SPS线路架构与工作原理课件

,按一下以編輯母片標題樣式,*,按一下以編輯母片,第二層,第三層,第四層,第五層,共,34,頁,;,第,33,頁,SPS,線路架構與工作,原理,SWITCHING POWER SUPPLY,羊艷軍,2008/10,SPS線路架構與工作原理,1,一,.,開關電源基礎概述,電源:只要能供給我們電能的裝置,稱為電源.,電源就其轉換開形式可分為,線性電源,和,非線性電源,(即開關電源),開關電源:用半導體功率器件作為開關,將一種電源形態周期性地轉換為另一種電源形態,且在轉換時用自動控制閉環穩定輸出並有保護環節,則稱為開關電源.,SPS,與,LINER,的優缺點比較:,重量,體積,效率,設計,漣波,SPS,輕,小,高,(60-90%),難,高,(30-200,mV),LINER,重,大,低,(30-40%),易,低,(5-10,mV),一.開關電源基礎概述電源:只要能供給我們電能的裝置,稱為電源,2,二.,SPS,分類,(一). 按電力電子的習慣分類:,1.,AC TO DC,2. DC TO DC,3. DC TO AC,4. AC TO AC,二. SPS分類(一). 按電力電子的習慣分類:,3,(二). 按傳輸能量分類,1. 反激式(返馳式:,Flyback Converter),2.,正激式(順向式:,Forward Converter),3.,推挽式(,Push Pull Converter),4.,半橋式(,Half Bridge Converter),5.,全橋式(,Full Bridge Converter),(二). 按傳輸能量分類1. 反激式(返馳式:Flyback,4,(三). 按配線型態分類,1. 升壓型,2. 降壓型,3. 升降壓型,(三). 按配線型態分類1. 升壓型,5,三.,SPS,共通方框原理圖,AC input,EMI,濾,波電路,高壓整流,濾波電路,隔離,變壓器,低壓整流,濾波電路,DC output,開關管,回授,控制電路,PWM,邏輯,控制電路,三. SPS共通方框原理圖AC inputEMI濾高壓整流隔,6,四,.,开关电源主要組成部分,:,包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路。,四.开关电源主要組成部分:,7,1.,输入电网滤波器：消除来自电网，如电动机的启动、电器的开关、雷击等产生的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。,通常所講的電磁和射頻干擾，簡稱,EMI,2.,输入整流滤波器：将电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流电压。,3.,变换器：是开关电源的关键部分。它把直流电压变换成高频交流电压，并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。,4,.,控制电路：检测输出直流电压，并将其与基准电压比较，进行放大。调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。,5,.,保护电路：当开关电源发生过电压、过电流短路时，保护电路使开关电源停止工作以保护负载和电源本身。,6,.,输出整流滤波器：将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干扰,1.输入电网滤波器：消除来自电网，如电动机的启动、电器的开关,8,1. EMI,濾波電路,L,N,FG,FUSE,NF1,CX2,CX3,CY2,CY1,NF2,NTC,ZNR,1. EMI濾波電路LNFGFUSENF1CX2CX3CY2,9,EMI,:,電磁干擾防制濾波電路,(,Electronic Magnetic Interference,),ZNR,:,壓敏電阻,又名突波吸收器.主要吸收異常高壓尖峰波,並防,雷擊.,FUSE,:,輸入故障及維護電源之保護.,NTC,:,負溫度系數之熱敏電阻,抑制瞬時開機之浪涌電流.,CX1,CX2,CX3,NFL1,NFL2,組成低頻濾波器.抑制線路中差模,諧波信號,.,CY1,CY2,抑制線對地之共模諧波信號.,附:,EMI,既能防止電網之異常信號影響電源,又能防止電源產生,諧波信號污染電網.,EMI:電磁干擾防制濾波電路(Electronic Magn,10,+,+,_,_,C1,C2,R1,R2,2. 高壓整流濾波電路,SW,115,V/230V,D1,D2,D3,D4,u1,V,0,+,_,+_C1C2R1R22. 高壓整流濾波電路SW115V/,11,元件功能說明:,D1,D2,D3,D4,構成橋式整流電路.,SW,為115,V/230V,轉換開關,當,u1,為低壓時,SW,閉合;,u1,為高壓時,SW,斷開,.,C1,C2,為倍壓濾,波大電容,.,R1,R2,在功率開關管截止時,起放電作用.,工作原理:,若,SW,置115,V,此時,SW,閉合,當,u1,在正半周時,D1,整流,C1,充電,至1.414,U,約為160,V.,當,u1,在負半周時,D4,整流,C2,充電至1.414,U,約為160,V,故在115,V,時,V,0=,V,C1,+V,C2=,320V.,若,SW,置230,V,此時,SW,斷開,當,u1,在正半周時,D1,D3,整流,C1,C2,分別充電至1.414,U.,當,u1,在負半周時,D2,D4,整流,C1,C2,也,充電至1.414,U.,故在230時,V,0=,V,C1,+V,C2=,320V.,SPS线路架构与工作原理课件,12,3. 隔離變壓器及開關管,3. 隔離變壓器及開關管,13,工作原理,1.T1,的初級繞組和次級繞組的同名端相反,為返馳式變壓器.,2. 在,Q1,導通期間,T1,初級有電流流過,變壓器儲能.,3. 當,Q1,管截止時,T1,次級產生電流,經,D1,整流後輸出電壓,工作原理1.T1的初級繞組和次級繞組的同名端相反,為返馳式變,14,4. 低壓整流濾波電路,4. 低壓整流濾波電路,15,工作原理,1.,C1,C2,L1,構成,型濾波器,2. 當開關管,OFF,時,T1,次級儲存的能量通過,D1,整流後輸出,經,C1,C2,L1,濾波後將交流成分降到最低,給終端提供更乾淨的電壓.,3. 當開關管,ON,時,變壓器不能提供能量給終端,此時只能靠,C1,C2,L1,本身儲存的能量來維持輸出.,工作原理1. C1,C2,L1構成型濾波器,16,5. 回授控制線路,5. 回授控制線路,17,工作原理,1. 當次級輸出電壓偏高時,流經,R1,的電流會增大,也即流過,PC1,的發光二極管的,I,d,比較大.通過光偶合的作用,感應到,PC1,的初級部分,此時,PC1,的,I,c,也會增大,這時就會將,IC 3842 Pin2,的電位拉下來,IC 3842,內部就會調整,Duty,使開關管的導通時間減少,經變壓器傳送給次級的能量也會減少,這樣就可以使輸出電壓回饋到正常.,2. 當次級輸出電壓偏低時,流經,R1,的電流就會減少甚至沒有,這時,PC1,的,I,c,很小甚至沒有,故,IC 3842 Pin2,的電位會提高,IC,內部就會將,Duty,拉大,使開關管的導通時間加長,經變壓器傳送給次級的能量更多,這樣就可以使輸出電壓提高到正常電壓.,工作原理1. 當次級輸出電壓偏高時,流經R1的電流會增大,也,18,6.,PWM,邏輯控制電路,6. PWM邏輯控制電路,19,工作原理,1. AC ON後,經啟動電阻R1提供15V的電壓給IC 3842,IC開始工作.Pin6輸出一個Pulse驅動Q1導通.由於IC是定頻的,因此Q1會定頻的開和關.,2. IC Pin1,Pin2,Pin3為回授控制腳,Pin1電壓低於1V OR Pin3電壓高於1V時IC會自動保護,停止工作.,工作原理1. AC ON後,經啟動電阻R1提供15V的電壓給,20,五. 反激式,SPS,1. 線路架構,五. 反激式SPS1. 線路架構,21,2. 工作原理,1. 當,Q1 ON,時,T1,初級線圈有電流流過,開始儲能,此時次級線圈因為同名端和初級相反而電流被,D3,擋主無法流通.,2. 當,Q1 OFF,時,T1,初級線圈極性反轉,次級線圈極性也跟著反轉,此時,D3,正向偏置,開始有電流流過,產生電壓輸出給終端,3.,V2=(n2/n1) (T,on,/T,off,) V1,V1:,輸入電壓,V2:,輸出電壓,n1:,初級匝數,n2:,次級匝數,2. 工作原理1. 當Q1 ON時,T1初級線圈有電流流過,22,六. 正激式,SPS,1. 線路架構,六. 正激式SPS1. 線路架構,23,2. 工作原理,1.當,Q1 ON,時,T1,初級線圈有電流流過,開始儲能,同時,D3,正偏導通有電流流過,開始有電壓輸出.,2.當,Q1 Off,時,T1,初級線圈儲存的能量反偏後經,D4,正偏導通有電流流過,再次有電壓輸出.,3.,V2=(n2/n1) (T,on,/T,) V1,2. 工作原理1.當Q1 ON時,T1 初級線圈有電流流過,24,七,.,RIPPLE/NOISE,之定議,1.,Ripple,即連波,直流電壓輸出之脈動成份,(,交流成份,).,2.,Noise,即連波上的干擾信號,(,噪信,).,七. RIPPLE/NOISE 之定議1. Ripple 即,25,八,.,RIPPLE/NOISE,的類型,1,.,Switching ripple/noise,以,Forward converter,電路為例,如圖所示,:,(1) C,就是,Switching ripple ,其頻率就是,A,開關管,(or Mosfet),切換頻率,( fs ).,一般釆說,Switching ripple,的大小約為,5mv20mv,左右,用示波器或,AET,的,20MHz,頻寬可量測到,Switching ripple.,( 2 ) D,就是,Switching noise ,若將其信號放大,可發現其頻率大約在,15MHz18MHz,甚至更高,.,Spec,中規定量測,Ripple/noise,時,外加鉭質,電容和,0.1uF Cap.,是用來濾除,Switching,Noise .,由此可知,如果,ATE,治具中電容的位置放得不恰當,則所量測的,Ripple/noise,值將,不一樣,.,八. RIPPLE/NOISE 的類型1. Switch,26,2 . Line Ripple,Line Ripple,即輸入的交流電壓之,Ripple .,如圖所示,:,正常,Line Ripple,是可以,被接受的,.,2 . Line Ripple Line Ripple,27,當輸出為,Full load,時, Boost Converter,無法保持很穩定的,Bulk,電壓輸出,會有一個,Line Ripple,在,Bulk,電壓上,此,Line Ripple,就會反映到,DC,輸出端,被,ATE,或示波器量測出來,.,以,Boost Converter,電路為例,:,當輸出為Full load 時 , Boost Conv,28,3 . Oscillation Ripple,介于,Line Frequency,与,Switching frequency,之間,都稱為,Oscillation .,如圖,:,在設計中,Oscillation,是不允許其存在的,有可能在某些情況下會使,Vp-p,超出其,Limit,值,.,3 . Oscillation Ripple介于 Lin,29,九,.,Ripple Noise,的來源及其特征,.,1.,電源中的,Switching ripple/noise:,是由開關切換頻率 而來,其頻率,為切換開關切換頻率,.,2.,Line Ripple :,是由輸入線電壓而來的,其頻率為輸入頻率 之,2,倍,.,3.,Oscillation Ripple :,是電路回授不穩定而來,波形大小不一,.,4.,Fan,電路干擾引起,其波形存有干擾信號,九. Ripple Noise 的來源及其特征.1.電源中的,30,十,.,RIPPLE NOISE,不良分析方法,若是,ATE Ripple/Noise,不良,必須用示波器確定,Ripple/Noise,不良是否,為治具問題還是机台本身問題,.,* 若是治具問題,則,CHECK :,1. ATE,治具端外加電容是否不對或已損坏,.,2 .,外加電容位置是否恰當或連線是否有問題,.,* 若是机台本身有問題,則判斷其來源屬何种,?,1.,若是,Switching Ripple,問題,則,CHECK,A.,輸出電容,ESR,值是否有問題,?,B.,輸出電容容量是否太小,?,C.,其它輸出元件中是否有問題,?,Yes,Yes,Yes,找,ESR,值小的輸出電容,可加大輸出電容容量,No,No,找其它原因,十. RIPPLE NOISE 不良分析方法 若是,31,2.,若是,Switching Noise,則,CHECK,主,Q,是否受到干擾,? Check Vgs,和,Vds,波形,.,輸出整流二极管或其,Snubber circuit,是否異常,?,Yes,Yes,變更整流二极体或,Snubber circuit .,主,Q,之,G,极或,D,极加磁環,.,3.,若是,Oscillation,引起,Ripple ,則,Check :,加大二次側的輸出電容,或用,ESR,值低的電容,.,調整回授電路,(,最有效之方法,),Yes,Yes,4 .,若是由,Fan,引起,則去掉,Fan ,Check Ripple/noise,是否正常,?,Yes -,則在,FAN,兩端加一顆電解電容濾波,.,2.若是Switching Noise, 則CHECK 主Q,32,5 .,若是,Line Ripple,如圖,則,Check :,+12V Output Spec:200mv max,(1),看是否一次側能量傳送不夠,可,Check PWM IC Isense,點波形,.,(2),是否為,EMI,部分干擾,可將,Y Cap.,加磁 環或主,Q,加磁環,.,(3),加大一次側之,Bulk Cap.,容量,是否有改善,?,(4),調整二次側回授電路,拉高低頻增益,.,( 5),看是否与輸入線電壓頻率有關,?,5 . 若是Line Ripple 如圖, 則Check :,33,我們學習的目的是,:,把它用在實際的工作中去!,Thinking,我們學習的目的是:把它用在實際的工作中去!Thinkin,34,