《开关电源培训》PPT课件

开关电源的基本原理培训教材RCC变换器的工作原理 RCC变换器是一种利用间歇振荡器构成自激振荡的回扫式变换器。RCC：Ringing choke converter 回扫式变换器指变压器在回扫期间传递能量 RCC广泛用于50W以下的开关电源中RCC的基本电路VTRsVDRLVoViN11N21N12T1V2IcVCERCC的工作流程 接通电源后，Rs为VT的基极提供电流 VT的集电极开始稍有电流 因变压器的电感作用Ic从零开始上升 此时输入电压Vi加到绕组N11上 变压器的初级绕组N11因有电流流过而产生感生电势RCC的工作流程 各绕组亦因此感应到与其匝数相应的电动势 正反馈绕组N12开始为VT的基极供电 VT的基极电流增大 此时绕组N21上也感应到相应的电压，其极性为上负下正，二极管VD反偏，次级无电流流过 因正反馈作用，N11绕组中的电流Ic以单调函数增大，即Ic=(Vi/L)t 式中Ic为集电极电流，L为N11的电感，t为时间RCC工作流程 因正反馈绕组提供的电压是有限的，故其提供的基极电流也是有限的 另外，集电极电流的放大倍数Ic/Ib也是有限的 电流上升到一定值时就停止增大了，变压器中的磁通也就不再变化 此时通过绕组N11的电流要减小，从而感应出与电流同方向的电动势阻止此电流的减小RCC的工作流程 各绕组的同名端应到正极性的电压 N11下正上负，N12下正上负，N21上正下负 VD正偏，负载中有电流流过 N12的下正上负的极性使VT反偏截止 VT上加有很高的电压，为Vi和N11的回扫电压之和RCC的工作流程 当Ic减小到0，VD中无电流流过，所有绕组的电压为0 N12的电压也为0，VT脱离反偏状态 接着，Vi再通过Rs为VT提供基极电流 电路重复上述工作过程，开始新一轮的振荡RCC的工作波形 Ic VCE iD死区时间TOFFTONRCC的工作波形V2磁通 RCC方式的回扫变换器主要作用是传递励磁电流产生的能量 VT导通期间磁通增加，变压器蓄积能量 截止期间，释放出蓄积的能量，磁通恢复到初始值 磁通增加量B=(Vi/N11xS)TON 磁通减少量B=(V2/N21xS)TOFF V2=N21/N11xTON/TOFFxVi磁通 由上式可知，当N21和N11和Vi恒定时，输出电压V2与TON及TOFF有关，控制其比值就可使输出电压输出稳定 TON及TOFF之比称为占空比振荡频率 ICP=(Vi/L1)TON 集电极电流上升到峰值时，变压器蓄积能量，其能量也是振荡期间Ts供给的输入功率 P1Ts=1/2L1(ICP)2=1/2x(Vi2/L1)xTON2 f=1/2L1P1Vi/(1+N21Vi/N11V2)2 由上式可知，无论Vi是变化，还是P1变化，振荡频率都跟着改变 RCC的振荡频率一般选在20KHz以上控制电路 开关电源的控制电路有间接控制电路和直接控制电路两类 本公司的产品一般采用直接控制电路 控制电路的作用是当输入电压或负载电流改变时改变开关管的导通时间，从而使输出电压保持稳定控制电路原理图RsVD3Q1Q2C1C2R1R2VD1R3R4PC1R5R6TL431R7R8AVD2C3C4N11N12N21控制电路的工作过程 绕组N12的交流电压对电容C2反复进行充放电 Q1导通期间，C2上的电压升高，若升高到，Q2导通，则Q1截止 也就是说，Q1的导通期间与C2上的电压升高的的期间是一致的，这样，Q1导通期间由C2的充电期间决定，也决定了Q1的集电极电流的峰值（充电时间常数C2R2）控制电路的工作过程 当因某种原因输出端的电压发生变化时，精密电压基准TL431通过采样电阻R7，R8感知此一变化，并通过PC1把此一变化反馈回初级侧的控制电路 具体的过程为当输出电压升高时，IR10增大，流过TL431 AK端的电流增大，PC1中的发光二极管发光强度增大，流过光敏三极管电流增大，A点电位升高，Q2基极电压提前升到，Q2导通，Q1截止，TON减小，从面使电压保持稳定 当输出电压减小时，控制过程和电压升高的过程相反基极驱动电路VT1C1R2VT2R1C2VD1VT3VT1VT2R2VD1C1N12一般的方法宽输入电压相对应的方法基极驱动电路 一般的方法中，接入二极管VD1和电容C1，这是因为若只接入电容，那只能用交流来驱动基极，而接二极管后，可有直流驱动基极，因此能获得较长的导通时间 当输入电压的范围较宽时，若采用一般的方法驱动基极，R2上消耗的功率过大，不实用，可考虑采用第二种方法，电路中VT3为恒压驱动晶体管栅极驱动电路Q1Q2R1C1N12DZQ1Q2R1N12DZ图1图2VD1栅极驱动电路图1 Q1截止期间，C1以正反馈绕组N12感应的负电压充电（下正上负），Q1导通期间，它与正反馈绕组的正电压（上正下负）之和加到Q1的栅极 当Q1的漏极电流达到峰值时，栅极电压可能超过10V 若栅极电压达不到10V，RDON就会变大 栅极额定电压一般为+/-30V,为防止栅极电压超过额定值，电路中接入DZ（24V）。栅极驱动电路图2 图2中去掉了电容，电阻R1和VD1并联构成栅极驱动电路 R1的作用是使ID上升时有一个斜率，从而减小Di/Dt VD1的作用是使MOSFET截止时其极间电容上的电荷能快速泄放，使其尽快截止RCD电路C1R1VD1Q1ViRCD电路 在正激式电路中的作用为使变压器蓄积的能量释放出来，即使磁通恢复到初始值 目前本公司的产品均为反激式开关电源 在反激式电路中的作用为保护开关管，使之免受开关管截止时的高压（Vi+变压器在开关管截止瞬间产生的感生电势）的损害 电路中，C的取值越大，电压尖峰越低PWM回扫变换器电路原理图PWM控制器VCCGNDFBCLTL431VOUTPWM回扫变换器特点 PWM：Pulse-Width Modulation 脉宽调制 外围元件较少 振荡频率固定 辅助绕组的极性和初级的极性相反 用PWM取代了控制电路中的部分DIP元件 其工作方式有电流连续和电流不连续两种 辅助线圈的整流方式有前向式和后向式两种PWM控制器的功能 电源引脚VCC 驱动引脚Vout 反馈引脚FB 电流限制引脚CL 接地引脚GND 决定振荡周期的引脚CT和RT 外接软起动电容的引脚CS 过电压保护引脚SDPWM回扫变换器基本电路的电压电流波形TD漏源电压二极管电流漏极电流栅极电压DCMCCMTONTOFFTONDCM和CCM DCM电流不连续模式 CCM电流连续模式 由上图可知，在DCM下，除开关管有电流流通期间TON以及整二极管有电流流通期间TOFF外，还有不连续期间TD 在不连续模式下工作时其输出电压可参照RCC的公式计算，但式中的是TOFF次级二极管导通时间 负载较轻时会出现电流不连续期间PWM电压控制工作原理 PWM比较器-控制TON的电路+-PWM输出A1FB比较器输入比较器输出逆变器输出FB电压三角波电压PWM电压控制工作原理 当输出电压高于设定值时，光电耦合器发光元件二极管流经的电流增大，发光强度增强，于是PC中受光元件光敏三极管集电极电压降低，因PWM比较器A1的同相端加的是三角波电压，从而输出脉冲宽度变窄，TON导通时间变短，则输出电压降低。当输出电压降低时，与上述过程相反PWM电压控制工作原理 对于电流连续工作方式，负载电流变化时，TON不一定改变，因TON恒定可使电流增大这是直接控制峰值电流的方式，它比改变TON来控制峰值电流方式的响应速度更快OCP振荡器RSRS触发器PWM闭锁脉冲输出Q1R1RS+-A1Q1的峰值电流=Vz/RsVZ电流限制图1OCP振荡器RSRS触发器PWM闭锁脉冲输出Q1Rs+-A1Q1的峰值电流=VR/RsVR电流限制图2OCP 对于RCC变换器，开关管导通时流经开关管中的电流必须从零开始升，若TON的最大时间已经确定，就可防止发生过流 但是当输入电压下降较大时，绕组N12感应的正向电压也下降，从而使开关管导通的时间变长而造成变压器饱和 对于PWM回扫变换器，因周期TS是恒定的，不会发生RCC的上述现象，然而，虽然设计到额定负载时为DCM，若过负载，就变为CCM,即使TON的最大时间已经设定，电流还会增大，有时会使变压器饱和，故仍需要设OCP电路OCP 图1中当Q1的电流增大时，IRS增大，若IRS大于VZ，则比较器输出高电平，RS触发器置位输出PWM闭锁脉冲，Vout输出低电平，开关管截止，输出电压降低 下一个开关脉冲使RS触发脉冲复位，仅这周期间开关管截止。此种限流作用称为Pulse by pulse current limitation 图2中电路的工作原理和图1相似PWM的启振和停振电压N11N12Q2Q3VCCVCCC1a.启动电流较大时b.启动电流较小时启振电压停振电压t1C1上的电压RSPWM的启振和停振电压 图a中，启振前输入电源通过Q2为VCC提供电压。启振后，由N12绕组感应的电压经整流滤波后提供，同时Q2截止 对于大多数PWM集成控制器，启振电压设定较高，停振电压设定较低，还要设法使启动电流较小，此时可使用图b的电路 图b中，接通电源时，输入电压经电阻RS对C1充电，C1的电压升高到启振电压时电路开始振荡PWM辅助绕组的整流方式 前向耦合式，感应电压与输入电压成正比，若输入电压下降，VCC也跟着下降，降到停振电压时，振荡电路停止工作，这种输入电压低而使振荡器停振的电路称为低输入禁止电路 后向耦合式，感应电压与输出电压成正比，若过负载引起输出电压下降，VCC也跟着下降，降到停振电压时，振荡电路停止工作，停振后，通过RS的电流为C1充电，充电电压上升到启振电压后又开始振荡，但因辅助绕组感应的电压低，C1的电压线性下降，停止振荡。周期保护方式开关电源的保护电路 过电流保护电路，除了前述的OCP外，还有在电路中串接熔断丝等方法，串接熔断丝的方法反应较慢 OVP过电压保护电路，一般采用使开关电源停止工作的方式进行保护 UVLO欠电压保护电路，通常采用关断型电路 OPP过功率保护电路