自激式开关电源的原理.doc

1、1第 3 章 自激式开关电源的原理与应用自激式开关电源利用调整管、变压器辅助绕组构成正反馈通路，实现自激振荡，再借助反馈信号稳定电压输出。由于调整管兼作振荡管，所以无须专设振荡器，故所用的元器件较少，电路简单、成本低，在一定程度上简化了电路。由于自激式开关电源经济实用，目前仍有较多的电子设备采用自激式开关电源，比如手机充电器、打印机、自动化仪器仪表、电视机和显示器等。本章拟在讲述自激式开关电源基本电路的基础上，以几种变压器耦合型自激式开关电源的电路实例为载体，配合关键点的测试波形，剖析它们的工作原理，希望引领读者进入开关电源的万千世界。3-1 自激式开关电源的工作原理3.1.1 自激式开关电源

2、的特点1自激式开关电源现在所有由市电供电的 AC-DC 设备，几乎全部采用变压器耦合型开关电源，也称为隔离型开关电源。功率管周期性通断，控制开关变压器初级绕组存储输入电源的能量，通过次级绕组进行能量释放。显然，开关电源的输入与输出是通过变压器的磁耦合传递能量的。由于变压器绕组之间是绝缘的，因此初次级绕组完全隔离，即“热地”和“冷地”是绝缘的，且绝缘电阻和抗电强度均可达到很高，这一特点对用电安全尤为重要。若开关管的激励脉冲是由变压器辅助绕组与开关管构成的正反馈环路自激振荡产生的，称为自激式开关电源。由于自激式开关电源的调整管兼作振荡管，因此无须专设振荡器。除非特别说明，本书讲述的自激式开关电源均

3、是指自激式变压器耦合型开关电源，下面就介绍这方面的知识。2自激式开关电源的特点（1）自激式开关电源结构简单，生产制造成本低廉。（2）自激式开关电源的脉冲信号是自激振荡产生的，是一种非固定频率的变换电路，随输入电压和负载变化而变化，轻载时开关频率较高或间歇振荡，满载时频率会自动降低。（3）自激式开关电源在占空比 D 发生改变时，开关管的 与 相对值发生变化，因此CIEUD 变化范围较小，一般小于 50%。（4）自激式开关电源具备一定的自保护功能，一旦负载过重，必然破坏反馈条件，振荡将因损耗过大而减少或和间歇振荡，因此保护电路比较简单，这是自激式开关电源的一大优点。（5）自激式开关电源的电流峰值高

4、、纹波电流大，由于工作频率随输入电压和负载电流变化而变化，在高功率、大电流工作时稳定性差，故仅适宜 60W 以下的小功率场合。由于许多办公设备、手机充电器和仪器仪表等在这个功率范围之下，故自激式开关电源的使用相当普遍。3.1.2 自激式开关电源的工作原理 12如图 3-1 所示为自激式开关电源的基本电路。 是输入交流电压经整流的直流电压；IU是整流电压的滤波电容； 是启动电阻；VT 是功率开关管； 、 与变压器辅助绕组ICBRBRC构成 VT 的振荡电路；T 是开关变压器，初绕绕组用于储能及初、次级组能量耦合，辅助绕组产生正反馈信号；整流二极管 VD 和 组成整流滤波电路，输出平滑的直流电压

5、给负载OCOU供电。LRVD1图 3-1 自激式开关电源的基本电路初始上电时，电阻 给 VT 提供在启动电流开始导通。VT 一旦导通，变压器 T 初级绕组BR因有电流流过而发生自感，自感电动势的方向阻止电流的增大；另一方面，初级绕组同时与次级绕组、辅助绕组发生互感，次级绕组感应动势的方向使二极管 VD 反偏，辅助绕组感应动势的方向加速 VT 导通。当 VT 趋向于截止时，初级绕组因电流减小而 发生自感，自感电动势的方向阻止电流的减小（此时初级绕组与电源电压 顺向叠加） ，次级绕组感应动势的方向使二IU极管 VD 正偏，辅助绕组感应动势的方向加速 VT 截止。电压和电路波形如图 3-2 所示。

6、VT 导通（ ）期间，变压器 T 初级绕组从电源电压ONt蓄积能量；在 VT 截止（ ）期间，变压器 T 蓄积的能量释放给负载。在 VT 从导通到截IUOFt止转换瞬间，变压器初次级绕组依次出现峰值电流 、 2，见图 3-2（a） 、 （b）所示。初、PI1次级绕组均为脉冲电压，且相位相反，见图 3-2（c） 、 （d ）所示。 为整流二极管导通压降，FU是 的正脉冲，等于输出直流 与二极管导通电压 的叠加。 结束时，变压器初级2uOUOt绕组感应电动势 自由振荡返回到零。VT 基极连接的辅助绕组也称正反馈绕组，因变压器互11 有些文献称之为 RCC 变换器，RCC 指 Ringing Cho

7、ke Converter，即阻尼振荡变换器。2 图中 I1P、I 2P 是 i1、i 2 的峰值电流，下标 P 为 peak 首字母。3感产生正反馈信号控制 VT 的通断，即所谓 自激振荡。由上述工作原理可知，自激式开关电源是以功率管和变压器为主要元件组成的开关变换电路，通过自激振荡将直流电变成初级侧的脉冲电压，通过变压器耦合到次级侧，再经二极管整流与电容滤波送往负载电路。在这种电路中，由于功率管起着开关及振荡的双重作用，省去了控制电路，因此电路比较简单。 I1P0AULOCtN2+FVD=/_T图 3-2 电压和电流波形 3 图 3-3 自激式开关电源的等效电路图 3-3 所示为自激式开关电

8、源的分时等效电路， 、 分别为初、次级绕组的电感。图1L2（a） 期间开关管 VT 导通，T 初级绕组两端所加电压为 ，次级侧滤波电容 放电、电ONt IUOC压降低，供给负载输出电流 。这期间，变压器 T 初级绕组从直流电源 吸收能量、电感励Oi I磁；整流二极管 VD 中无电流，故变压器初、次级绕组无相互作用。图（b） 期间开关管 VT 截止，T 初级绕组没有电流，故图中未画出。这期间，初级绕OFt组吸收的能量耦合到次级侧，整流二极管 VD 导通，一边给电容 充电、电压升高，一边给负OC载供电，变压器初级绕组释能、电感消磁。3 一般来说，开关电源的初级绕组电压高、电流小，次级绕组电压低、电

9、流大，而辅助绕组主要起正反馈控制作用，电压与电流均比较小。（a） 期间Ot（b） 期OFt间43.1.3 自激式开关电源简易电路自激式开关电源的简易电路如图 3-4 所示。它由电源输入滤波、整流滤波、启动及主开关、浪涌电压吸收、次级侧整流滤波和稳压检测等电路组成。关于电源输入滤波和整流滤波，在第二章中已经作了详细阐述，下面着重介绍主开关和各种保护电路。 VT1CsRD2LUOA0+_NPSaBE35图 3-4 自激式开关电源的简易电路1主开关电路主开关电路是保证输出电压稳定而通断整流平滑的直流电路，它是开关电源的重要组成部分。对于自激振荡开关电源来说，功率管 VT1 的集电极峰值电流 是决定电

10、源输出功率之值，CPi它由开关管的基极电流 与晶体管基区电荷存储效应时间 4决定。为了方便讲述，这里把基Bi stg极驱动电路单独画出来，如图 3-5 所示。辅助绕组 产生的正反馈电压，使晶体管 VT1 的基极电流按 时间常数衰减，这期间aN1RB等于 ，VT 1 的集电极电流 从零线性增加 5。当 两端电压达到二极管 VD2 的正向压降时，Bi CiC4 存储时间对应晶体管接收到关断信号到集电极电流下降到 90%的时间，也就是饱和时基区的超量存储电荷的消散时间。存储时间与导通时的饱和深度有关，同时也跟关断电压和 dv/dt 有关。饱和度越深存储时间越长。5 VT1 的集电极电流 就是变压器主

11、绕组的电流，电感电流不能突变，要从零线性增加。Ci5电流 经 VD2 流通，这之后因二极管 VD2 的箝位作用， 为零， 等于 ，VT 1 的集电极电Bi 1Bii2B流 继续增加。C tONUI/LPsg.hFE+( )oVTaRD3（a）基极驱动电路 （b）电流波形图图 3-5 基极驱动电路及电流波形图当 VT1 的集电极电流 增加到 之后，在 VT1 存储电荷 期间， 还会继续增加，CiFEBhistgCi若增加接近 （= ）时，在 VT1 基极施加反偏电流，则 VT1 转为截止。CPistgPIFEBLUh/的大小与 有关， 越小 就越大。若这样确定 以后，则当输入电压升高或输出电CP

12、iRCi BR流减小时，有必要使 VT1 基极电流不需要的分量流经其它电路，VT 2 的其中一个作用就是为此而设（另一个用途是过流保护） ，这样就能保持输出电压稳定。电路中，辅助绕组 经 VD3、 整流滤波后给光电耦合器（简称光耦）供电，输出端的aN2电压变化经光耦反馈到输入侧，控制 VT2 分流 VT1 基极电流。当输出电压稍稍升高时，光耦中的 LED 光通量增加，光电管的集电极电流增大，导致 VT2 的基极电压升高，集电极电流增大，形成使 VT1 基极电流 减小的负反馈闭环路。 VT1 基极电流 一旦减小，集电极峰值电流 也Bi Bi CPiVT1 电流放大系数FEh输入整流滤波电压IU变

13、压器主绕组电感量电压PL晶体管基区电荷存储时间stg6减小， 变短，占空比减小，输出电压下降。ONt另一方面， 随输入电压升高、输出电流的减小而变短，因此输入电压最高，输出电流t最小时 最短。若输入电压升高、输出电流又下降某一极限值时，电路就不能维持正常振荡，ONt产生如图 3-6 所示的间歇振荡 ，这时开关变压器会出现振动噪声。为了避免出现间歇振荡，必要时在输出端接假负载。图 3-6 间歇振荡2过流保护电路在电源接通瞬间或输出短路时，光电耦合器停止工作，VT 2 为截止状态，此时正反馈电流全部流经 VT1 的基极。当输入电压较高时，基极电流与输入电压成比例增大，开关管集电极电流也成比例增大，

14、这样，变压器就可能会达致磁饱和状态，VT 1 将因过流而损坏。为了保护VT1 始终工作于安全工作区，有必要设置过流保护电路，防止开关管集电极无节制地增大。如图 3-7 所示是几种过流保护电路实例。最常见的是 图（a）所示电路，采用专用的过流保护晶体管；图（b）所示电路用两只二极管替代晶体管，保护效果不如前者。在图（a）中，若过流检测电阻 压降接近 VT2 的 时， VT2 开始导通，分流 VT1 的基ERBEU极电流，防止 VT1 电流过大。显然， 电阻 阻值愈小、检测的动作电流愈大。在许多自激式开关电源中，该电阻取值为几欧姆以下，功率为 12W。即便如此，一旦发生短路等严重故障，被烧毁的现象

15、仍然非常普遍。在图（b）中，当 VT1 基极电压大于两只二极管的串联死区压ER降时二极管导通，分流 VT1 的基极电流，防止 VT1 电流过大。7RVT1E2（ a）晶体管保护 （b）二极管保护图 3-7 过电流保护电路实例自激式开关电源简易电路的过流保护采用图 3-7（a）方案， 如图 3-8 所示。toUC0.6I/LPhFiB+()sgON（a）过流保护电路 （b）工作波形图 3-8 过流保护电路及工作波形当开关管 VT1 的集电极电流增加时，若过流检测电阻 两端电压接近 VT2 的 （VT 2ERBEU的 达到 1.2V 以上） ，则 VT1 的基极电流被 VT2 分流，从而限制了 V

16、T1 的集电极电流 的增CEU Ci加，达到保护的目的。VT2 的 在数值上等于 VT1 的 与 的压降之和， VT1 的 基本为常数， 的压EBEUBEER降是 VT1 发射极电流 在 上作用的结果。由图 3-8（b ）可以看出， 前沿 VT2 的 电iERONtCU压上冲幅度较大，但此时 VT1 的集电极电流 为零，由于 = + ，因此这个上冲幅度较大CiEiCBi的电压是 在 上的体现，可见在 前沿基极电流 相当之大（即 的初始分量 ） 。BiEONtB 1Bi当基极电流按阻容时间常数衰减并进入相对稳定值，集电极电流 从零线性增加，且 增CiCVT1 电流放大系数FE输入整流滤波电压IU

17、变压器主绕组电感量电压PL晶体管基区电荷存储时间sg8加量远大于 的稳定值（即 的后续分量 ） ，故在 前沿的转瞬之后，VT 1 发射极电流BiBi2BiONt近似于 的幅度增大。由此可见，VT 2 的 由导通瞬间的急速增大、快速下降，进而以近EiC CEU似于 斜率上升。3漏感电压尖峰吸收电路在反激式开关电源中，开关变压器兼起储能电感的作用，变压器磁芯处于直流偏磁状态。为防止磁芯饱和需要较大的气隙，因此漏感比较大，电感值也相对较低。当功率管由导通变成截止时，变压器的绕组上会产生尖峰电压，该电压是由变压器漏感（即漏磁产生的自感）形成的，它与直流电压 和感应电压叠加后很容易损坏功率管。为此，必须

18、增加箝位保护电路，对IU尖峰电压进行箝位与吸收。通常使用 RCD 吸收电路加在变压器初级绕组两端，如图 3-9 所示。二极管 VD1 导通期间，开关管 VT1 两端的电压 是输入电压 与吸收电路中电容 充CEUI SC电电压 之和。二极管 VD1 导通瞬间，流经二极管 VD1 的电流 峰值很大，等于开关管关断S Si时变压器主绕组的峰值电流 ，但平均电流小。由波形可知，二极管 VD1 的电流斜率很陡CPi（di/dt 较大） ，故需要选用噪声特性良好的高压、高速二极管，比如快恢复，超快恢复二极管（不能用肖特基二极管，因其反向耐压较低） 。此外，与其并联的小电容可以改善二极管 VD1的噪声特性。

19、 VTsRDo+/( ).输入整流滤波电压IU输出整流滤波电压O变压器主绕组匝数PN变压器次级绕组匝数S9（a）吸收电路 （b）工作波形图 3-9 吸收电路及工作波形4输出整流滤波电路输出整流滤波电路是由整流二极管、电解电容和电感组成，如图 3-10 所示。流经整流二极管的电流与功率管集电极电流变化趋势相反，在 前沿最大，随后线性下降。输出电流有效OFt值为平均电流的 1.41.6 倍。整流二极管上的反向电压为输出电压的 23 倍。U+_NSiCPoDI/().（a）输出整流滤波 （b）工作波形图 3-10 输出整流滤波电路及工作波形5稳压检测电路稳压检测电路是由光电耦合器、精密基准电源 TL

20、431 和几个阻容元件组成，如图 3-11（a）所示。稳压电路的作用把输出电压的变化转化为光电耦合器中光敏二极管发光量变化，该变光敏三极管的等效电阻，影响脉宽调制管的起控电压，进从控制调整管的占空比，最终稳定输出电压。在许多情况下，光电耦合器中的光敏二极管会并联一个电阻（1k 以下） ，如图中虚线框内所示，这样 TL431 的工作电流比不并联电阻时要大，使 TL431 工作在线性区。另外，阻容电路（电阻与电容位置可以互换）并联于 TL431 的调整端（C）与参考端（R ）之间，可以起到频率补偿之用。若把 TL431 内部功能框图与外面阻容电路结合在一起画出来，如图 3-11（b）所示。少量电路中，不用电阻，直接用一只电容，其作用同此。若忽略 TL431 参考端的输入电流，则输出电压 为OUREFOV31式中，V REF 是 TL431 参考端（R）对地电压，也是 TL431 内部的基准电压，V REF =2.5V。输入整流滤波电压IU输出整流滤波电压O二极管导通电压F变压器主绕组匝数PN变压器次级绕组匝数S10UO+_NSVR13refAnodCathTL4（a）稳压检测 （b）TL431 频率补偿电路图 3-11 稳压电路