自激式串联开关电源 下载本文

内容发布更新时间 : 2024/3/28 22:28:23星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

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第3章 自激式开关电源的原理

自激式开关电源驱动开关管的信号由自激振荡产生,在一定程度上简化了电路。它所用的元器件少,电路简单成本低。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,比如自动化仪器仪表、视盘机、电视机、显示器、打印机和手机充电器等。

本章在讲述自激式开关电源的基本电路的基础上,以自激式开关电源的电路实例为载体,分析几种变压器耦合型开关电源的工作原理。

∮3-1 自激式开关电源的工作原理

3.1.1 自激式开关电源的特点

1.自激式开关电源的工作原理

(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形成的,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,空载时开关频率可达100kHz,满载时可能会降到20kHz,频率的变化几乎与变压器的匝数和电感量无关。

(3)自激式开关电源的具备了一定的自保护功能,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停振,因此保护电路也比较简单,这是自激式开关电源的一大优点。

(4)自激式开关电源在改变占空比D时,振荡兼开关管的iE与UCE相对值发生变化,因此D变化范围较小,一般不大于0.5。

(5)自激式开关电源的开关电流峰值高、纹波电流大,由于它的工作频率随着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,因此仅用于60W以下的小功率场合。

2.自激式开关电源的类型

自激式开关电源按输入、输出连接方式可分为串联型(降压式非隔离型)、并联型(升压式非隔离型)和变压器耦合型(隔离型)。在变压器耦合型自激式开关电源中,按开关管的连接方式又可分为单管式、推挽式和桥式等。由于自激式并联型属于升压型,实际应用很少,所以,本章我们主要讲述用于AC-DC 变换的自激式中的串联型和变压器耦合型开关电源。

3.1.2 自激式串联型开关电源

1.自激式串联型开关电源的工作原理

自激式串联型开关电源是早期采用的一种开关电源,由于开关管、储能电感与负载串联,其输出电压比输入电压低,也称为降压式非变压器耦合型开关电源。

如图3-1所示为自激式串联型开关电源的结构原理图。CI、CO分别是输入电压UI、输出电压UO的滤波电容;开关管用一个开关符号模拟替代;L为储能电感;VD为续流二极管。电路中还包含采样电路、电压基准、比较放大和脉宽调制电路的功能框图。

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图3-1 自激式串联型开关电源结构原理图

输入直流电压UI经过功率开关管的通断控制,变成周期性矩形波;设周期为T,开关管导通时间为tON,截止时间为tOFF。当开关管导通时,电感L的电压极性为“左正右负”,续流二极管VD反偏截止;电感L中的电流随时间tON线性增大、电感储能;当开关管截止时,电感L的电压极性为“左负右正”,续流二极管VD正偏导通,电感L中的电流随时间tOFF线性减小、电感释能。

为了控制和调节输出电压,用分压器对输出电压采样,送入误差放大器一个输入端,误差放大器另一个输入端接基准电压。两个输入电压进行比较、放大后经脉宽调制电路控制开关管通断时间比,从而调节和稳定输出电压。

2.自激式串联型开关电源的基本电路

自激式串联型开关电源的基本电路如图3-2所示。CI、CO分别是输入、输出电压的滤波电容; VT1为功率开关管;T为储能变压器;VD1为放电二极管;VD2为续流二极管;VT2为脉宽调制管;VT3为误差放大器;R4、R5构成输出电压的采样电路;R6、VS1构成基准电压。 变压器T有两种功能:一是由初级绕组③-④构成储能电感;二是由次级绕组①-②构成脉冲变压器,使VT1可以依靠正反馈作用产生振荡脉冲。

图3-2 自激式串联型开关电源基本电路

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初始上电时,R1给VT1提供启动电流。VT1导通时,T绕组②端输出正极性感应脉冲加到VT1基极,使VT1快速进入饱和;当③-④绕组电流开始下降时,同样的正反馈过程使VT1快速截止,完成一个振荡周期,功率开关管完成一次通断过程。

在上述过程中,R2构成C1的充电通路,同时R2还限制了正反馈电流,防止过大的正反馈电流使VT1进入过饱和状态,增大VT1基区电荷的存储效应①,加大开关管的损耗。VD2构成C1的放电通路,C1的容量对振荡频率影响较大,即使VT1未进入饱和区,在VT1导通期间的正反馈过程中,C1的充电电流小到一定程度,也会迫使VT1截止,提前进入下一个振荡周期。

VT2是VT1导通周期的基极可变分流器,可以控制VT1的导通时间。在VT1振荡过程中,VT1由通态转为止态的转折点是?IB?IC的某一点;在此进程,如果VT2导通、分流VT1基极电流,即可减小IB1,使VT1提前达致转折点,VT1的通态时间变短,储能电感的储能减小,开关电源的输出电压必然降低——这就是VT2的脉宽调制功能。

VT2的导通电流受控于VT3。VT3为误差检测和电流放大管,其发射极接入简单的二极管稳压电路,作为基准电压;输出电压UO由R4、R5采样后送到VT3基极。正常工作时,采样电压比基准电压高一个VT3发射结压降。若某种原因使UO升高时,则VT3发射结压降增大、集电极电流增大,VT3导通电流也增大,控制VT2导通电流也增大,分流更多VT1正反馈的电流,VT1的通态时间变短,输出电压降低。

由于VT2发射极电压几乎等于输入电压UI,故VT2始终工作于放大状态。若VT2饱和,VT1

将截止;若VT2截止,VT1将失去控制,处于R2、C1参数决定的充电过程的最大脉宽状态,造成输出电压异常升高,还会增大VT1的开关损耗甚至于热击穿。

虽然这个电路能够实现降压,但不能完成过大的降压比。因为大幅度地降低电压,必然是尽量缩短VT1的通态时间,这将使得VT1的自激振荡处于临界状态,导致振荡不稳定,输出电压的纹波增大且稳定性也难以保证;同时,VT1的通态时间过短,输出电流也无法增大,所以,这种电源只适合于小功率的负载。

由于晶体管基区电荷的存储效应,发射结电压突变为零时,晶体管并不能立即关断;越是过饱和,基区存储的电荷越多,延时关断的时间越长。