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开关电源原理

第三章:

SPS原理介紹

轉換式電源供應器

1.SPS定義

只要能夠供給我們電能的裝置,我們稱之為電源.無論是何種電源

裝置都是利用能量守衡定律，通過某種轉換電路來完成電壓的轉換.

轉換式電源供應器（SwitchingPowerSupply,簡稱SPS）為荷蘭人Neti

R.M.Rao于1970年所發展研出來,是一种非線性轉換式電源供應器.

就是將輸入交流電壓整流濾波後的直流高壓作一定頻率的切換成高壓

方波信號.該信號經隔離變壓器轉換成低壓直流,再對其加以整流濾波得

到固定直流電壓輸出.

由于微電子的迅速發展，如今的用電設備對電源系統的要求在設計

上性能更加完善，效率更高，重量較輕，体積小和高的功率。

SPS正是

這种趨下的新產物，比以往的線性串聯穩壓器更适合。

所以在日趨复

雜的電子和電腦系統中SPS扮演了一個舉足輕重的角色。

SPS除了應用

在PC電腦上以外，亦可以用于MONITOR.TERMINAL.數值工具机.儀器.音

響.通訊与飛彈系統等領域中。

SPS與Liner線性電源供應器相比較:

重量

体積

效率

設計

連波

SPS

輕

小

高（60~90%）

難

高（30~200Mv）

Liner

重

大

低（30~40%）

易

低（5~10Mv）

表3-1

ACIN

控制回路

濾波器

整流器

變壓器

OUT

Liner方框圖圖3-1

高壓整流濾波

ACIN

EMI濾波電路

二.SPS方框圖

OUTDC

直流輸出

整流濾波電路

隔離變壓器

PWM邏輯控制電路

高壓方波切割元件

保護電路

控制電路

圖3-2

（一）.SPS方框圖

SPS方框圖如圖3-2所示一般由三部分組成:

一是輸入回路.二是輸出回路.三是控制回路.

輸入回路由EMI濾波電路.高壓整流濾波.隔离變壓器初級和高壓方波切割元件所組成，其與電网直接連接高電壓.輸出回路由隔离變壓器次級.低壓整流濾波電路所組成，其與控制回路都由低壓電子元器件組成.輸入回路与輸出回路兩者間采用隔離變壓器進行隔离確保人身與低壓電子器件之安全，這樣不僅達到高低電壓隔離,還做到高低電壓的轉換功能.控制回路由PWM電壓調整電路和保護回路組成，高低電壓回路采用光耦進行隔離.

1.工作原理

交流輸入電壓（AC）經EMI濾波電路濾波一些電网來的干擾與雜訊後,直接予以整流與濾波得到高壓直流（DC）.再將直流高壓進入方波切割器件（MOSFET）中,切割成20~200KHZ的高頻電壓方波信號.該方波信號進入隔離變壓器初級,而由次級所感應出的低壓交流電勢經整流濾波後,得到低壓穩定直流輸出,供給負載.不管輸入電壓有無變化或輸出負載是否變動,都要保持輸出直流電壓的穩定.因此,經直流輸出監控電路對輸出電壓加以監控,并把信號回饋給PWM邏輯控制電路調整占空比.從而調整輸出電壓達到穩定效果.當負載發生故障（如:

短路,過載等）時可通過保護電路把信號迅速回饋給PWM邏輯控制電路使方波切換元件停止工作,達到保護的功能.

（二）.輸入回路

1.EMI（ElectronicMagneticInterference）濾波電路:

EMI濾波電路時際上是一個π型濾波器,由電感L和電容C組成,如圖3-3所示:

雜訊在電源電路中可分為兩種:

第一種是常態雜訊.它主要產生於電路本身,可采用無源濾波電路在電路輸出端并聯電容可解決消除之.第二種是共態雜訊.它產生於輸入與輸出,輸入與機殼及輸出與機殼之間,常用的消除方法是采用EMI濾波電路.CX1,CX2,FL1組合可消除常態雜訊;而CY1,CY2,FL1組合可以消除（衰減）共態雜訊.因此EMI電路不僅對常態雜訊有效,對共態雜訊也有一定消除效果.

IN

FL1

OUT

CX1CY1CX2

CY2FG

FL2

圖3-3

2.高壓整流濾波電路

SPS產品追求國際化紛紛打入國際市場,因此SPS的輸入電壓條件就應符合世界各國的電网電壓標準（如:

110VAC47HZ,230VAC50HZ等）,一般SPS所使用的電壓：

低壓90伏特至130伏特交流電壓及高壓180伏特至260伏特交流電壓.因此就引出了一個高低電壓的轉換問題,電路如圖3-4所示:

OUT

IN

+D1D4COMC1

D2D3+

C2

SW

圖3-4

原理:

當輸入為220VAC時,D1~D4同時工作,SW處於OPENOFF狀態.若B端為正,則電流方向依順序為BD4CC1C2D2A（負）;若A端為正,則電流方向依序為AD1CC1C2D3B（負）

Vout=Vin*2f=60HZ*2=120HZ

當輸入為110VAC時,只有D3,D4在工作,而SW也處於ON狀態,若B端為正,則電流方向依序為BD4CC1COMA;若A端為正,則電流方向依序為ACOMC2D3B.

Vout=Vin（rms）*2f=120HZ

3.PWM邏輯控制回路

脈寬調制法（PulseWidthModulation縮寫為PWM）.是對開關元件的導通占空比進行調節和控制.通過調節占空比使輸出電壓基本不隨負載變化和輸入電壓的變化而變化.

在台達設計的DESKTOP轉換式電源供應器中,PWM邏輯控制電路核心一般都采用DNA1001或UC3843,UC3842來完成PWM控制調整功能.關于DNA1001.UC3842与UC3842的管腳功能在第一章已介紹，現以UC3842為例簡單介紹PWM邏輯控制原理.

（1）.工作原理

由UC3842組成的PWM邏輯控制電路如圖3-5所示，當接入市電後B+電壓經R1減壓加至UC3842Pin7Ucc腳,當該電壓上升到14v時UC3842起振蕩工作.Pin6腳輸出方波驅動信號,Q1管導通電流從變壓器Pin1腳流向Pin2腳,并經R5到地.此時變壓器Pin3腳感應出一正電勢,因D2反向截止L2繞阻不損耗電能（變壓器存儲能量）.當Q1由導通變截止後D2正向導通電壓供向UC3842Pin7Ucc腳使其工作.

（1）過流保護

當負載電流超過額定值或輸出短路時,引起Q1電流增加.當增至I*R5>1V時,該電壓反饋至UC3842Pin3腳,通過內部電流放大器使占空比變小,使輸出電壓下降,同時Pin7Vcc腳工作電壓也下降.當工作電壓下降至額定工作電壓以下時,電路停止工作,達到保護的目的.

B

R1L1

Q1

UC3842

..R5

回授控制

L2

D2

圖3-5

（2）.穩壓原理

當輸出電壓因負載由重變輕時,光藕的感光強度增大，回反饋Pin2腳的電壓也增大,通過Pin2腳內部比較器比較,使Pin6腳輸出方波變窄,即方波的占空比變小，從而使輸出電壓下降.

（三）.輸出回路

當方波切割元件動作有電流經隔離變壓器初級流過,在其次級就會根據饒組匝數比感應產生相應的電動勢（交流）.該交流電勢經過整流濾波電路後得到穩定的直流電壓輸出.

在實際電路中隔離變壓器次級繞阻只有+5V,+12V,-12V繞阻,而3.3V則通過磁開關（也叫截波器）把+5V轉換成3.3V,再經整流濾波輸出，電路圖如圖3-6所示.截波器原理同是根据調節一個方波的占空比來得到相應的電壓，所不同的是截波器利用截波電感來調節.

5VA3.3V

B

A點波形

5V

B點波形

3.3V

圖3-6截波原理

（1）輸出濾波電路

SPS与Liner相比較差异在于SPS設計上比較難，而且SPS輸出紋波比較大.因此SPS的主電壓輸出回路都常采用無源LC濾波電路.經濟,簡單,易行（電路如圖3-7a中虛框所示）.

OUT

（a）

7905

7912

一負電壓-12V

-5V

（b）圖3-7

（2）.負電壓（-12v–5v）

在SPS中對負電壓要求不高，隔離變壓器次級繞阻中隻有一個負12伏特電壓繞阻，轉換出的負電壓經整流濾波，再經線性負壓穩壓IC（7912）得出穩定的12伏特電壓.而負5伏特從負12引進輸入電壓經IC（7905）得出穩定的5伏特電壓.電路如圖3-7b所示.

（四）.控制回路

（1）.電壓調整

電壓調整電路如圖3-8所示.通過調節UR調節器的阻值改變A點的電壓（即TL431觸發極電壓）,改變TL431回路的電流大小,從而改變發光二極管發光速度.光耦C-E極內阻大小也因光強弱改變,從而控制PWM改變占空比達到調整電壓的目的.

DESKTOP時際應用中+12V與+5V共用一個TL431電壓調整回路,通過調節VR來調節+5V與+12V之間的搭配;而+3.3V常獨自采用一個TL431電壓調整回路,或者通過調節VR來調節，或者直接采用電阻固定TL431觸發極的電壓,不用UR調節.

5VSB

12V

5V

回授控制

TL431A

VR

圖3-8

（2）.保護電路

a.過電流保護OverCurrentProtectionOCP

通過PWM控制IC上的電流模式控制端來實現保護.當負載發生短路與超載時電源供應器的輸出電流增大,而在隔離變壓器初級也由於饒組間匝數比的關系流過MOSFET的電流也增大.PWM電流模式控制端所接電阻上電壓U=Ii*R增大.當U值>1V時PWM感應到并減小占空比使輸出電壓偏低,低到欠壓保護點時保護.電路如圖3-9所示.

注意:

PWMIC使用UC3843或UC3842時,Pin3電壓大于1V時該IC的Vcc電壓也會下降,當降至額定工作電壓時IC停止工作,直接保護掉.

IiIO

UC3842

R

圖3-9

b.過壓欠壓保護

DNA1002是專為轉換式電源供應器保護而設計的一個IC,對于供應器所有的輸出電壓均有獨立的監控端.受控電壓經分壓网絡分壓後與基準電壓進行比較,當大于基準電壓時會使DNA1002Pin1腳電壓由低電平變為高電平,發光二極管停止工作,PWM保護鎖定解脫,起到保護作用.電路如圖3-10所示.

+5VSB

DNA1002

監控端

圖3-10