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创易AC-DC RCC3W开关电源工作原理

(2010-08-17 13:24:02)
标签:

绕组

开关三极管

二极管

自激

it

本文由华禹同事所写,博主指导、修改

一:AC_220V输入部分

AC_220VCON1/CON2J1进入后,经过R100(降低C100初始充电电流冲击和保险丝的作用)送至由D103/D104/D105/D106组成的桥式整流把220V交流变换为+300V左右的直流电压,最后由C100400V/4.7uF)滤波。

整流滤波原理图:

创易AC-DC <wbr>RCC3W开关电源工作原理 

二:自激变换部分:

1:启动过程

+300V直流供电(实际值和输入的交流电压有关系,这里只是命名)由R106通过Q100b-e到地形成Q100Ib(约0.35mA),由Ib引起Q100Ic电流由0逐渐线性增大到1.2mA左右(选用的MJE13003HFE30-40倍左右)。

2:自激振荡过程:

由于开关管的导通,使+300V直流电压几乎全部加载到初级绕组上,形成上正下负的正激电压(此时初级线圈中的电流线性上升对变压器“充电”)。而初级绕组的正激电压感应到反馈和次级(输出)绕组上的电压极性如下图所示:

创易AC-DC <wbr>RCC3W开关电源工作原理

 

由于次级输出有开关二极管D102存在,变压器正激状态时是不对负载供电的。

 

下图:变压器反馈绕组感应到上负下正的正激电压,这个正激电压通过C103 R107流向Q100的基极和启动电阻R106形成的启动电流相叠加,直接使Q100导通。

 

 创易AC-DC <wbr>RCC3W开关电源工作原理

 

3:截止:

下图是该电源工作时的波形截图,开关管完全导通后,由于电感电流的“滞后”(初级绕组的电流从0开始线性增大),当电感的正激电流上升到电路设计限制值70mA后,在R101上形成0.7V的压降促使Q101导通,Q101导通使Q100电流不能进一步增长,限制在70mA。因为电感电流不能增长,根据愣次定律,反馈电压为0,导致通过Q100的电流迅速降低,而主电感电流根据愣次定律需要继续保持,于是在主线圈产生了相反的电动势,同时通过反馈部分,产生一个截止的电压给Q100,于是Q100进入截止逆转状态。

 

 

 创易AC-DC <wbr>RCC3W开关电源工作原理

 

 

 创易AC-DC <wbr>RCC3W开关电源工作原理

下图是R101两端的波形,红线指示的区间就是变压器初级绕组正激状态时,电流线性增大的过程。

 创易AC-DC <wbr>RCC3W开关电源工作原理

 

由于Q100Q101限制电流,变压器初级绕组(电感)为了保持原有的电流方向不变,在初级绕组两端产生上负下正的自感电动势(反激电压)

 

 

 创易AC-DC <wbr>RCC3W开关电源工作原理

创易AC-DC <wbr>RCC3W开关电源工作原理

 

上图是本电路在加载500mA负载电流时的变压器初级线圈两端的波形图,截图状态时电路直流供电为255V左右,在上图中正激电压约为240V,其中15V的压差是以损耗的形式被开关三极管Vce分压分掉了。

0V基准线以下部分为反激电压。

4:能量输出:

下图:Q100截止后,在次级绕组上建立下图图示的上正下负的反激电压,这个极性可以使肖特基二极管D102导通而向负载供电。

 创易AC-DC <wbr>RCC3W开关电源工作原理

 

下图是变压器次级输出绕组的工作波形,在变压器初级绕组正激状态时(向变压器“充电”),次级绕组感应到较高的反激感应电压,这个电压是要反偏给开关二极管D102的,开关二极管的反向耐压就是根据这个电压来取值的。

变压器初级绕组出于反激状态时,变压器是向负载提供能量的,波形图中可以看到,这个反激电压大概有6.2V,而这个电源实际输出的电压只有5V,而其中的压差大部分是被开关二极管消耗掉了,本电源一大损耗就是这里造成的,为了改善开关二极管造成的损耗,可以选用压降较小的开关二极管或改造电路使之使用同步整流的技术(同步整流部分不在本章讨论之列)。

 

 创易AC-DC <wbr>RCC3W开关电源工作原理

5:重复振荡:

   当变压器中的能量被负载消耗完毕,反馈绕组感应的反激电压接近0V时,对R106提供的启动电流没有限制时,Q100的基极电流再次恢复到初始加电时的启动状态,电路再一次进入到自激振荡的循环当中。就这样周而复始的向负载间歇提供能量。

综上所述:

反馈绕组在这种电路结构中起到以下几种作用(作用和设计需求有关)

1:加速开关三极管的导通(减少三极管线性导通状态的时间)

2:加速开关三极管的截止(减少三极管线性导通状态的时间)

3:提供辅助供电

4:感应负载“轻重”(本文涉及的电路没有使用这个功能)

初级绕组在电路中的主要作用:

1:向变压器注入能量

2:产生的反激电压和直流供电串联对开关三极管造成较大的击穿风险

三:输出负反馈控制流程:

1:副边控制流程:

 

 创易AC-DC <wbr>RCC3W开关电源工作原理

当负载电流变化或其它因素变化引起输出电压VO变高,TL431控制端电压会高于2.5V,这时TL431就会在一定程度上导通引起光电耦合器PC817内发光二极管更亮,R111/R112组成1/2VO取样电路,C108主要是为了改善输出纹波的作用,R110PC817内发光二极管的负载电阻,R105为了降低输出回路的内阻而设(提高输出瞬态响应)。

2:原边控制流程:

创易AC-DC <wbr>RCC3W开关电源工作原理

 

当负载变化或其它因素变动引起输出电压升高时,光电耦合器内的发光二极管发光更亮,PC817内的光敏三极管受到发光二极管照射而导通增强,电容C104上积存的有反馈绕组正激时产生的电能,当光耦C-E导通增强后,C104上积存的电能通过光耦C-ER109使Q101导通,Q101导通后使Q100限流更低,变压器被注入的能力减少后就造成变压器输出电压降低,同样的道理,当输出电压偏低时,变压器能量是靠原边电路自激以最大能力注入的(最大能力受限于Q101最大电流控制和输入电压的高低),所以调试时出现低压供电时输出能力不足就和原边最大功率注入偏低有关系。

 

四:反向脉冲保护:

    反向脉冲保护由C101/R104/D100组成,变压器充电完成(Q100截止后),Q100集电极要承受的电压为供电电压加上变压器初级绕组产生的反激电压,MJE13003Vce最大能承受400V左右的电压,当变压器由于漏感等因素造成反激电压过大(大于150V时),Q100就有可能被击穿,所以增加一个反向脉冲保护电路对反激电压出现的极短时间的脉冲尖峰进行滤除,如果Q100采用Vce耐压更高的三极管,这个保护电路是可以取消的。

五:输出纹波:

   造成输出纹波有以下几种因素:

   1:反激式变换器固有的转换方式造成的纹波

因为反激式变换器都是前半个周期正激充电(不输出能量),而后半个周期向外输出能量的方式供电的,这种方式造成一半左右的时间没有对负载供电,只能靠大容量滤波电容续流,如果电容容量不足够大和内阻偏大时,会造成较大的纹波。

这方面可以通过加大滤波电容容量来改善。

2:电压负反馈回路造成的纹波。

  当电压检测、反馈速度不足够“平滑”时(调整的周期过快或负反馈回路自激振荡),由这部分电路也会造成纹波干扰。这部分纹波可以通过调整电压负反馈回路的时间常数和幅频增益来改善。

3:原边供电质量造成的纹波。

   前级供电是由交流整流变换来的直流,由于供电滤波效果不好也会叠加到输出端。

   这种情况可以采用加大滤波电容容量或多级滤波来改善前级供电。

下图是电源500mA负载时测试到的纹波值(采用470uF电解电容滤波):

 

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