第三节 开关型稳压电路构成与工作原理
一、开关型稳压电路构成
开关型稳压电路的构成与普通连续调整型稳压电路有相似之处,图1-22是它的构成方框图。它同样设有电源调整管,经取样电路取得取样电压,再与基准电压相比较,并将误差电压放大,利用反馈控制原理,随时调节电源调整管的导通与截止时间,实现稳压控制。但是,它与普通串联连续调整型稳压电路的控制过程有明显不同。首先,它把电网的交流电压经整流、滤波后,送到开关型调整管,因此不稳定的直流电压U1被转变为断续的矩形脉冲电压U2,开关型调整管的开关频率为十几千赫兹,甚至达到60~70kHz。将此高频脉冲电压经整流滤波得到平滑的直流电压Uo。实际上开关型调整管的控制电路也发生了明显变化。普通稳压电路的调整管工作于线性放大状态,其基极控制电压就是误差放大器输出的直流电压,通过改变调整管的直流压降来维持输出电压的稳定性;而开关电源的调整管工作于开关状态,基极控制电压是矩形或近似矩形的脉冲电压,原误差放大器输出的直流电压必须先进入开关控制电路,利用开关控制电路自动调节开关调整管基极脉冲电压的脉宽或周期,通过调节开关调整管的导通时间或周期来实现电压自动调整。因调整管工作于开关状态,因而这种电源称为开关型稳压电源。另外,此电源需设有专用的高频整流滤波电路,又称换能器。一般换能器都包括大电感(称高频扼流圈或储能线圈)、大功率二极管(称续流二极管)和滤波电容等。换能器既是滤波器、续流电路,又是电能-磁能转换器。当调整开关管处于截止状态时,利用二极管的续流作用,可将大电感存储的能量释放出来,在负载上形成连续电流;利用电感和电容的滤波作用,可减少负载电流的纹波。
图1-22 开关型稳压电路的构成方框图
由图1-22可知,输出端的直流电压Uo就是换能器提供的高频脉冲电压U2的平均电压,即:Uo=
U2。
式中,T是开关脉冲的周期,它就是开关调整管的激励脉冲的周期;T1是高频脉冲U2的脉宽,它与开关调整管的激励脉宽有关。一般激励脉宽等于T1,或与T1有关。
T1/T称占空系数,调整T1/T大小,可以调节输出电压Uo值。实际上,通过调整脉宽(即调整T1),调整脉冲周期(即T),都能够调整输出电压。
二、开关型电源电路种类与工作过程
开关电源有多种分类方法,如图1-23所示,实际应用中,要将各种方式通过不同的组合,形成某形式开关电源,如直接稳压式自激调频并联式电源、间接稳压并联自激式电源、并联他激式电源等。下面简要介绍各种电源的工作原理。
图1-23 开关电源分类方式
1.串联与并联型开关稳压电路
(1)串联型开关稳压电路 如图1-24(a)所示,它由开关管BG、储能电路(包括储能电感L、滤波电容C和续流二极管VD)、取样电路、比较放大电路、基准电压电路、脉冲调宽电路等部分构成,若储能电感L串联在输入端与输出负载RL之间,则叫串联型开关稳压电路。
图1-24 串联与并联型开关稳压电路
电路正常工作时,开关管受脉冲电压控制工作在开关状态,使输入与输出之间周期性地闭合与断开,间断地把输入的能量送入储能电路,经均衡滤波后形成直流电压输出。单位时间内输入储能电路能量的多少(即开关管在单位时间里导通时间的长短)决定输出电压的大小。
取样电路取出一部分输出电压,并将这部分电压与基准电压相比较产生出误差信号,比较放大电路将误差信号放大,再去控制脉冲调宽电路,改变控制开关管的脉冲电压的宽度,从而改变开关管的导通时间。当输出电压偏高时,误差信号使脉冲宽度变窄,窄脉冲又使开关管单位时间内导通的时间变短,从而使输入储能器的能量减少,输出的电流、电压下降。这样输出电压经过取样、比较放大、脉冲调宽电路的作用后,使输出电压向相反的方向变化,从而达到稳定目的。
(2)并联型开关稳压电路 如图1-24(b)所示,电路中的储能元件用脉冲变压器B替代,就可以得到脉冲变压器耦合并联型开关稳压电路。这种电路的特点是可以使脉冲变压器级多加几组绕组,分别构成储能电路,可以提供多路独立输出的不同电压。因此,这种形式的电路在目前的彩电中广泛应用。
2.自激式与他激式开关稳压电路
开关稳压电源在开机后,为了保证有直流电压输出,使电视机开始正常工作,应让开关管很快进入开关状态,这个过程叫开关稳压电源启动。按启动方式不同,可分为两种开关稳压电路。
(1)自激式开关稳压电路 它是利用电路中的开关管、脉冲变压器构成一个自激振荡器,来完成电源启动工作,使电源有直流电压输出。图1-25所示为一种简单实用的自激式电源电路。
图1-25 自激式并联电源
220V交流电经D1整流,C1滤波后输出约280V的直流电压,一路经B的初级绕组加到开关管V1的集电极;另一路经启动电阻R2给V1的基极提供偏流,使V1很快导通,在B的初级绕组产生感应电压,经B耦合到正反馈绕组,并把感应的电压反馈到V1的基极,使V1进入饱和导通状态。
当VT1饱和时,因集电极电流保持不变,初级绕组上的电压消失,VT1退出饱和,集电极电流减小,反馈绕组产生反向电压,使VT1反偏截止。
接在B初级绕组上的D3、R7、C4为浪涌电压吸收回路,可避免VT1被高压击穿。B的次级产生高频脉冲电压经D4整流,C5滤波后(R9为负载电阻)输出直流电压。
(2)他激式开关稳压电路 这种电路必须附加一个振荡器,利用振荡器产生的开关脉冲去触发开关管完成电源启动,使电源的直流电压输出。在电视机正常工作后,可由行扫描输出电路提供行的脉冲作为开关信号。这时振荡器可以停止振荡。可见附加的振荡器只须在开机时工作,完成电源启动工作后可停止振荡。因此这种电路线路复杂。
图1-26为实际应用中的他激式电源电路,采用推挽式输出(也可以使用单管输出),图中VT1、VT2、C1、C2、R1~R4、VD1、VD2构成多谐振荡电路,其振荡频率为20kHz左右,电路工作后可以从VT1和VT2的集电极输出两路相位相差180°的连续脉冲电压,调节R2、R3可以调整输出脉冲的宽度(占空比)。这两路信号分别经C3、R5和C4、R6耦合到VT3和VT4基极。
图1-26 推挽式开关电源的实际电路
利用可控硅的导通特性、自锁原理,可进行理想的过压保护,图1-30是过压保护电路原理图。
VT3和VT4及R7、VD3、VD4、R8构成两个独立的电压放大器,从VT3和VT4集电极输出的已放大的脉冲电压信号分别经C5、R9、ZD1和C6、R10、ZD2耦合到VT5和VT6的基极。
VT5、VT6、VD5、VD6、VD9、VD10和VD11、VD12构成脉冲推挽式功率放大电路,将VT5、VT6送来的脉冲电压进行放大,并经T1耦合后驱动开关电源主回路。VD5、VD6是防共态导通二极管,VD11、VD12为阻尼管,VD9、VD10为发射结保护二极管。电路的工作过程如下。
当VT3集电极有正脉冲出现并超过10V时,ZD1被击穿,VT5因正偏而导通(VT6处于截止状态),因同名端相关联,VT5集电极电流流经T1初级③—①绕组时,将在次级绕组④端感应出正的脉冲电压,⑤端感应出负的脉冲电压。此电压分别加到VT7和VT8基极回路,将使VT7导通、VT8截止。
当VT4集电极有正脉冲出现并且幅度超过10V时,ZD2被击穿,VT6因正偏而导通(VT5处于截止状态),因同名端相关联,VT6集电极电流流经T1初级③—②绕组时,将在次级绕组④端感应出负的脉冲电压,⑤端感应出正的脉冲电压,此电压分别加到VT7和VT8的基极回路,使VT7截止、VT8导通。
VT7、VT8、VD13~VD20、C7、C8、R11~R16、T2构成他激式推挽式开关电源的主变换电路(末级功率驱动电路)。VD13、VD14是防共态导通二极管,VD19、VD20为阻尼管,C7、R11和C8、R12分别构成输入积分电路,其作用也是防止VT7、VT8共态导通,其原理是使VT7或VT8延迟导通。VD15、VD16的作用是加速VT7、VT8截止响应。电路的工作过程同原理电路,T2次级输出正负方波电压。
VD21~VD24、C9、C10、C11、C12构成整流滤波电路,其作用是对T2次级输出的方波进行整流滤波,输出负载所需的直流电压。
VD25~VD28、C11、C12、R17、R18构成输入整流滤波电路,此电路直接将输入的220V交流电压进行整流得到所需直流电压供上述各电路工作。电路中的R17的作用是冲击电流限幅,限制开机瞬间C11、C12的充电电流的最大幅度。
3.调宽与调频式开关稳压电路
串联型和并联型开关稳压电源,在稳压工作中都要进行脉冲宽度的调整,以改变单位时间内开关管的导通时间。调整输出电压的高低有以下两种方法。
(1)调宽的方法 在开关周期一定的条件下,增减开关合上的时间,就可以控制输出电压的大小,这种方法就是调宽的方法,使用这种方法的开关稳压电路叫调宽式开关稳压电路。
(2)调频的方法 一定情况下,改变开关重复周期,可以控制输出电压的大小。这种方法就是调频的方法,使用这种方法的开关稳压电路称为调频式开关稳压电路。
在电视机中,使用调宽式的开关稳压电路是用某标准频率控制(如电视机为行逆程脉冲控制)来锁定开关管的开关频率,使其开关周期不变,使用调频式的开关稳压电路,其脉冲振荡不受外来同步信号的控制。两种方式波形变化图如图1-27所示。
图1-27 两种方式波形变化图
三、电源电路的保护措施
1.电源电路的保护措施
在稳压电源内,经常设有过流、过压或短路保护电路。这些保护电路可以设在电源调整管或开关控制电路附近,也可以设在稳压电路输出端,甚至和扫描输出电路的保护电路结合在一起。
(1)过流保护电路 若负载电路的晶体管击穿,滤波电容、去耦电容等短路,或者其他原因使输出电流超过正常值,可能将电源开关管或其他元件烧毁,为此应加设过流保护电路。
① 在电源输入端串接熔丝 熔丝是最简单的保护措施,但其熔断时间的离散性较大,且熔断时间不及时,易发生更大的故障。它仅作辅助保护。
② 设有小阻值的电阻,通过两端电压监视输出电流 在电源输出端或行输出管发射极串接小阻值保护电阻(多为0.5~10Ω),用它来监视输出电流。因通过此保护电阻的电压可监视输出电流,故又称它为检测电阻。当电流超过额定值时,电阻两端电压降加大,用此电压去控制电源开关管的激励电路,使开关管处于截止态,即无输出电压。
图1-28(a)为过流保护电路之一。VT是行输出管,Re是串接在发射极电路的过流保护电阻,R为限流电阻,VD是稳压管,C是滤波电容。在正常情况下,Re上的电流在限额之内,Ue<Uz(是VD的反向击穿电压),A点无输出,开关电源的激励电路不受其影响。当行输出级发生短路或过流时,其发射极电流超过额定值,使Ue>Uz,VD发生齐纳击穿,A点输出一定值电压,可以控制开关电源的激励级,使电源开关管无输出。
图1-28 电阻过流保护检测法
在图1-28(b)中,保护、检测用电阻R串接在输出回路,R两端电压降反映负载电流的大小,故A点输出电压即为过流保护控制电压,用此电压控制开关管的激励级,可起到保护作用。有时,不使用检测电阻,可通过检测二极管的导通、截止变化,进行过流、短路保护。
③ 利用电流互感器监视输出电流 在整机电源输入端串接电流互感器B,其次级绕组感应的电压与负载电流大小成正比,利用这一规律可监视输出电流,如图1-29(a)所示。将次级感应的交流电压整流滤波后,用直流电压去控制开关管的激励电路。
图1-29 另外两种过流保护电路
④ 用光电耦合器作过流保护 在电源输入端串接光电耦合器,如图1-29(b)所示。光电耦合器由发光二极管和光敏三极管构成。调整R2值,使发光二极管电流值适当,光敏三极管的内阻较大,R3所得电压较小,对控制(即保护)电路无影响。当负载电流超过允许值时,发光二极管电流加大,光敏三极管电流跟随加大,其等效内阻减小,R3的电压降加大,可使保护电路动作,切断电源。光敏三极管与发光二极管靠近而又隔离开,可以各成回路,各自独立,应用起来十分方便、安全、可靠。
(2) 过压保护电路 当换能器的储能电感发生短路时,有些电源开关管易发生击穿,造成某些电源输出电压值过高,使晶体管或其他元件(如电容)超过耐压值而击穿。还有,某些原因引起显像管高压过高或管内高压打火时,也能击穿视放输出管或其他电路元件。设有过压保护电路后,可保护调整管、储能电感,保护高、中压电路的有关元件。
图1-30 过压保护电路原理图
在正常工作状态,R1、R2所取电压较小,稳压管VD2反偏截止,可控硅臂VD1截止,此保护电路不动作;当被保护电路出现过压现象时,由R1、R2构成的过压取样电路可取得较高电压.使稳压管VD2处于反向击穿导通状态,VD1的控制栅极电压上升,使VD1也进入导通状态。此时VD1的正向压降很小,因它并接于电源输出端或自激振荡器两端,造成振荡器停振,起到保护作用。可控硅有自锁作用,VD1导通后,即使控制栅极电压消失,它仍处于饱和导通状态,因此电源过压保护后,此电路不能自动恢复正常工作,必须重新启动稳压电路,才能进入工作状态。被保护电路可以是行输出电路、场输出电路,或其他高、中压电路等。
2.保护电路
开关电源的许多元件都工作在大电压、大电流条件下,为了保证开关电源及负载电路的安全,开关电源设有许多保护电路。
(1)尖峰吸收回路 因开关变压器是感性元件,则在开关管截止瞬间,其集电极上将产生尖峰极高的反峰值电压,容易导致开关管过压损坏。
在图1-31(a)所示的电路中,开关管VT截止瞬间,其集电极上产生的反峰值电压经C1、R1构成充电回路,充电电流使尖峰电压被抑制在一定范围内,以免开关管被击穿。当C1充电结束后,C1通过开关变压器T的初级绕组、300V滤波电容、地、R1构成放电回路。因此,当R1取值小时,虽然利于尖峰电压的吸收,但增大了开关管的开启损耗;当R1取值大时,虽然降低了开关管的开启损耗,但降低了尖峰电压的吸收。
图1-31 尖峰吸收回路
图1-31(b)所示的电路是针对图1-31(a)电路改进而成的,在图1-31(b)中,不但加装了二极管VD1,而且加大了R1的值,这样,因VD1的内阻较小,利于尖峰电压的吸收,而R1的取值又较大,降低了开启损耗对开关管VT的影响。
图1-31(c)所示的电路与图1-31(b)所示的电路工作原理是一样的,但吸收效果要更好一些。目前,液晶彩电的电源尖峰吸收回路基本上都使用了此电路形式。
实际应用中的尖峰脉冲吸收电路是由钳位电路和吸收电路复合而成的,图1-32所示是钳位电路和吸收电路在开关电源应用时的不同效果。
图1-32 钳位电路和吸收电路在开关电源应用时的不同效果
(2)软启动电路 一般在开关电源开机瞬间,因稳压电路还没有完全进入工作状态,开关管将处于失控状态,极易因关断损耗大或过激励而损坏。为此,一些液晶彩电的开关电源中设有软启动电路,其作用是在每次开机时,限制激励脉冲导通时间不至于过长,并使稳压电路很快进入工作状态。有些电源控制芯片中集成有软启动电路,有些开关电源则在外部专设有软启动电路。