反激電源電路分析

最近在某寶買了一個(gè)AC-DC 開關(guān)電源，向他要一個(gè)原理圖，想著哪里壞了可以自己修一修，結(jié)果說沒有。這我怎么能忍？？于是自己就結(jié)合網(wǎng)上資料和板子的絲印畫出了他的原理圖。

原理圖如下：

開關(guān)電源基礎(chǔ)知識(shí)

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電子電力技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率。維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM) 控制 IC 和MOSFET構(gòu)成。

開關(guān)電源的類型

線性穩(wěn)壓器

所謂線性穩(wěn)壓器，也就是我們所說的LDO,一般有這兩個(gè)特點(diǎn)：

• 傳輸元件工作再線性區(qū)，它沒有開關(guān)的跳變。

• 僅限于降壓轉(zhuǎn)換。

開關(guān)穩(wěn)壓器

• 傳輸器件開關(guān)（場效應(yīng)管），在每個(gè)周期完全接通和完全切斷的狀態(tài)。

• 里面至少包括一個(gè)電能儲(chǔ)能的元件，如電感或電容。

• 多種拓?fù)洌ń祲?，升壓，降?升壓）。

我們知道，所有的能量都不會(huì)憑空消失，損耗的能量最終都會(huì)以熱的形式傳遞出去，這樣，電路中就需要增加更大的散熱片。結(jié)果電源的體積就會(huì)變大，并且整機(jī)的效率也很低。

如果在開關(guān)模式的開關(guān)電源，不僅可以提高效率，還可以降低熱管理。

什么是開關(guān)穩(wěn)壓器？

開關(guān)穩(wěn)壓器，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，就需要控制系統(tǒng)（負(fù)反饋），從自動(dòng)控制理論中我們知道，當(dāng)電壓上升時(shí)，通過負(fù)反饋把他降低，當(dāng)電壓下降時(shí)，就把它升上去。這樣就形成了一個(gè)控制的環(huán)路，如PWM（脈寬控制），PFM（頻率控制）等。

脈寬調(diào)制方式（PWM）

周期性的改變開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間的簡單方法

占空比：開通的時(shí)間 Ton 與開關(guān)周期 T 的比值，Ton(開通時(shí)間) + Toff(關(guān)斷時(shí)間) = T(開關(guān)周期)。占空比 D = Ton / T 。

但是，我們不能采用一個(gè)脈沖輸出，需要一種實(shí)現(xiàn)能量流動(dòng)平穩(wěn)化的方法。通過很多的脈沖，高頻的切換，將再開關(guān)接通期間存儲(chǔ)能量，而在開關(guān)切斷時(shí)提供能量的方法，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)。

電子行業(yè)中，兩種儲(chǔ)能元件

實(shí)例，簡化的降壓開關(guān)電源

如圖，是一個(gè)簡化的降壓開關(guān)電源，為了方便電路分析，先不加入反饋控制部分。

狀態(tài)1：當(dāng) S1 閉合時(shí)，輸入的能量從C1 ，通過S1 --> 電感器L1 --> 電容器C2 --> 負(fù)載RL供電，此時(shí)，電感器L1同時(shí)也在 儲(chǔ)存能量，可以得到 加載L1上的電壓為 ：Vin - V0 = L*di/dton。

狀態(tài)2：當(dāng) S2 關(guān)斷時(shí)，由于電感儲(chǔ)存能量，( 電感阻礙電流的變化，與電流的方向一致，變化時(shí)，將電感理解為一個(gè)電壓源，該電壓源輸出的電流與原來的一致。)因此，從電感器L1儲(chǔ)存的能量 --> 電容器C2 --> 負(fù)載RL --> 二極管D1。此時(shí)可得式子：L*di/dtoff = V0。

最后我們得出 V0/Vin = D

各個(gè)器件的作用：

1、電容C1 : 用于使輸入電壓平穩(wěn)。

2、電容C2：負(fù)責(zé)輸出電壓平穩(wěn)。

3、鉗位二極管：在開關(guān)開路時(shí)，為電感器提供一條電流通路。

4、電感器 L1：用于存儲(chǔ)即將傳送置負(fù)載的能量。

反激式變換器

反激式變換器是由 Buck-Boost 變換器推演而來，將電感變換一個(gè)隔離變壓器，就可以得到下圖的反激式變換器。

反激的重要波形

當(dāng)開關(guān)管開通，電感的電流上升，可以看出，它的電流圖形和 BUCK-BOOSK的圖形是非常相似的，它的區(qū)別就是一個(gè)原副邊的匝數(shù)比，這里也可以看做變壓器就是一個(gè)電感的作用。

單端反激式開關(guān)電源

單端反激式開關(guān)電源如圖所示，電路中所謂的單端是指高頻變化器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè)。所謂的反激，是指開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，高頻變壓器T初級(jí)繞組的感應(yīng)電壓為上正下負(fù)，整流二極管D1處于截止?fàn)顟B(tài)，再初級(jí)繞組中存儲(chǔ)能量。當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，變壓器T初級(jí)繞組中存儲(chǔ)的能量，通過次級(jí)繞組激VD1整流和電容C濾波后向負(fù)載輸出。

單端反激式開關(guān)電源是一種成本最低的電源電路，輸出功率為20－100Ｗ，可以同時(shí)輸出不同的電壓，且有較好的電壓調(diào)整率。唯一的缺點(diǎn)是輸出的紋波電壓較大，外特性差，適用于相對(duì)固定的負(fù)載。

單端反激式開關(guān)電源使用的開關(guān)管VT1承受的最大反向電壓是電路工作電壓值的兩倍，工作頻率在20－200kHz之間。

原理框圖

原理解析

EMI電路（瞬態(tài)濾波電路）

市電接入PC開關(guān)電源后，首先進(jìn)入的就是瞬態(tài)濾波電路。

所謂的 EMI 就是電磁干擾，通常采用共模濾波器，其中包括共模電容，不平衡變壓器或者共模電感。共模電容將兩個(gè)輸入線的共摸電流旁路到大地，共摸電感呈現(xiàn)一個(gè)平衡阻抗，也就是說，電源線和地線中阻抗相等，這個(gè)阻抗對(duì)共模噪聲呈現(xiàn)阻抗特性。

共模濾波器的作用是消除開關(guān)電源特有的"開關(guān)干擾"，以保證設(shè)備自身和電網(wǎng)中的其他設(shè)備免除干擾。

原理圖：

F1 : 保險(xiǎn)管，電流過大時(shí)，保護(hù)電路。

R1 R2 : 放電電阻，給這部分濾波放電，使用多個(gè)電阻是為了分散承受放電的功率。

C11 : X電容，對(duì)差模干擾起濾波作用，也就是輸入的兩端。

L1 : 共模電感，衰減共模電流。

整流濾波電路

交流電，經(jīng)過整流橋整流后，經(jīng)過C2濾波后得到較為純凈的直流電壓。若C2容量變小，輸出的交流紋波將增大。

電容充放電圖：

NTC 熱敏電阻：在電路的輸入端串聯(lián)一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻增加線路的阻抗，這樣可以有效的抑制開機(jī)時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓形成的浪涌電流。

當(dāng)電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，由于線路中持續(xù)工作電流引發(fā) NTC 發(fā)熱，使得電阻器的電阻值變得很小，對(duì)線路造成的影響可以完全忽略。

芯片啟動(dòng)電路

CR6842具有2中啟動(dòng)方式：

(1) 傳統(tǒng)啟動(dòng)方式：使用VDD作啟動(dòng)引腳時(shí)，芯片支持整流前啟動(dòng)與整流濾波后啟動(dòng)，啟動(dòng)電路如下：

(2) 具有OCP補(bǔ)償功能的啟動(dòng)方式：使用3腳VIN作為啟動(dòng)引腳時(shí)芯片具有OCP補(bǔ)償功能，但僅支持從整流濾波后啟動(dòng)的方式，如下所示：

原理解析：

OCP補(bǔ)償功能的啟動(dòng)，

左側(cè)，當(dāng)系統(tǒng)的輸入電壓發(fā)送變化時(shí)，通過啟動(dòng)電阻流經(jīng)Vin端的電流也會(huì)發(fā)生變化，芯片通過檢測該端口變化值來自動(dòng)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，使系統(tǒng)達(dá)到恒定功率輸出的目的。

右側(cè)，當(dāng)電源上電開機(jī)時(shí)，通過啟動(dòng)電阻R11給 VDD端的電容C1 充電，直到VDD端口電壓達(dá)到芯片的啟動(dòng)電壓 Vth(ON) （典型值 16.5V）時(shí)，芯片才被激活并且驅(qū)動(dòng)整個(gè)電源系統(tǒng)正常工作。

開關(guān)ON通路與電流檢測（限流保護(hù)）

開關(guān)電源ON的通路，其中R8為工作電流檢測電阻。

R9 與 C5 構(gòu)成R-C網(wǎng)絡(luò)，避免由于Sense 端的電流反饋信號(hào)前沿噪聲干擾持續(xù)時(shí)間超過芯片內(nèi)置的前沿消隱（LEB）時(shí)間導(dǎo)致系統(tǒng)性能異常。

推薦R-C網(wǎng)絡(luò)的取值：R<680Ω ，C < 1000pF。

開關(guān)OFF通路

能量不可能憑空消失，因此需要一個(gè)回路來釋放電感存儲(chǔ)的能量，開關(guān)OFF時(shí)，通過二極管D6 電阻R10 釋放能量，此處的電容與電阻并聯(lián)，為了避免開關(guān)管的高頻信號(hào)影響直流分量信號(hào)，起濾波作用。

加速關(guān)斷驅(qū)動(dòng)

MOS管一般都是慢開快關(guān)。在關(guān)斷瞬間驅(qū)動(dòng)電路能提供一個(gè)盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓快速泄放，保證開關(guān)管能快速關(guān)斷。

為使柵源極間電容電壓的快速泄放，常在驅(qū)動(dòng)電阻上并聯(lián)一個(gè)電阻和一個(gè)二極管，如上圖所示，其中D1常用的是快恢復(fù)二極管。這使關(guān)斷時(shí)間減小，同時(shí)減小關(guān)斷時(shí)的損耗。Rg2是防止關(guān)斷的時(shí)電流過大，把電源IC給燒掉。

開關(guān)管工作頻率

CR6842 允許設(shè)計(jì)者依據(jù)系統(tǒng)的使用環(huán)境自行調(diào)制系統(tǒng)的工作頻率，CR6842的典型工作頻率為65KHZ，其應(yīng)用電路如下：

如上，我們設(shè)置的工作頻率為 fpwm = 1742 / 24 = 72.58KHZ。

同步整流濾波電路

D5 為整流二極管，保證單向?qū)ā?/span>

C6 與 R12 串聯(lián)組成吸收回路與二極管并聯(lián)，其作用是抑制方向峰值電壓（削弱尖峰）對(duì)二極管的造成耐壓不足引起損壞。

也就是我們所說的緩沖電路：

L3 為續(xù)流電感，避免負(fù)載電流的突變，起到平滑電流作用。

電容 C4 C7 C8 為輸出濾波。

光耦和TL431聯(lián)合用在開關(guān)電源中的電壓反饋電路

TL431 工作原理如下：

上圖中的431不是用于穩(wěn)壓，而是用作一個(gè)電壓門限開關(guān)，它與R14，R15一起檢測+12V電壓的變化，當(dāng)+12V電壓升高時(shí)，431的K極和A極短接，然后將光耦發(fā)光二極管的陰極接地，光耦導(dǎo)通，電源芯片（TMG0165）的第一管腳（FB）被拉低，芯片便調(diào)整輸出占空比，使+12V電壓降低。當(dāng)+12V降低時(shí)，光耦不導(dǎo)通，電源芯片 FB 端為高電平，調(diào)整輸出占空比，使+12V升高。

TL431 原理框圖：

TL431 用作穩(wěn)壓電路時(shí)，典型電路如下：

當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，431會(huì)將變化的電壓通過電流的作用轉(zhuǎn)化到輸入端的電阻上，其過程為：當(dāng)輸入端電壓升高時(shí)，431的 K 極與 A 極之間的三極管 CE極電流增大，即 Ik電流變大（而 R1 和 R2 上的電流不變）輸入端的電阻壓降升高，從而保證 VKa 不變。當(dāng)輸入端電壓降低時(shí)，431 的 K極和 A極 之間的三極管 CE極電流減少，即 Ik電流減少（而 R1 和 R2 上的電流不變），輸入端的電阻壓降減少，從而保證 VKa 不變。