 共 101 頁 圖 15: 整流橋 在一次側(cè)部分通常還會配備一個 NTC 熱敏電阻 ——一種可以根據(jù)溫度的變化改變電 阻值的電阻器。NTC 熱敏電阻是 Negative Temperature Coefficient 的縮寫形式。它的作用主要是用來當(dāng)溫度很低或者很高時重新匹配供電,和陶瓷圓盤電容比較相似,通常是橄欖色。 【 注: NTC 熱敏電阻的工作原理如下。 在計算機(jī)冷啟動時會產(chǎn)生一個很大的浪涌電流,可能燒毀電源和主機(jī)內(nèi)部,而 NTC 熱敏電阻具有負(fù)的溫度系數(shù),阻值對溫度呈負(fù)指數(shù)關(guān)系,零功率下有一個較高的阻值而工作溫度下阻值接近零。因而在冷啟動初始時 NTC 電阻串入電路可以將浪涌電流大部分抑制掉。當(dāng)計算機(jī)工作少許時間后, NTC 電阻溫度上 升到工作區(qū)間,自身阻值下降到很低的數(shù)值可以忽略不計,不會對輸出電流產(chǎn)生影響,可以避免過多功耗。 采用熱敏電阻抑制浪涌的一個缺點是,當(dāng)?shù)谝淮瓮姇r需要花一些時間讓其電阻下降到工作阻值。如果此時交流輸入過小,調(diào)整也就無法形成足夠的升溫期。再者,當(dāng)關(guān)斷電源后快速地重新接通時,熱敏電阻還未完全冷卻,將部分喪失浪涌抑制功能。這也就是為何短暫地關(guān)掉又開啟電源是有害操作的原因,除非有針對這種情況的專門設(shè)計。 電源的防浪涌電流設(shè)計還有其它幾種方式。串聯(lián)普通電阻而非熱敏電阻是小功率應(yīng)用中的一種簡單做法,但是在電流增大時顯然導(dǎo) 通損耗會比較大。對于大功率變換器可采用有源抑制電路,在啟動之后使用雙向三極晶閘管或繼電器將抑制電阻旁路掉,對晶閘管或繼電器的工作方式需要合適的電路來控制。 】 ? 主動式 PFC【有源 PFC】 電路 毫無疑問,這種電路僅可以在配有主動 PFC 電路的 電源 中才能看到。圖 16 描述的正是典型的 PFC 電路: 開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析 第 14 頁 共 101 頁 圖 16: 主動式 PFC 電路圖 主動式 PFC 電路通常使用兩個功率 MOSFET開關(guān)管 。這些開關(guān)管一般都會安置在一次側(cè)的散熱片上。為了易于理解,我們用在字母標(biāo)記了每一顆 MOSFET 開關(guān)管: S 表示源極( Source)、 D 表示漏極 ( Drain)、G 表示柵極( Gate)。 PFC 二極管是一顆 功率二極管 ,通常采用的是和功率晶體管類似的封裝技術(shù),兩者長的很像,同樣被安置在一次側(cè)的散熱片上,不過 PFC 二極管只有兩根針腳。 PFC 電路中的電感是電源中最大的 電感 ;一次側(cè)的濾波電容是主動式 PFC 電源一次側(cè)部分最大的電解電容 ; 圖 16 中的電阻器是一顆 NTC 熱敏電阻 ,可以更加溫度的變化而改變電阻值,和二級 EMI 的 NTC熱敏電阻起相同的作用。 【 PFC 輸出電容 :容量通常要比被動式的主電容要小很多】 主動式 PFC 控制電路通?;谝活w IC 集成電路 ,有時候這種 集成電路 同時會負(fù)責(zé)控制 PWM 電路(用于控制開關(guān)管的閉合)。這種 集成電路 通常被稱為 ―PFC/PWM bo‖. 照舊,先看一些實例。在圖 17 中,我們將一次側(cè)的散熱片去除之后可以更好的看到元器件。 右 側(cè)是瞬變?yōu)V波電路的二級 EMI 電路,上文已經(jīng)詳細(xì)介紹過; 左側(cè),全部都是主動式 PFC 電路的組件。由于我們已經(jīng)將散熱片去除,所以在圖片上已經(jīng)看不到 PFC 晶體管以及 PFC 二極管了。此外,稍加留意的話可以看到,在整流橋和主動式 PFC 電路之間有一個 X 電容(整流橋散熱片底部的棕色元件)。 通常情況下,外形酷似陶制圓盤電容的橄欖 色熱敏電阻都會 包著熱縮管 。 我們剛剛提到,這個電源當(dāng)中能找到的最大個的線圈通常是有源 PFC 的線圈。 開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析 第 15 頁 共 101 頁 圖 17: 主動式 PFC 元器件 圖 18 是一次側(cè)散熱片上的元件。 左邊是 PFC 電路的一對功率 MOSFET 和功率二極管 ; 右側(cè)還能看到這臺電源的兩個主開關(guān)管(這里是 MOSFET) , 下面我們將重點介紹開關(guān)管 …… 圖 18: 開關(guān)管、功率二極管 開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析 第 16 頁 共 101 頁 ? 開關(guān) 晶體 管 開關(guān) 電源 的開關(guān)逆變級可以有多種模式,我們總結(jié)了 下面最常見的 幾種 模式 : 模式 開關(guān)管數(shù)量 二極管數(shù)量 電容數(shù)量 變壓器針腳 (原邊) 單端正激 1 1 1 4 雙管正激 2 2 0 2 半橋 2 0 2 2 全橋 4 0 0 2 推挽 2 0 0 3 當(dāng)然了,我們只是分析某種模式下到底需要多少元器件,事實上當(dāng)工程師們在考慮采用哪種模式時還會收到很多因素制約。 目前最流行的兩種模式 是 雙管正激( twotransistor forward)和 半 橋式( 原文是 pushpull)設(shè)計,兩者均使用了兩顆開 關(guān) 管。這些被 安置在一次側(cè)散熱片上的開 關(guān) 管我們已經(jīng)在上一頁有所介紹,這里就不做過多贅述。 以下是這五種模式的設(shè)計圖: 圖 19: 單端正激( Singletransistor forward configuration) 開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析 第 17 頁 共 101 頁 圖 20: 雙管正激( Twotransistor forward configuration) 圖 21: 半橋( Half bridge configuration) 開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析 第 18 頁 共 101 頁 圖 22: 全橋( Full bridge configuration) 圖 23: 推挽( Pushpull configuration) 【 通常情況下單端反激式的用得比較多,而單端正激式的用得少。 單端正激式開關(guān)電源中通常用繞組復(fù)位,而也加 CD 來進(jìn)行尖峰吸收。至于為什么要用繞組復(fù)位 ,因為單端的開關(guān)電源繞組中的電流是脈沖,單向,而非雙向的交流。 因此,正激式變壓器開關(guān)電源的變壓器的體積要比反激式變壓器開關(guān)電源的變壓器的體積大。 單端反激式的開關(guān)電源由于原邊產(chǎn)生的磁通與副邊產(chǎn)生的磁通方向正好相反,所以可以抵消。但當(dāng)原邊截副邊導(dǎo)通的時候原邊會產(chǎn)生反射電壓,為了防止反射電壓的疊加引起開關(guān)管( MOS 管)損壞,因為要加上鉗位二極管。 單端正激式的開關(guān)電源由于原邊與副邊是同時導(dǎo)通和截止的,輸出端要加一個電感器儲存能量,輸出這個電感量越大,折算到原邊的電感量也大使原邊電流越小。在原邊必須附加一個 去磁繞組加二極管進(jìn)行去磁開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析 第 19 頁 共 101 頁 復(fù)位,因為單端正激式開關(guān)電源的高頻變壓器磁通工作在磁滯回線的一側(cè)必須要遵循磁通復(fù)位的原則。如果不加去磁繞組,在變壓器中儲存的能量將導(dǎo)致開關(guān)管( MOS 管)承受很高的電壓幅值,并且在瞬態(tài)過程中高頻變壓器的漏感引起的關(guān)斷電壓尖峰值也會疊加在開關(guān)管上,這樣很容易就將功率開關(guān)管擊穿了。所以必須加去磁繞組電路將原邊的高壓限制在允許范圍內(nèi)。 12V/15A開關(guān)電源如果不做 PFC最好用反激式,做起來簡單,不用復(fù)位繞組,輸出也無需加續(xù)流二極管。而且輸入電壓范圍可以很寬,如 60V300VAC 都可以正常工 作。 通 常做的開關(guān)電源,反激式一般做到 250W 以下, 250W 到 2500W 用半橋,再大就用全橋 【也有 說 100W內(nèi)用反激 ,500W 內(nèi)用正激 ,500W 以上用諧振 】 。 正激管子耐壓也要比反激的用得高,成本也會更高,還要加續(xù)流。 反激式可做小功率 , 成本低 , 調(diào)試相對簡單些 , 所以在小功率電源中常用 . 原理 : 就是一個通過儲能再通過變比進(jìn)行變壓的,一個是直接通過變比進(jìn)行變壓的。 正激初級繞組同名端都是正極所以叫正激 ; 反激一個在正,一個在負(fù)所以叫反激。 輸出 : 正激須增加輸出儲能電感 , 且整流部分需增加續(xù)流二極管 ; 反激不 用增加輸出儲能電感 , 因為能量能儲存在次級線圈中 ; 正激和反激最重要的區(qū)別是變壓器初次級的相位是反相的 ; 正激與反激的工作最大區(qū)別是 , 當(dāng)開關(guān)管關(guān) 斷時, 正激的輸出主要靠儲能電感和續(xù)流二級管來維持輸出 ; 而反激的輸出主要靠變壓器次級釋放能量來維持輸出 ( 方波電壓加到變壓器的一次時,變壓器的二次不輸出電壓 ) 正激電路是在初級電流的上升過程,次級的電流也跟著上升,這時的電路圖同名端個相同。反激電路的初級電流上升作為磁勢儲存在磁芯內(nèi)部,當(dāng)初級電流下降,所儲存磁勢通過次級二極管釋放。即初級有電時次級沒有電。初級沒有電時次 級有電。 簡單說:開關(guān)管與整流管同時開的是正激,因此變壓器不需要存磁能,可以降低體積提高功率; 反之是反激,主繞組先保存磁能,在開關(guān)管關(guān)閉后通過整流管泄放磁能,因此變壓器要大; 正激在電流不連續(xù)時會使輸出電壓不穩(wěn),因此不能空載工作; 主要就是變壓器工作方式不同。簡單的說就是開關(guān)管打開的時候工作的是正激。關(guān)斷時工作的是反激。 ? 【 半橋,全橋,反激,正激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的區(qū)別和特點 】 單端正激式 開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析 第 20 頁 共 101 頁 單端 ——通過一只開關(guān)器件單向驅(qū)動脈沖變壓器; 正激 ——脈沖變壓器的原 /付邊相位關(guān)系,確保在開關(guān)管導(dǎo)通, 驅(qū)動脈沖變壓器原邊時,變壓器付邊同時對負(fù)載供電。 該電路的最大問題是:開關(guān)管 T 交替工作于通 /斷兩種狀態(tài),當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時,脈沖變壓器處于 “空載 ”狀態(tài),其中儲存的磁能將被積累到下一個周期,直至電感器飽和,使開關(guān)器件燒毀。圖中的 D3 與 N3 構(gòu)成的磁通復(fù)位電路,提供了泄放多余磁能的渠道。 單端反激式 反激式電路與正激式電路相反,脈沖變壓器的原 /付邊相位關(guān)系,確保當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通,驅(qū)動脈沖變壓器原邊時,變壓器付邊不對負(fù)載供電,即原 /付邊交錯通斷。脈沖變壓器磁能被積累的問題容易解決,但是,由于變壓器存在漏感,將 在原邊形成電壓尖峰,可能擊穿開關(guān)器件,需要設(shè)置電壓鉗位電路予以保護(hù)D N3 構(gòu)成的回路。從電路原理圖上看,反激式與正激式很相象,表面上只是變壓器同名端的區(qū)別,但電路的工作方式不同, D N3 的作用也不同。 推挽(變壓器中心抽頭)式 這種電路結(jié)構(gòu)的特點是:對稱性結(jié)構(gòu),脈沖變壓器原邊是兩個對稱線圈,兩只開關(guān)管接成對稱關(guān)系,輪流通斷,工作過程類似于線性放大電路中的乙類推挽功率放大器。 開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析 第 21 頁 共 101 頁 主要優(yōu)點:高頻變壓器磁芯利用率高(與單端電路相比)、電源電壓利用率高(與后面要敘述的半橋電路相比)、輸出功率大、 兩管基極均為低電平,驅(qū)動電路簡單。 主要缺點:變壓器繞組利用率低、對開關(guān)管的耐壓要求比較高(至少是電源電壓的兩倍)。 全橋式 這種電路結(jié)構(gòu)的特點是:由四只相同的開關(guān)管接成電橋結(jié)構(gòu)驅(qū)動脈沖變壓器原邊。 圖中 T T4 為一對,由同一組信號驅(qū)動,同時導(dǎo)通 /關(guān)端; T T3 為另一對,由另一組信號驅(qū)動,同時導(dǎo)通 /關(guān)端。兩對開關(guān)管輪流通 /斷,在變壓器原邊線圈中形成正 /負(fù)交變的脈沖電流。 主要優(yōu)點:與推挽結(jié)構(gòu)相比,原邊繞組減少了一半,開關(guān)管耐壓降低一半。 主要缺點:使用的開關(guān)管數(shù)量多,且要求參數(shù)一致 性好,驅(qū)動電路復(fù)雜,實現(xiàn)同步比較困難。這種電路結(jié)構(gòu)通常使用在 1KW 以上超大功率開關(guān)電源電路中。 半橋式 電路的結(jié)構(gòu)類似于全橋式,只是把其中的兩只開關(guān)管( T T4)換成了兩只等值大電容 C C2。 開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析 第 22 頁 共 101 頁 主要優(yōu)點:具有一定的抗不平衡能力,對電路對稱性要求不很嚴(yán)格;適應(yīng)的功率范圍較大,從幾十瓦到千瓦都可以;開關(guān)管耐壓要求較低;電路成本比全橋電路低等。這種電路常常被用于各種非穩(wěn)壓輸出的 DC變換器,如電子熒光燈驅(qū)動電路中。 ? 變壓器和 PWM控制電路 先前我們已經(jīng)提到,一 臺 PC 電源 一般都會配備 3 個變壓器:個 頭最大的那顆是之前圖 4 和圖 1923上標(biāo)示出來的主變壓器,它的一次側(cè)與開關(guān)管相連,二次側(cè)與整流電路與濾波電路相連,可以提供電源的低壓直流輸出( +12V, +5V, +, 12V, 5V)。 最小的那顆變壓器負(fù)載 +5VSB 輸出,通常也成為待機(jī)變壓器,隨時處于 ―待命狀態(tài) ‖,因為這部分輸出始終是開啟的,即便是 PC 電源處于關(guān)閉狀態(tài)也是如此。 第三個變壓器 是隔離 器,將 PWM 控制 信號耦合到 開關(guān)管 上 。并不是所有的電源都會裝備這個變壓器,因為有些電源往往會配備具備相同功能的光耦 集成電路 。 圖 24: 三 變壓器 結(jié)構(gòu)【 被動 式 PFC 常用】 開關(guān)電源工作原理詳細(xì)解析 第 23 頁 共 101 頁 圖 25: 這臺電源采用的是光耦 集成電路 ,而不是變壓器 【雙
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