打印机电源分析.docx
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打印机电源分析
电》
毕业设计(论文)
(2011届)
题目:
打印机电源板分析
专业名称:
应用电子技术
姓名:
陈廷良陈建正
学号:
08104140190810414010
班级:
08电子设备
指导教师:
饶光洋邓润根
2011年4月9日
摘要
开关电源被誉为高效节能电源,它代表稳压电源的发展方向,现已成为稳压电源的主流产品。
目前开关电源正进入一个蓬勃发展的新时期,各种新技术被普遍采用,新产品层出不穷。
开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。
由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化,因此国外各大开关电源制造商都致力于同步材料上加大科技创新技术,以提高在高频率和较大磁通密度(Bs)下获得高的磁性能,在电容的小型化也是一项关键技术。
SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展,在电路板两面布置元器件,以确保开关电源的轻、小、薄。
开关电源广泛应用于通信、LED显示屛、工业控制、广播电视、计算机网络、医疗器械、智能监控和办公设备等领域。
本文主要介绍松下KX-FL513CN电源电路板的工作原理。
该电源主要采用反激式变换器为核心,通过滤波整流电路、稳压控制电路,而且还特别介绍了反激变换器的详细工作过程及原理。
本电源电路看起来复杂,但经过我们对电路的分析和整理之后,让人有了一种通俗易懂的感觉。
关键字:
打印机电源开关电源
Abstarct
Switchingpowersupplyisknownashighefficiencyandenergysavingpower,itisrepresentingmanostatthedevelopmentdirection,hasbecomethemainstreamproductmanostat.Currentswitchingpowersupplyisenteringanewperiodofvigorousdevelopment,allsortsofnewtechnologyhasbeenwidelyadopted,newproductemergeinendlessly.Switchingpowersupplyisthedevelopmentdirectionofhighfrequency,highreliability,lowconsumption,lownoise,anti-jammingandmodularization.Duetotheswitchpowerlight,smallandthin,keytechnologyofhighfrequencychange,thereforeisoverseaseachbigswitchingpowersupplymanufactureraredevotedtothedevelopmentofnewhighintelligentsynchronousrectifier,especiallytheimprovementofsecondarycomponentsofthedevice,andthepowerlossofZnferrite(Mn?
Zn)material?
Increasescienceandtechnologyinnovation,toimproveinhighfrequencyandlargermagneticfluxdensity(Bs)toacquirehighmagnetic,andcapacitoristheminiaturizationofakeytechnique.SMTtechnologyapplicationmakesswitchingpowersupplyhasmadeconsiderableprogressinPCBlayout,twocomponents,toensureswitchpowersupplylight,smallandthin.
Switchingpowersupplyiswidelyappliedincommunication,theLEDdisplay,industrycontrol,broadcastingandTV,computernetwork,medicalequipment,intelligentmonitoringandofficeequipmentetc.
ThispapermainlyintroducesthepanasonicFL513CNpowercircuitKX-theworkingprinciple.ThepowersupplymainlyUSEStheflybackconvertertypeasthecore,thefilterrectifiercircuit,suchasvoltagecontrolcircuittotheprinterprovidestabledcvoltage.
Thispaperexplainsthemainpartoftheworkingprincipleandprocess,includingrectifierfiltercircuits,flybackconverterandvoltagecontrolcircuittype,butalsospeciallyintroducedflybackconvertertypedetailedworkprocessandprinciple.
Thepowercircuitlookscomplicated,butafterwetocircuitanalysisandafterclearingup,letapersonhavethefeelingofakindofstraightaway.
Keywords:
PowerSupplyPrinterSwitchingpower
摘要1
第一章打印机开关电源概述
打印机是现代办公必备的设备之一,可以说,打印机的出现大大减轻的工作的劳动强度,提高了工作效率,使办公环境变得更加轻松。
而开关电源作为稳压电源,给电子设备提供稳定的工作电压,也是打印机电源供电电路的重要部分。
下面我们以松下KX-FL513CN电源电路板(科迪办公设备班提供)来分析:
一、实物图
二、基本结构图
三、电源电路图
四、工作过程
交流市电经插座输入后,经过一只保险管再经高压滤波后整流输出320V直流电压,通过启动电阻使IC101得电控制开关管Q101工作,使变压器T101工作,最后经过稳压二极管整流滤波得出后面电路所需的工作电压。
期间通过取样电阻确保输出电压的稳定。
具体将在第二章中详细分析。
第二章开关电源电路的组成及分析
从这一章开始我们将第一章中的电源电路图拆分开来,分成多部分来分析。
一、交流输入及抗干扰电路分析
交流市电经插座输入后,经过一只3.15A保险管F101。
电源的高压滤波电容C102边上,有一个黑色的压敏电阻(其作用是防浪涌冲击的,如雷击),其耐压值为380+/_10%V,当市电电压超过这个范围时,压敏电阻阻值就会立即降低,F101保险丝就烧断,从而保护电源其它电路的安全。
该电源采用两节滤波电路,抗干扰效果好,。
抗干扰电路又称干扰抑制电路通常设置在整流滤波电路之前,作用是用来抑制交流电中的高频干扰成分,防止串入开关电源电路对电源产生干扰;更为重要的是防止开关电源电路工作时产生的高频杂波通过电源线串入电网对电网造成干扰,这种干扰称为传导干扰。
该电源电路中的抗干扰电路原理图如图1所示,这是将两个电感制作在同一个磁芯里形成一个同芯电感,在交流电通时,所产生的磁通正好大小相等,方向相反而抵消,能有效地抑制共模干扰信号。
电容C102、C1滤除电路中因高频引起的差模干扰信号,电容C103、C104滤除电路中因低频引起的干扰信号。
图1抗干扰电路
二、整流滤波电路
市电经抗干扰电路滤除杂波后,进入整流滤波电路。
整流电路采用桥式整流,利用晶体二极管的单向导电特性进行整流。
该整流电路如图2所示,采用四只晶体二极管接成桥式形式,当输入为正半周时,D102、D104承受正向电压而导通,此时有电流流过TH101(该电阻为负温度系数热敏电阻,其作用为限流,以防止过大损坏电路元件),电流路径为L102—>D102—>TH101—>D104,此时D101、D103因反偏而截止;同理,当输入负半周时,则为D101、D103导通。
经过整流滤波后的直流电压是输入交流电压时的
倍(即320V)。
图2整流电路
下面是整流前与整流后的波形
图3整流前后波形
三、启动电路
该电路采用一个晶体二极管D108和两个电阻R112、R113组成的整形网络加到场效应管Q101的控制栅极G,再接到ICKA7552产生震荡信号,如图4所示。
KA7552是产生PWM脉冲驱动电源开关管Q101的IC,当主震荡电路还没有震荡的时候KA7552首先要得到电源,该电源是主震荡电路能否起震的关键。
KA7552第6脚的电源在主震荡电路还没起震荡时,电压是由交流220V经D107半波镇流R106、R107串联分压电容C110滤波得到12~26V之间的启动电压(R106、R107称启动电阻)。
ICKA7552得电后,第5脚产生产生PWM脉冲驱动电源开关管Q101使主震荡电路震荡。
主震荡电路启动后,次级B1-B2感应的电压经继流二极管D106、C110镇流滤波得到电压提供给KA7552第6脚的电源;此时KA7552完成启动可以不再需要12~26V之间的启动电压。
图4启动电路
下面为KA7552芯片第五、六脚的波形
图5KA7552芯片第五、六脚的波形
四、震荡原理
该电路属于反激式开关电路由ICKA7552产生震荡信号,该控制信号经过电阻R112、R113、D108组成的整形网络加到场效应管Q101的控制栅极G;当震荡信号的正半周时场效应管Q101漏极源极PN节打开,电容C106正极上的320V电源流经变压器T101、场效应管Q101、过流采样检测电阻R105,最后回到电容C106的负极形成电流回路,当震荡信号的负半周的时场效应管Q101漏极源极PN节关闭,没有电流经过在变压器T101,这就完成了一次震荡。
在震荡信号的驱动下场效应管的开关作用使震荡电路这样周而复始的工作,这种交变的电流产生变化的磁场,从而在变压器T101次级感应出所需要的各组电源。
(一)KA7552集成电路
KA7552集成电路采用8脚双列直插式朔封结构,如图6所示为KA7552集成电路的内部结构框图。
图6KA7552内部结构图
KA7552芯片IC工作电压范围为10-30A,可直接驱动功率管MOSFET,驱动电流最大可达±1.5A,驱动脉冲最大占空比70%;工作频率范围为5-600kHz,轻松得到较高变换效率,减小电源发热量;在锁定模式中有过压切断功能:
具有完善的过流,过载,欠压保护电路与软启动电路,待机时电流仅为90μA。
KA7552的引脚功能如下表:
引脚号
引脚名称
引脚功能
工作电压(V)
载路电阻(kΩ)
红笔测量
黑笔测量
1
RT
震荡器外接时基电阻
1.07
6.2
6.2
2
FB
稳压反馈输入
0.87
6.3
8.6
3
IS(+)
过流(+)取样检测
0.03
0.2
0.2
4
GND
接地
0
0
0
5
OUTPUT
驱动脉冲输出(PWM)
0.4
5.1
26
6
VCC
电源
12.0
3.6
10
7
CT
震荡器外接时基电容
1.99
5.7
8.1
8
CS
软启动ON/OFF控制
2.83
6.0
19
KA7552集成电路的第六脚为供电端,一般采用+12V供电;第三脚外接取样电阻(R105),与内部电路构成过流检测电路;第五脚为驱动脉冲输出端,可直接驱动场效应管;第八脚为ON/OFF控制端,该端兼有软启动控制的功能。
(二)工作过程
接通交流市电并按下开关,经整流滤波后得到320V直流电压。
320V电压分两路:
一路经变压器T101主绕组加至Q101的漏极;另一路通过启动电阻R106、R107及二极管D107和退耦电容C110加到KA7552第六脚,为KA7552提供启动电压。
另外KA7552第六脚内部电路有欠压保护电路,当供电电压低于8.7V时,内部启动电路处于停止工作状态,振荡电路停止振荡。
从电源接通到KA7552工作的启动时间由R106、R107和C110确定。
当KA7552第六脚电压大于16V时,KA7552开始工作。
KA7552工作后,内部振荡器通过外接电容充放电产生三角波振荡脉冲,振荡频率由1脚和7脚外接的电阻和电容决定。
振荡脉冲加至KA7552内部PWM比较器,并与加在比较器的另外三路电压:
CS脚电压、FB脚电压、参考电压进行比较,再经推挽电路放大,PWM驱动脉冲由5脚输出,经D108、R112、R113加至Q101的栅极,使Q101进入振荡状态。
由于R106、R107供电电路在启动时提供的电流较小,当Q101振荡工作后,变压器T101各绕组产生感应电动势,T101反馈绕组两端的感应电动势经二极管D106整流、C110滤波形成稳定的直流电压,通过电阻R111向KA7552第六脚提供工作电压,使电路工作稳定可靠。
五、过流保护工作原理
松下FX-FL513CN电源电路的过流采样:
在开关电路的主震荡回路中串联了一个R105/0.22Ω的电阻,根据欧姆定律U=IR,电阻R105的值是固定的,当负载电流过大时由于电流变大那么在电阻R105上的电压U变大,该电压通过电阻R110反馈到KA7552的第3脚,当第3脚的电压上升到规定的保护阀值电压时,KA7552关闭第5脚的驱动脉冲输出从而使开关电源停止震荡,达到保护的作用。
图7过流保护电路
六、反激式变换器
变换器是开关电源中体积最大的一个元件(如图8所示),也是完成功率转换的核心元件。
开关变压的实质也是一个变压器,不过它与普通变压器有很大的区别,并且与普通变压器是不能互换的。
变换器中流过的是脉冲电流,绕组的匝数比普通变压器少,导线比普通变压器粗。
图8反激式变换器
(一)变压器工作原理
该电路中变压器为直流脉冲变换电源开关。
设变压器铁芯的截面为S,当幅为U、宽度为τ的矩形脉冲电压施加到变压器的初级线圈上时,在变压器的初级线圈中就有励磁电流流过;同时,在变压器的铁芯中就会产生磁场,变压器的铁芯就会被磁化,在磁场强度为H的磁场作用下又会产生磁通密度为B的磁力线通量,简称磁通,用“φ“表示;磁通密度B或磁通受磁场强度H的作用而发生变化的过程,称为磁化过程。
所谓的励磁电流,就是让变换器铁芯充磁和消磁的电流。
根据法拉第电磁感应定理,电感线圈中的磁场或磁通密度发生变化时,将在线圈中啼生感应电动势;线圈中感应电动势为:
U=N
=NS
式中,N为变换器的初级线圈的匝数;为变换器铁芯的磁通量;B为变换器铁芯的磁感应强度或磁通密度平均值。
从上式可知,磁通密度的变化以等速变化进行,即:
=
假定磁通密度的初始值为B(0)=B0(取t=0),当t>0时,磁通密度以线性规律增长,即:
B=B0+
t
当t=τ时,即时间达到脉冲的后沿时,磁通密度达到最大值Bm=B(τ)。
磁通密度增量(磁
通密度初始值和最终值之差)ΔB=B(τ)-B(0)=Bm-B0。
当输入电压是一系列单极性矩形脉冲时,根据电磁感应定律,在变换器铁芯中将产生一
个磁通密度增量与之对应,即:
ΔB=
如果能忽略涡流影响,则磁场强度H平均值取决于导磁体材料的性质。
变换器初始线圈内
的磁化电流的增长与H成正比。
在特性曲线直线段内磁场强度H、磁化电流和磁通密度B
都以线性变化。
脉冲电压作用结束后(t>τ),变压器中的磁化电流将按变压器的输出电路特性,即电
路参数确定的干规律下降,变压器铁芯内的磁场强度和磁通密度也相减弱,此时变压器线圈内产生反极性电压,即反电动势。
(二)反激式变换器的工作过程
图9反激式变换器的工作过程
图(9-a)的负载是一个储能滤波电容和一个电阻并联。
由于储能滤波电容的容量很大,其两端电压基本不变,变换器次级线圈输出电压uo相当于被整流二极管和输出电压Uo进行限幅,因此,图(9-a)中输出电压uo的脉冲尖峰完全被削除,被限幅后的剩余电压幅值正好等于输出电压Uo的最大值Up,同时也等于变换器次级线圈输出电压uo的半波平均值Upa。
图(9-a)中,在控制开关K接通的Ton期间,输入电源Ui对变压器初级线圈N1绕组加电,初级线圈N1绕组有电流i1流过,在N1两端产生自感电动势的同时,在变换器次级线圈N2绕组的两端也同时产生感应电动势,但由于整流二极管的作用,没有产生回路电流。
相当于变换器次级线圈开路,变换器次级线圈相当于一个电感。
因此,流过变换器初级线圈N1绕组的电流就是变换器的励磁电流,变换器初级线圈N1绕组两端产生自感电动势可由下式表示:
e1=L1
=Ui——K接通期间(6-1)
或
e1=N1
=Ui——K接通期间(6-2)
上式中,e1为变换器初级线圈N1绕组产生的自感电动势,L1是变换器初级线圈N1绕组的电感,N1为变换器初级线圈N1绕组线圈绕组的匝数,ф为变换器铁心中的磁通。
对(6-1)和(6-2)式进行积分,由此可求得:
i1=Ui
+i(0)——K接通期间(6-3)
ф=Ui
+ф(0)——K关断瞬间(6-4)
上式中,i1是流过变换器初级线圈N1绕组的电流,ф为变换器铁心中的磁通;i1(0)为变换器初级线圈中的初始电流,即:
控制开关刚接通瞬间流过变换器初级线圈N1绕组的电流;ф(0)为初始磁通,即:
控制开关刚接通瞬间变换器铁心中的磁通。
当开关电源工作于输出临界连续电流状态时,这里的i1(0)正好0,而ф(0)正好等于剩磁通S*Br。
当控制开关K将要关断,且开关电源工作于输出电流临界连续状态时,i1和均达到最大值:
i1m=Ui
——K关断瞬间(6-5)
Фm=Ui
+S*Br=S*Bm——K关断瞬间(6-6)
(6-5)、(6-6)式中,i1m为流过变换器初级线圈N1绕组的最大电流,即:
控制开关关断瞬间前流过变换器初级线圈N1绕组的电流;фm为变换器铁心中的最大磁通,即:
控制开关关断瞬间前变换器铁心中的磁通,S为变换器铁心导磁面积,Br为剩余磁感应强度,Bm为最大磁感应强度。
当控制开关K由接通突然转为关断瞬间,流过变换器初级线圈的电流i1突然为0,这意味着变换器铁心中的磁通ф也要产生突变,这是不可能的,如果变换器铁心中的磁通ф产生突变,变换器初、次级线圈回路就会产生无限高的反电动势,反电动势又会产生无限大的电流,而电流又会抵制磁通的变化,因此,变换器铁心中的磁通变化最终还是要受到变换器初、次级线圈中的电流来约束的。
因此,在控制开关K关断的Toff期间,变换器铁心中的磁通主要由变换器次级线圈回路中的电流来决定,即:
e2=-L2
=uo——K关断期间(6-7)
或
e2=-N2
=uo——K关断期间(6-8)
上式中,e2为变换器次级线圈N2绕组产生的感电动势,L2是变换器次级线圈N2绕组的电感,N2为变换器初级线圈N2绕组线圈绕组的匝数,ф为变换器铁心中的磁通,uo为变换器次级线圈N2绕组的输出电压。
由于反激式变换器开关电源的变换器次级线圈N2绕组的输出电压都经过整流滤波,而滤波电容与负载电阻的时间常数非常大,因此,整流滤波输出电压Uo基本就等于uo的幅值Up。
对(6-7)和(6-8)式进行积分,并把uo用Uo代之,即可求得:
i2=-Uo
+i2(0)——K关断期间(6-9)
ф=-Uo
+ф(0)——K关断期间(6-10)
式中,i2是流过变换器次级线圈N2绕组的电流,ф为变换器铁心中的磁通;i2(0)为变换器次级线圈N2绕组的初始电流,ф(0)为初始磁通。
实际上,i2(0)正好等于控制开关刚断开瞬间流过变换器初级线圈N1绕组的电流被折算到次级绕组回路的电流,即:
i2(0)=i1m/n;而ф(0)正好等于控制开关刚断开瞬间变换器铁心中的磁通,即:
ф(0)=S*Bm。
当控制开关K将要关断时,i2和ф均达到最小值。
即:
i2x=-Uo
+
——K关断期间(6-11)
фx=-Uo
+S•Bm——K关断期间(6-12)
(6-11)式中,n为变换器次级线圈与初级线圈的匝数比。
当开关电源工作于电流临界连续工作状态时,(6-11)式中的i2x等于0,而(6-12)式中的фx等于S*Br。
由(6-5)式和(6-11)式,或者(6-6)式和(6-12)式,并注意到,变换器次级线圈与初级线圈的电感量之比正好等于n2,就可以求得反激式变换器开关电源的输出电压为:
U0=
D——输出电压(6-13)
(6-13)式中,Uo为反激式变换器开关电源的输出电压,Ui变换器初级线圈输入电压,D为
控制开关的占空比,n为变换器次级线圈与初级线圈的匝数比。
这里还需注意,在决定反激式开关电源输出电压的(6-13)式中,并没有使用反激输出电压最大值或峰值Up-的概念,而式使用的正好是正击式输出电压的峰值Up,这是因为反激输出电压的最大值或峰值Up-计算比较复杂,并且峰值Up-的幅度不稳定,它会随着输出负载大小的变化而变化;而正击式输出电压的峰值Up则不会随着输出负载大小的变化而变化
顺便说一下,在控制开关K关断的Toff期间,变换器铁心中的磁通主要由变换器次级线圈回路中的电流来决定,这就相当于流过变换器次级线圈中的电流所产生的磁场可以使变换器的铁心退磁,使变压器铁心中的磁场强度恢复到初始状态。
由于控制开关突然关断,流过变换器初级线圈的励磁电流突然为0,此时,流过变换器次级线圈中的电流就正好接替原来变压器初级线圈中励磁电流的作用,使变换器铁心中的磁感应强度由最大值Bm返回到剩磁所对应的磁感应强度Br位置,即:
流过N3绕组电流是由最大值逐步变化到0的。
由此可知,反激式变换器开关电源在输出功率的同时,流过次级线圈回路中的电流也在对变换器铁心进行退磁。
图10工作于临界状态
图10是反激式变换器开关电源,工作于临界连续电流状态时,整流输入电压uo、负载电流Io,变换器铁芯的磁通,以及变换器初、次级电流等波形。
图(10-a)中,变换器次级线圈输出电压uo是一个带正负极性的脉冲波形,一般负半周是一个很规整的矩形波;而正半周,由于输出脉冲被整流二极管限幅,当开关电源工作于连续电流或临界连续电流状态时,输出波形基本也是矩形波。
因此,整流二极管的输入电压uo的正半周幅度与输出电压Uo或储能滤波电容的两端电压基本相同。
因此,整流二极管的输入电压uo的幅值Up与半波平均值U
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