開關(guān)電源就是通過電路控制開關(guān)管進行高速的開通與截止.將直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的交流電提供給變壓器進行變壓,從而產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓!轉(zhuǎn)化為高頻交流電的原因是高頻交流在變壓器變壓電路中的效率要比50HZ高很多.所以開關(guān)變壓器可以做的很小,而且工作時
開關(guān)電源就是通過電路控制開關(guān)管進行高速的開通與截止.將直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的交流電提供給變壓器進行變壓,從而產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓!轉(zhuǎn)化為高頻交流電的原因是高頻交流在變壓器變壓電路中的效率要比50HZ高很多.所以開關(guān)變壓器可以做的很小,而且工作時不是很熱!!成本很低.如果不將50HZ變?yōu)楦哳l那開關(guān)電源就沒有意義?。¢_關(guān)變壓器也不神秘.就是一個普通的變壓器!這就是開關(guān)電源.
開關(guān)電源大體可以分為隔離和非隔離兩種,隔離型的必定有開關(guān)變壓器,而非隔離的未必一定有.
簡單地說,開關(guān)電源的工作原理是:
1.交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流;
2.通過高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號控制開關(guān)管,將那個直流加到開關(guān)變壓器初級上;
3.開關(guān)變壓器次級感應(yīng)出高頻電壓,經(jīng)整流濾波供給負載;
4.輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達到穩(wěn)定輸出的目的.
交流電源輸入時一般要經(jīng)過厄流圈一類的東西,過濾掉電網(wǎng)上的干擾,同時也過濾掉電源對電網(wǎng)的干擾;
在功率相同時,開關(guān)頻率越高,開關(guān)變壓器的體積就越小,但對開關(guān)管的要求就越高;
開關(guān)變壓器的次級可以有多個繞組或一個繞組有多個抽頭,以得到需要的輸出;
一般還應(yīng)該增加一些保護電路,比如空載、短路等保護,否則可能會燒毀開關(guān)電源.
以上說的就是開關(guān)電源的大致工作原理.
其實現(xiàn)在已經(jīng)有了集成度非常高的專用芯片,可以使外圍電路非常簡單,甚至做到免調(diào)試.
例如TOP系列的開關(guān)電源芯片(或稱模塊),只要配合一些阻容元件,和一個開關(guān)變壓器,就可以做成一個基本的開關(guān)電源.
開關(guān)電源的PWN-PFM控制電路
鄒懷安 張 銳 胡榮強
武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院
1.引言
開關(guān)電源由于在體積、重量、效率和可靠性等多多方面的優(yōu)勢,目前在計算機、通信、家用電器、雷達、空間技術(shù)等眾多領(lǐng)域中已完全取代了傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源的控制技術(shù)主要有三種:(1)脈沖寬度調(diào)制(PWM);(2)脈沖頻率調(diào)制(PPN);(3)脈沖寬度頻率調(diào)制(PWN-PFH).其中PWM是目前應(yīng)用在開關(guān)電源中最為廣泛的一種控制方式,它的特點是噪音低、滿負載時效率高且能工作在連續(xù)導(dǎo)電模式,現(xiàn)在市場上有多款性能好、價格低的PWM集成芯片,如UCl842/2842/3842、TDAl6846、TL494、SGl525/2525/3525等;PFM具有靜態(tài)功耗小的優(yōu)點,但它沒有限流的功能也不能工作于連續(xù)導(dǎo)電方式,具有PFM功能的集成芯片有MAX641、TL497等;PWM-PFM兼有PWM和PFM的優(yōu)點,但目前市場上沒有具有PWM-PFM功能的單片集成芯片出售從而限制它的應(yīng)用。
本文介紹了一種采用PWM-PFM控制的開關(guān)電源,對其中的控制電路--PWM-PFM電路的原理進行了較詳細的分析,該控制電路元件數(shù)量少、實現(xiàn)簡便。
2.開關(guān)電源及其PWH-PFH控制電路介紹
本開關(guān)電源的輸入為三相交流電,輸入電壓范圍為320~575V,頻率為45~65Hz,輸出規(guī)格為24V/10A,重量僅約1.4Kg。開關(guān)電源的主電路拓撲為雙晶體管反激變換式,通過采用兩支開關(guān)管串聯(lián)來降低對大功率MOS場效應(yīng)管的關(guān)斷電壓的要求。
PWM-PFM控制電路由三片數(shù)字芯片(4011、4066、40106)和少量電阻、電容、二極管、三極管組成,電路圖見圖1.其中,4011為二輸入的四與非門,4066為四雙向模擬開關(guān),40106為六施密特觸發(fā)器。
3.原理分析
如電路圖所示,它有四個輸入端,信號分別來自光耦1輸出端、光耦2輸出端、整流后的高壓直流端、以及與開關(guān)變壓器耦合,一個輸出端以驅(qū)動大功率MOS場效應(yīng)管。電路的核心部分是由兩個與非門(IN3a/IN3b/OUT3和IN4a/IN4b/OUT4)構(gòu)成的RS觸發(fā)器。觸發(fā)器有兩個輸入端:40ll第9腳(IN3b)和第12腳(IN4a);兩個輸出端401l第10腳(OUT3)和第11腳(OUT4)。輸出端OUT4的信號傳送到五個并聯(lián)的施密特觸發(fā)器(I1/O1、I2/O2、I3/O3、I4/O4和I5/O5)。施密特觸發(fā)器的作用是整定與非門的輸出波形,防止電路的誤動作。采用五個施密特觸發(fā)器并聯(lián)的冗余設(shè)計提高了電路的電流驅(qū)動能力,增強了整個電路的可靠性。整形后的波形經(jīng)兩個互補三極管構(gòu)成的圖騰柱驅(qū)動大功率MOS場效應(yīng)管,控制主回路的導(dǎo)通和關(guān)斷。輸入端IN3b為導(dǎo)通時間Ton控制端,輸入端IN4a為關(guān)斷時間Toff控制端,兩個輸入端都是低電平有效。當輸入端IN4a為低電平時觸發(fā)與非門4使輸出端OUT4為高電子,經(jīng)施密特觸發(fā)器后關(guān)斷開關(guān)管;當輸入端IN3b為低電平時觸發(fā)與非門3使輸出端OUT3為高電平,輸出端OUT4為低電子,OUT4低電平經(jīng)施密特觸發(fā)器后為高電平,使開關(guān)管導(dǎo)通。OUT3高電平使模擬開關(guān)1(IN1/OUTl/CONTROLl)導(dǎo)通,線圈Ll的電流經(jīng)D5和R17到地,防止線圈L1磁飽和。
啟動時,線圈Ll無電流,對地為低電平,經(jīng)與非門1(INla/IN1b/OUTl)和與非門2(IN2a/IN2b/OUT2)后仍為低電平,即輸入端IN3b為低電平,經(jīng)RS觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器后使開關(guān)管導(dǎo)通,開關(guān)電源有輸出,輸出電壓經(jīng)比較、放大后的反饋信號經(jīng)光耦2隔離,通過R16、R17、R18、C5、C6、T4、R15送到IN4a,使開關(guān)管關(guān)斷,PWM-PFM控制電路起振。
正常工作時,線圈L1耦合開關(guān)變壓器的信號(即開關(guān)管的信號)經(jīng)與非門l和與非門2后至IN3b,控制開關(guān)管的導(dǎo)通時間Ton,從開關(guān)電源的輸出的反饋信號經(jīng)光耦2隔離,通過R16、R17、R18、C5、C6、T4、R15送到IN4a,控制開關(guān)管的關(guān)斷時間Toff。若負載和輸入電壓不變,開關(guān)管按RS觸發(fā)器的電路常數(shù)所決定的寬度和頻率周而復(fù)始的導(dǎo)通和截止,維持輸出電壓不變。若負載或輸入電壓有變化,線圈Ll和光耦2反饋的信號同時變化,使導(dǎo)通時間Ton和關(guān)斷時間Toff同時變化,即控制脈沖的寬度和頻率同時變化,實現(xiàn)了PWM-PFM控制。
光耦l為輸出過壓保護,當開關(guān)電源輸出正常時,光耦1輸出為高電平,經(jīng)施密特觸發(fā)器后為低電平,模擬開關(guān)3(IN3/OUT3/CONTROL3)不導(dǎo)通,OUT3不起作用;當開關(guān)電源輸出過壓時,光耦1輸出為低電平,經(jīng)施密特觸發(fā)器后為高電平,使CONTROL3為高電平,模擬開關(guān)3導(dǎo)通,OUT3端接地,IN4a端為低電平,開關(guān)管關(guān)斷。
整流后的高壓直流端為輸入過壓保護。當交流輸入電壓正常時,T1管飽和導(dǎo)通,CONTROL4為低電平,模擬開關(guān)4(IN4/0UT4/CONTROL4)不導(dǎo)通,OUT4不起作用;交流輸入電壓過高時,Tl管截止,CONTROL4為高電平,模擬開關(guān)4導(dǎo)通,OUT4接地,IN4a端輸出為低電平,開關(guān)管關(guān)斷。
4.結(jié)束語
控制電路是開關(guān)電源的核心部分,采用合適的控制電路可簡化開關(guān)電源的設(shè)計,并使之具有優(yōu)異的性能。采用該PWM-PFM控制電路組成的開關(guān)電源,由于輸出電壓紋波非常小(僅有幾十毫伏)、交流輸入電壓范圍大(能在320V~575V范圍內(nèi)正常工作)、開關(guān)頻率高(工作時頻率在100~300KHz之間變化)、占空比變化小(從15%至35%)、滿載時效率高(能達到90%以上),廣泛應(yīng)用于工業(yè)電器控制柜、自動電梯等電源環(huán)境比較惡劣的場所。對采用硬開關(guān)技術(shù)的開關(guān)電源而言,該PWM-PFM控制電路具有良好的性能,同時實測也表明,當負載變化較快時,開關(guān)電源的輸出電壓的穩(wěn)定性下降,因而,該電路不適用于負載變化較劇烈的場合。