开关电源的工作原理

2014年12月05日

图1-1 反激式开关电源典型电路结构 藉由PWM IC 控制开关管的导通与否,配合次级侧的二极管和电容,即可 得到稳定DC电压的输出。Ui为含有一定交流成份的直流电压,由开关功率管斩波和高频变压器降压,将储存于在变压器的能量传递给次级侧,转换成所需电压值的方波,最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。此外改变变压器初、次级的圈数,就可以得到想要的DC电源。PWM控制电路是这类开关电源的核心,它通过取样反馈闭环回路,调整高频开关元件的开关时间比例即占空比,以达到稳定输出电压的目的。 由于高频变压器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧,并且只有一个输出端,而 MOS开关功率管导通时,次级整流二极管截止,电能就储存在高频变压器的初级电感线圈中;当MOS功率管关断时整流二极管导通,初级线圈上的电能传输给次极绕组,并经过次级整流二极管输出,故称之为单端反激式。 第一节 开关电源的干扰特性及其抑制措施 开关电源虽然具有许多优点并得到广泛的应用,但由于它具有严重的射频干扰,在线性电路中的应用一直受到很大的限制。开关电源是把工频交流整流为直流后,再通过开关变为高频交流,其后再整流为稳定直流的一种电源,这样就有工频电源的整流波形畸变产生的噪声与开关波形产生的噪声。在输入侧泄露出去就表现为传导噪声和辐射噪声,在输出侧泄露出去就表现为纹波。同时外部噪声会进到电子设备中,而供给负载的电源噪声也会泄露到外部。若电源线中有噪声电流通过,电源线就相当于天线向空中辐射噪声。而这些噪声都会影响设备的正常工作。要想使其得到更广泛的应用,满足电磁兼容性的有关指标,就需要有效地抑制开关电源的干扰。 杂讯干扰的途径有两种,即传导干扰与辐射干扰。以下分别对两种干扰的特性与抑制方法做一介绍。 1.1 传导干扰及其抑制措施 从导线传入的干扰称为传导干扰,其干扰能量通过导电体进行传播,开关电源的输入、输出引线都是传导干扰的媒介。 开关电源产生的干扰会沿电源引线进入电网,污染电网,使同一电网的电子设备受到干扰。同时电源的输出线还将把干扰噪声传递给负载,使作为电源负载的电子设备直接受到干扰,当这种干扰幅度若大到一定程度,会影响线性电路和 一些小信号电路的正常工作。 由于传导干扰主要是通过输入输出引线进行传播,因而相对来说传导干扰的抑制要容易些,主要方法是加接输入输出滤波器 。 在开关电源的输入侧要介入电容与电感构成的滤波器,用于抑制交流电源产生的EMI,而该滤波器也称为电磁兼容(EMI )滤波器。其电路如图2-1所示。 图1-1输入端抑制传导干扰电路(EMI) 该滤波器是一典型的低通滤波器,使开关电源产生的一些高频脉冲干扰经过它后得到极大的衰减,能较好的滤除来源于电网或者传入电网的干扰,使其符合 FCC、CE、VDE等标准。 图中L901、L902为共模扼流圈 ,它是绕在同一磁环上的两只独立的线圈,圈数相同,绕向相反,在磁环中产生的磁通相互抵消,磁芯不会饱和,主要抑制共模干扰,感值愈大对低频干扰抑制效果愈佳。这样绕制的滤波电感抑制共模干扰的性能大大提高。L901、 L902分别选择感值为2.0mH和15mH的共模扼流圈。 C901、C902为共模电容,主要抑制差模干扰,即火线和零线分别与地之间的干扰。电容值愈大对低频干扰抑制效果愈好,在这里选用102PF/250V。 C903、C904为差模电容,主要抑制共模干扰,即抑制火线和零线之间的干扰。电容值愈大对低频干扰抑制效果愈佳,在这里选用0.47uF/300V。有时为了降低成本也可将C904省去。 图中CN901为插座,接电网电压。F901为保险丝,电路中采用了规格为2A/250V的保险丝,它在高压时熔断,可防止设备在突发的高压时引起的破坏。NR901为负温度系数热敏电阻,开机瞬间温度低,阻抗大,防止电流对回路的浪涌冲击。常温下其规格为5A/5Ω。R901、R902对抗干扰电容起泄放作用,可于关机后迅速消耗掉C903储存的电能,防止带电损耗元件。它们的规格都为1MΩ,一般采用金属釉材料。 对输出端的干扰抑制,主要也是靠高频滤波器,电路图如下所示。 图1-2输出端抑制传导干扰电路 滤波电感由于工作在直流大电流状态下,磁芯在较大的磁场强度下工作,容易包含,一旦饱和,电感即失去滤波作用。因此必须采用饱和磁场强度很大的恒μ磁心,如铁鎳钼磁粉芯等金属磁芯。[2] 由于输出干扰的频谱相当丰富,从几十赫兹到几十兆赫兹均含分量。由于在高频的情况下,滤波电容等效由纯电容(C)、等效串联电阻(RES) 和等效串联电感(LES)构成的串联电路。在工作频率f超过电容器的自谐振频率fr时,电容器就起到电感的作用。值大的滤波电容对低频干扰比较敏感,相反,值小的滤波电容吸收高频干扰的效果比较好。因此不能光采用大电解电容滤波C916,还必须加接自谐振频率很高的陶瓷电容器C917。 此外,输出干扰的幅度还与PCB板的布线有很大关系,不合理的布线往往会使干扰幅度大几倍,尤其是接地点的安排特别重要。 1.2 辐射干扰及其抑制措施 从空间传入的干扰称为辐射干扰,一般是指耦合干扰,即干扰能量通过空间 介质进行近场感应。由于开关电源一般工作在低压大电流情况下,因而磁场干扰大于电场干扰。主要由开关变压器的漏感、开关功率管在开关转换时的大电流脉冲、开关二极管反向恢复的硬特性等引起。[2] 辐射干扰的抑制主要靠屏蔽。对电场可采用导电良好的材料,而磁场屏蔽则应采用导磁率较高的材料。在本文中就不作详细论述。 抑制干扰最有效的方法,是尽量减少干扰源的干扰能量。对开关电源变压器要减少其漏感,并选择开关参数优良的晶体管和软恢复的开关二极管。 脉宽调制控制器SG6841 2.1 PWM控制器SG6841简介 目前,开关电源的集成化与小型化已成为现实,早期的PWM IC大多采用UC384X系列(如UC3842、UC3843),但由于新产品越来越积体化及环保和安规要求越来越严苛的趋势下,出现了384XG及684X等具有Green Function的IC。Green Function为环保功能的意思,亦称之为Blue Angel,其要求是在满载70W以下的电源产品,当负载没有输出功率的情况下,输入电源仍照常供应时,电路消耗功率必需小于1W以下。欧系的Infineon Coolset ICE2AXXX及ICE2BXXX系列不仅具有Green Function,并且把以往外加的功率开关集成在8DIP的IC内,以节省空间和制造流程。 SG6841是由System General崇贸科技开发的一款高性能固定频率电流模式控制器,专为离线和DC-DC变换器应用而设计。它属于电流型单端PWM调制器,具有管脚数量少、外围电路简单、安装调试简便、性能优良、价格低廉等优点,可精确地控制占空比,实现稳压输出,还拥有低待机功耗和众多保护功能,所以,为设计人员提供只需最少的外部元件就能获得成本效益高的解决方案,在实际中得到广泛的应用。SG6841有下列性能特点: 1) 在无负载和低负载时时, PWM的频率会线性降低进入待机模式以实 现低功耗,同时提供稳定的输出电压。 2) 由于采用BiCMOS,启动电流和正常工作电流减少到30μA和3mA, 因此可大大提高电源的转换效率。 3) SG6841是固定频率的PWM控制器,它的工作频率通过一个外接电阻 来决定,改变电阻值可轻易改变频率。 4) 内建同步斜率补偿电路,可保证连续工作模式下电流回路的稳定性。 5) 内建电压补偿电路可在一个较大的AC输入范围内实现功率限制控 制,并提供过载、短路保护功能。此外,还设有低电压锁定(UVLO)功能,使工作更稳定、可靠。 6) 可通过外接一个负温度系数热敏电阻(NTCR)来传感环境温度以实 现过温保护,也可利用该功能实现过压保护。 7) 具有图腾柱(即推拉输出电路)输出极,可实现良好的EMI。其最大 输出电压钳位在18V。 常见的SG6841有8脚DIP和SO两种封装,其各引脚功能分别如下所示: 1) GND:接地。 2) FB:反馈电压输入端。用于提供PWM调节信息,PWM占空比就是由它 控制。 3) Vin:启动电流输入端。SG6841开始工作必须在该端要提供一个启动 电压。 4) RI:参考设置端。通过连接一个电阻接地来为SG6841提供一个恒定 的电流,改变电阻阻值将改变PWM的频率。 5) RT:温度保护端。该端输出一个恒定的电流。在该端接一NTCR接地 来传感温度,当该端电压下降到一定值时会启动过温保护。在本设计中,该功能被用于高压保护。 6) Sense:电流传感端。当该端电压达到一个阈值时芯片会停止输出, 从而实现过流保护。 7) VDD:电源供电端。 8) Gate:PWM脉冲输出端。图腾柱(即推拉输出电路)输出极驱动功率 开关管。 图2-1 SG6841内部框图 2.2 SG6841内部结构与工作原理 1) 振荡器 SG6841的PWM频率范围为50KHz~100KHz。RI端通过连接一个电阻Ri接地来为SG6841提供一个恒定的电流,改变电阻阻值将改变PWM的频率。 由IC 內部放置電容CTB 的充放電產生鋸齒波形,其上下限設定在2.7V 與1.1V,如圖三所示。當鋸齒波電壓VSAW 大於2.7V,比較器CA1 的輸出為低準位,Vpulse 為高準位,Q1 截止。比較器CA2 的輸出為高準位,Q2 導通,CTB 放電。當VSAW 小於 1.1V,CA2的輸出為低準位,CA1 的輸出為高準位,Vpulse 為低準位,Q1 導通,Q2 截止,CTB 充電。藉由外加電阻RI 與參考電壓VR 可以產生一個參考電流IR,而鋸齒波的充電電流是IC 內部很小的電流:

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