1. 各方框功能
1 输入电网滤波器消除和防止来自电网的各种干扰如电动机的启动各种电器的开和关所引起的电火花雷击产生的干扰等同时又防止开关电源产生的高频电磁干扰向电网扩散
2 输入电压整流滤波电路将电网交流电压进行整流滤波向直流/交流变换器提供纹波较小的直流电压而且当电网瞬间停电时电容器储存的能量可使开关电源输出电压维持一定的时间有利于计算机进行数据保护
3 直流_/交流变换器是开关电源的关键部件它把未稳定的直流电压300V变成高频脉冲电压高频脉冲变压器可起到输入电网与输出端隔离作用另外还可储能变压
4 高频脉冲整流滤波电路将变换器输出的高频脉冲电压进行整流滤波得到所需要的直流输出电压可获得多路输出同时还可防止高频噪声对负载的干扰
5 控制电路检测直流输出电压与基准电压进行比较放大调制振荡器输出的脉冲宽度从而控制变换器以保持输出直流电压的稳定一般控制电路还包括软启动及停止电路
6 保护电路在开关电源发生过压过流或短路时保护电路使开关电源停止工作以保护负载和开关电源本身有的还发出报警信号
7 辅助电源为控制电路和保护电路提供满足一定技术要求的直流电源以保证它们工作稳定可靠辅助电源可以是独立的计算机电源多数采用也可以由开关电源本身提供显示器电源采用
2. 直流_/交流变换器的五种形式
直流/交流变换器可以分为单管正激式单管反激式半桥式全桥式推挽式五图中前两种电路相对比较简单元件少但输出功率也相对低些单管反激式开关电源在显示器中得到广泛的应用半桥式和推挽式开关电源在微型计算机中得到了广泛应用而全桥式开关电源因为电路太复杂元器件也多因此它的成本高可靠性低在显示器和计算机中都不采用这五种电源的变换器均有自激式和它激式两种
3. 变换器式或并联型开关
这种电源与串联线性电源串联开关电源相比较有如下特点
1 体积小重量轻由于不用电源变压器只用一个高频脉冲变压器所以与前两种电源比较体积和重量都小得多一般为20 30%
2 功耗小效率高功率开关管工作在开关状态电流小功耗小而且控制功率也小因此效率高一般可达到60 85% 而且当电网电压和输出电压在较大范围内变化时功耗变化不大因此效率没多大变化
3 不容易出现过压现象串联线性和串联开关电源尤其是串联线性电源输入输出电压值相差大串联功率开关管一旦击穿全部输入电压都加到负载上由于电压高上升速率又快过压保护电路来不及动作就可能损坏负载而无工频变压器开关电源即并联型开关电源不论开关管断开还是击穿其输出电压都会下降到零没有过压现象发生即使控制电路发生故障引起输出电压升高但上升速率缓慢过压保护电路能动作及时切断输出电压况且控制电路的故障率相对要小得多
4 电网电压突然断电输出电压维持时间长在额定负载下输出电压的额定值能维持几十毫秒以上便于计算机实现信息保护
5 输出电压可给出任意值而且可获得多路输出
6 电路复杂使用的元件多由于采用集成电路元器件的数量也相应减少
7 输出电压纹波大产生的干扰强串联线性电源得到1 毫伏以下的纹波电压是不困难的而开关电源一般为10 100mV 开关电源产生的尖峰电压频率高能量大易损坏开关管而且也产生干扰
8 瞬态响应差串联线性电源一般为10 微秒到几百微秒开关电源为毫秒数量级电压输出幅度变化也大
二单管自激型反激式开关电源工作原理
1. 工作原理
所谓自激型和它激型的概念要搞清楚自激型变换器实际上是一个自激间歇振荡器它激型变换器是一个它激间歇振荡器这两种变换器都得到了广泛的应用在显示器中后一种变换器将逐步取代前种图1.90 为自激型反激式变换器的基本电路图1.91 是基本电路的电压和电流波形图该电路是利用变压器耦合而形成正反馈的自激振荡电路Np 为变压器的初级线圈Nb为基极反馈线圈Ns 为次级线圈R1 为启动电阻为基极提供初始直流注入电流Q 为功率开关管Re 为负反馈电阻起稳压作用D2 为输出整流二级管C2 为滤波电容RL为等效负载电路当输入电压接通后300V 经启动电阻R1 给开关管Q 的基极以正偏置使其导通集电极电流流过变压器初级线圈Np 由于初级线圈Np 和基极线圈Nb 之间的耦合作用基极线圈中将产生感应电压该电压使基极电流增加基极电流增加又使集电极电流进一步增加基极线圈感应电压也进一步增加这就形成了一个强烈的正反馈过程见下面流程图结果Q 很快地由内阻很高的截止状态变为内阻很低的饱和状态管压降Uce 接近零其工作状态波形图正反馈过程图1.91 电流电压波形图中a.集电极电压波形b.初级线圈Np 中电流波形c.铁芯中磁通变化波形d.次级线圈Ns 中电流波形e.整流二极管D2 上的电压波形图1.92 晶体管Q 工作点轨迹但是由于这是一个突变过程变压器初级线圈Np 呈现出的阻抗很低因此Q 饱和时的集电极电流仍很小Q 的损耗亦很小此时Q 的工作状态相当于图1.92 中的a 点位置Q 导通期间是饱和的饱和压降Uces 很小因此实际上输入电压Ui 几乎全部加到变Up UbIbIc Icc压器初级线圈Np 两端而此电压保持不变初级线圈中的电流与两端电压的关系是Up=Lp dtdipIp= ??UpdtLIpt当Up = Ui 时可求初级线圈电流为Ip= 0piI tLU ?式中I0 为初级线圈的初始电流在此处很小可忽略不计又因Ip = Ic 即Ic=piLN由上式可以看出初级线圈中的电流也称磁化电流线性上升即Q 的集电极电流线性上升波形如图1.91 b 所示这时基极反馈线圈Nb 两端感应电压为Ub=pbNNUi所以Ub 也是固定不变的它为Q 提供一个几乎不变的基极电流Ib 这时Q 的工作状态是沿着图1.92 中Ib 不变的一根曲线由a 点移动到b 点当集电极电流一直上升到满足下列关系式时Ic = hff Ib这时Q 开始退出饱和区向截止状态转换集电极电压上升变压器初级线圈两端的电压下降基极电流减小集电极电流也随之减小因此所有线圈两端的电压反向这又形成一个强烈的正反馈过程见下面流程图正反馈过程结果使Q 很快进入截止状态达到图1.92 中C 点并停留在C 点上由于次级线圈Ns的极性关系Q 导通时整流二极管D2 是截止的这时输入能量以磁能的形式储存于初级线圈Np 中待Q 截止时D 开始导通线圈中储存的能量开始释放一部分向电容C 充电另一部分传送给负截一直到次级电流Is 线性下降到零波形如图1.91 d 所示这时储存的能量全部放完由于变压器磁芯内的磁通减少因而初级线圈又开始出现与前相反的感应电动势基极电压经过电阻分压重新处于正偏置Q 由截止转为导通开始了第二个周期Q 的工作点由C 点又回到a 点上述过程重复出现根据该电路的这种能量转换状态又称单管电感储能式直流变换器开关晶体管导通时间由下式计算Ton=icmUILp式中Icm 为晶体管集电极峰值电流也是变压器的磁化电流 Ib IC Ucc UP Ub IbUi 为输入电压Lp 为变压器初级线圈电感量输出电压可由下式计算U0=psNNoofonTTUi=n1??1Ui由上式可知当输入电压Ui 一定时只要选取不同的匝数比n 及占空比??即可得到不同的输出电压U0 而变压器制成后匝数比n 固定因此只要改变占空比值即可得到 稳定的输出电压U0 ?值越高输出电压随着升高但是升高对晶体管耐压也要求升高电源的输出纹波亦增大因此不能取得太高一般为0 0.5
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