一、開關(guān)電源的電路組成
開關(guān)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(guān)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
1、AC輸入整流濾波電路原理:
①、防雷電路:當有雷擊,產(chǎn)生高壓經(jīng)電網(wǎng)導(dǎo)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,F(xiàn)1、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(wǎng)絡(luò)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(chǎn)生的高頻雜波對電網(wǎng)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阻值減小(RT1是負溫系數(shù)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(jīng)BRG1整流后,經(jīng)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(wǎng)絡(luò)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(chǎn)生的高頻雜波對電網(wǎng)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(dǎo)通,電流經(jīng)RT1構(gòu)成回路。當C6上的電壓充至Z1的穩(wěn)壓值時Q2導(dǎo)通。如果C8漏電或后級電路短路現(xiàn)象,在起機的瞬間電流在RT1上產(chǎn)生的壓降增大,Q1導(dǎo)通使Q2沒有柵極電壓不導(dǎo)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
1、MOS管的工作原理:
目前應(yīng)用最廣泛的絕緣柵場效應(yīng)管是MOSFET(MOS管),是利用半導(dǎo)體表面的電聲效應(yīng)進行工作的。也稱為表面場效應(yīng)器件。由于它的柵極處于不導(dǎo)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(dǎo)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(guān)MOS管并接,使開關(guān)管電壓應(yīng)力減少,EMI減少,不發(fā)生二次擊穿。在開關(guān)管Q1關(guān)斷時,變壓器的原邊線圈易產(chǎn)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(guān)管Q1立即關(guān)斷。R1和Q1中的結(jié)電容CGS、CGD一起組成RC網(wǎng)絡(luò),電容的充放電直接影響著開關(guān)管的開關(guān)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(guān)管的開關(guān)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(dǎo)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(fù)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(jù)輸出電壓和電流時刻調(diào)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(dǎo)通。
5、有驅(qū)動變壓器的功率變換電路:
T2為驅(qū)動變壓器,T1為開關(guān)變壓器,TR1為電流環(huán)。
四、輸出整流濾波電路:
1、正激式整流電路:
T1為開關(guān)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(guān)變壓器,其初極和次極的相位相反。D1為整流二極管,R1、C1為削尖峰電路。L1為續(xù)流電感,R2為假負載,C4、L2、C5組成π型濾波器。
3、同步整流電路:
工作原理:當變壓器次級上端為正時,電流經(jīng)C2、R5、R6、R7使Q2導(dǎo)通,電路構(gòu)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(jīng)C3、R4、R2使Q1導(dǎo)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。
為了保證輸出電壓的穩(wěn)定性,開關(guān)電源通常采用反饋控制機制。輸出電壓通過采樣電路進行采樣,并與設(shè)定的基準電壓進行比較。根據(jù)比較結(jié)果,控制電路調(diào)整開關(guān)器件的導(dǎo)通時間,從而實現(xiàn)對輸出電壓的精確控制。當輸出電壓升高時,控制電路縮短開關(guān)器件的導(dǎo)通時間,減少能量傳遞,使輸出電壓降低;反之,當輸出電壓降低時,控制電路延長開關(guān)器件的導(dǎo)通時間,增加能量傳遞,使輸出電壓升高。
開關(guān)電源的工作原理使其具有許多優(yōu)點。首先,由于開關(guān)器件在導(dǎo)通和關(guān)斷時的損耗相對較小,開關(guān)電源的效率可以達到很高的水平,通常在 80%以上,甚至可以達到 90%以上。其次,開關(guān)電源的工作頻率較高,因此變壓器和濾波電容的體積可以大大減小,使得電源的整體體積和重量得以降低。此外,開關(guān)電源還具有較好的動態(tài)響應(yīng)性能,能夠快速適應(yīng)負載的變化。
總之,開關(guān)電源的工作原理是通過高頻開關(guān)變換和控制技術(shù),將輸入的直流電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的輸出直流電源。它的高效、緊湊和高性能的特點,使其成為現(xiàn)代電子設(shè)備中不可或缺的電源解決方案。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展,開關(guān)電源的性能還將不斷提升,為各種電子設(shè)備的發(fā)展提供更加可靠和強大的動力支持。