反激式開關電源理論與原理解析

電子芯期天 2023-06-21 07:30

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來源：CSDN 暖暖的糾結?

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

原理圖如下：

開關電源基礎知識

開關電源是利用現代電子電力技術，控制開關管開通和關斷的時間比率。維持穩定輸出電壓的一種電源。開關電源一般由脈沖寬度調制(PWM) 控制 IC 和MOSFET構成。

開關電源的類型

線性穩壓器

所謂線性穩壓器，也就是我們所說的LDO,一般有這兩個特點：

傳輸元件工作再線性區，它沒有開關的跳變。
僅限于降壓轉換。

開關穩壓器

傳輸器件開關（場效應管），在每個周期完全接通和完全切斷的狀態。
里面至少包括一個電能儲能的元件，如電感或電容。
多種拓撲（降壓，升壓，降壓-升壓）。

我們知道，所有的能量都不會憑空消失，損耗的能量最終都會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。結果電源的體積就會變大，并且整機的效率也很低。

如果在開關模式的開關電源，不僅可以提高效率，還可以降低熱管理。

什么是開關穩壓器？

開關穩壓器，實現穩壓，就需要控制系統（負反饋），從自動控制理論中我們知道，當電壓上升時，通過負反饋把他降低，當電壓下降時，就把它升上去。這樣就形成了一個控制的環路，如PWM（脈寬控制），PFM（頻率控制）等。

脈寬調制方式（PWM）

周期性的改變開關的導通與關斷時間的簡單方法

占空比：開通的時間 Ton 與開關周期 T 的比值，Ton(開通時間) + Toff(關斷時間) = T(開關周期)。占空比 D = Ton / T 。

但是，我們不能采用一個脈沖輸出，需要一種實現能量流動平穩化的方法。通過很多的脈沖，高頻的切換，將再開關接通期間存儲能量，而在開關切斷時提供能量的方法，從而實現平穩。

電子行業中，兩種儲能元件

實例，簡化的降壓開關電源

如圖，是一個簡化的降壓開關電源，為了方便電路分析，先不加入反饋控制部分。

狀態1：當 S1 閉合時，輸入的能量從C1 ，通過S1 --> 電感器L1 --> 電容器C2 --> 負載RL供電，此時，電感器L1同時也在儲存能量，可以得到加載L1上的電壓為：Vin - V0 = L*di/dton。

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

最后我們得出 V0/Vin = D

各個器件的作用：

1、電容C1 : 用于使輸入電壓平穩。

2、電容C2：負責輸出電壓平穩。

3、鉗位二極管：在開關開路時，為電感器提供一條電流通路。

4、電感器 L1：用于存儲即將傳送置負載的能量。

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

當開關管開通，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，它的區別就是一個原副邊的匝數比，這里也可以看做變壓器就是一個電感的作用。

單端反激式開關電源

單端反激式開關電源如圖所示，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。所謂的反激，是指開關管導通時，高頻變壓器T初級繞組的感應電壓為上正下負，整流二極管D1處于截止狀態，再初級繞組中存儲能量。當開關管截止時，變壓器T初級繞組中存儲的能量，通過次級繞組激VD1整流和電容C濾波后向負載輸出。

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

單端反激式開關電源使用的開關管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（瞬態濾波電路）

市電接入PC開關電源后，首先進入的就是瞬態濾波電路。

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。共模電容將兩個輸入線的共摸電流旁路到大地，共摸電感呈現一個平衡阻抗，也就是說，電源線和地線中阻抗相等，這個阻抗對共模噪聲呈現阻抗特性。

共模濾波器的作用是消除開關電源特有的"開關干擾"，以保證設備自身和電網中的其他設備免除干擾。

原理圖：

F1 : 保險管，電流過大時，保護電路。

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

C11 : X電容，對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，經過整流橋整流后，經過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一個負溫度系數的熱敏電阻增加線路的阻抗，這樣可以有效的抑制開機時產生的浪涌電壓形成的浪涌電流。

當電路進入穩態工作時，由于線路中持續工作電流引發 NTC 發熱，使得電阻器的電阻值變得很小，對線路造成的影響可以完全忽略。

芯片啟動電路

CR6842具有2中啟動方式：

(1)?傳統啟動方式：使用VDD作啟動引腳時，芯片支持整流前啟動與整流濾波后啟動，啟動電路如下：

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

原理解析：

OCP補償功能的啟動，

左側，當系統的輸入電壓發送變化時，通過啟動電阻流經Vin端的電流也會發生變化，芯片通過檢測該端口變化值來自動實現補償，使系統達到恒定功率輸出的目的。

右側，當電源上電開機時，通過啟動電阻R11給 VDD端的電容C1 充電，直到VDD端口電壓達到芯片的啟動電壓 Vth(ON) （典型值 16.5V）時，芯片才被激活并且驅動整個電源系統正常工作。

開關ON通路與電流檢測（限流保護）

開關電源ON的通路，其中R8為工作電流檢測電阻。

R9 與 C5 構成R-C網絡，避免由于Sense 端的電流反饋信號前沿噪聲干擾持續時間超過芯片內置的前沿消隱（LEB）時間導致系統性能異常。

推薦R-C網絡的取值：R<680Ω ，C < 1000pF。

開關OFF通路

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

加速關斷驅動

MOS管一般都是慢開快關。在關斷瞬間驅動電路能提供一個盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓快速泄放，保證開關管能快速關斷。

為使柵源極間電容電壓的快速泄放，常在驅動電阻上并聯一個電阻和一個二極管，如上圖所示，其中D1常用的是快恢復二極管。這使關斷時間減小，同時減小關斷時的損耗。Rg2是防止關斷的時電流過大，把電源IC給燒掉。

開關管工作頻率

CR6842 允許設計者依據系統的使用環境自行調制系統的工作頻率，CR6842的典型工作頻率為65KHZ，其應用電路如下：

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

同步整流濾波電路

D5 為整流二極管，保證單向導通。

C6 與 R12 串聯組成吸收回路與二極管并聯，其作用是抑制方向峰值電壓（削弱尖峰）對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 為續流電感，避免負載電流的突變，起到平滑電流作用。

電容 C4 C7 C8 為輸出濾波。

光耦和TL431聯合用在開關電源中的電壓反饋電路

TL431 工作原理如下：

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

TL431 原理框圖：

TL431 用作穩壓電路時，典型電路如下：

當輸入電壓變化時，431會將變化的電壓通過電流的作用轉化到輸入端的電阻上，其過程為：當輸入端電壓升高時，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。當輸入端電壓降低時，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。

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