自激式开关电源的原理.doc

1、1第 3 章 自激式开关电源的原理与应用自激式开关电源利用调整管、变压器辅助绕组构成正反馈通路，实现自激振荡，再借助反馈信号稳定电压输出。由于调整管兼作振荡管，所以无须专设振荡器，故所用的元器件较少，电路简单、成本低，在一定程度上简化了电路。由于自激式开关电源经济实用，目前仍有较多的电子设备采用自激式开关电源，比如手机充电器、打印机、自动化仪器仪表、电视机和显示器等。本章拟在讲述自激式开关电源基本电路的基础上，以几种变压器耦合型自激式开关电源的电路实例为载体，配合关键点的测试波形，剖析它们的工作原理，希望引领读者进入开关电源的万千世界。3-1 自激式开关电源的工作原理3.1.1 自激式开关电源

2、的特点1自激式开关电源现在所有由市电供电的 AC-DC 设备，几乎全部采用变压器耦合型开关电源，也称为隔离型开关电源。功率管周期性通断，控制开关变压器初级绕组存储输入电源的能量，通过次级绕组进行能量释放。显然，开关电源的输入与输出是通过变压器的磁耦合传递能量的。由于变压器绕组之间是绝缘的，因此初次级绕组完全隔离，即“热地”和“冷地”是绝缘的，且绝缘电阻和抗电强度均可达到很高，这一特点对用电安全尤为重要。若开关管的激励脉冲是由变压器辅助绕组与开关管构成的正反馈环路自激振荡产生的，称为自激式开关电源。由于自激式开关电源的调整管兼作振荡管，因此无须专设振荡器。除非特别说明，本书讲述的自激式开关电源均

3、是指自激式变压器耦合型开关电源，下面就介绍这方面的知识。2自激式开关电源的特点（1）自激式开关电源结构简单，生产制造成本低廉。（2）自激式开关电源的脉冲信号是自激振荡产生的，是一种非固定频率的变换电路，随输入电压和负载变化而变化，轻载时开关频率较高或间歇振荡，满载时频率会自动降低。（3）自激式开关电源在占空比 D 发生改变时，开关管的 与 相对值发生变化，因此CIEUD 变化范围较小，一般小于 50%。（4）自激式开关电源具备一定的自保护功能，一旦负载过重，必然破坏反馈条件，振荡将因损耗过大而减少或和间歇振荡，因此保护电路比较简单，这是自激式开关电源的一大优点。（5）自激式开关电源的电流峰值高

4、、纹波电流大，由于工作频率随输入电压和负载电流变化而变化，在高功率、大电流工作时稳定性差，故仅适宜 60W 以下的小功率场合。由于许多办公设备、手机充电器和仪器仪表等在这个功率范围之下，故自激式开关电源的使用相当普遍。3.1.2 自激式开关电源的工作原理 12如图 3-1 所示为自激式开关电源的基本电路。 是输入交流电压经整流的直流电压；IU是整流电压的滤波电容； 是启动电阻；VT 是功率开关管； 、 与变压器辅助绕组ICBRBRC构成 VT 的振荡电路；T 是开关变压器，初绕绕组用于储能及初、次级组能量耦合，辅助绕组产生正反馈信号；整流二极管 VD 和 组成整流滤波电路，输出平滑的直流电压

5、给负载OCOU供电。LRVD1图 3-1 自激式开关电源的基本电路初始上电时，电阻 给 VT 提供在启动电流开始导通。VT 一旦导通，变压器 T 初级绕组BR因有电流流过而发生自感，自感电动势的方向阻止电流的增大；另一方面，初级绕组同时与次级绕组、辅助绕组发生互感，次级绕组感应动势的方向使二极管 VD 反偏，辅助绕组感应动势的方向加速 VT 导通。当 VT 趋向于截止时，初级绕组因电流减小而 发生自感，自感电动势的方向阻止电流的减小（此时初级绕组与电源电压 顺向叠加） ，次级绕组感应动势的方向使二IU极管 VD 正偏，辅助绕组感应动势的方向加速 VT 截止。电压和电路波形如图 3-2 所示。

6、VT 导通（ ）期间，变压器 T 初级绕组从电源电压ONt蓄积能量；在 VT 截止（ ）期间，变压器 T 蓄积的能量释放给负载。在 VT 从导通到截IUOFt止转换瞬间，变压器初次级绕组依次出现峰值电流 、 2，见图 3-2（a） 、 （b）所示。初、PI1次级绕组均为脉冲电压，且相位相反，见图 3-2（c） 、 （d ）所示。 为整流二极管导通压降，FU是 的正脉冲，等于输出直流 与二极管导通电压 的叠加。 结束时，变压器初级2uOUOt绕组感应电动势 自由振荡返回到零。VT 基极连接的辅助绕组也称正反馈绕组，因变压器互11 有些文献称之为 RCC 变换器，RCC 指 Ringing Cho

7、ke Converter，即阻尼振荡变换器。2 图中 I1P、I 2P 是 i1、i 2 的峰值电流，下标 P 为 peak 首字母。3感产生正反馈信号控制 VT 的通断，即所谓 自激振荡。由上述工作原理可知，自激式开关电源是以功率管和变压器为主要元件组成的开关变换电路，通过自激振荡将直流电变成初级侧的脉冲电压，通过变压器耦合到次级侧，再经二极管整流与电容滤波送往负载电路。在这种电路中，由于功率管起着开关及振荡的双重作用，省去了控制电路，因此电路比较简单。 I1P0AULOCtN2+FVD=/_T图 3-2 电压和电流波形 3 图 3-3 自激式开关电源的等效电路图 3-3 所示为自激式开关电

8、源的分时等效电路， 、 分别为初、次级绕组的电感。图1L2（a） 期间开关管 VT 导通，T 初级绕组两端所加电压为 ，次级侧滤波电容 放电、电ONt IUOC压降低，供给负载输出电流 。这期间，变压器 T 初级绕组从直流电源 吸收能量、电感励Oi I磁；整流二极管 VD 中无电流，故变压器初、次级绕组无相互作用。图（b） 期间开关管 VT 截止，T 初级绕组没有电流，故图中未画出。这期间，初级绕OFt组吸收的能量耦合到次级侧，整流二极管 VD 导通，一边给电容 充电、电压升高，一边给负OC载供电，变压器初级绕组释能、电感消磁。3 一般来说，开关电源的初级绕组电压高、电流小，次级绕组电压低、电

9、流大，而辅助绕组主要起正反馈控制作用，电压与电流均比较小。（a） 期间Ot（b） 期OFt间43.1.3 自激式开关电源简易电路自激式开关电源的简易电路如图 3-4 所示。它由电源输入滤波、整流滤波、启动及主开关、浪涌电压吸收、次级侧整流滤波和稳压检测等电路组成。关于电源输入滤波和整流滤波，在第二章中已经作了详细阐述，下面着重介绍主开关和各种保护电路。 VT1CsRD2LUOA0+_NPSaBE35图 3-4 自激式开关电源的简易电路1主开关电路主开关电路是保证输出电压稳定而通断整流平滑的直流电路，它是开关电源的重要组成部分。对于自激振荡开关电源来说，功率管 VT1 的集电极峰值电流 是决定电

10、源输出功率之值，CPi它由开关管的基极电流 与晶体管基区电荷存储效应时间 4决定。为了方便讲述，这里把基Bi stg极驱动电路单独画出来，如图 3-5 所示。辅助绕组 产生的正反馈电压，使晶体管 VT1 的基极电流按 时间常数衰减，这期间aN1RB等于 ，VT 1 的集电极电流 从零线性增加 5。当 两端电压达到二极管 VD2 的正向压降时，Bi CiC4 存储时间对应晶体管接收到关断信号到集电极电流下降到 90%的时间，也就是饱和时基区的超量存储电荷的消散时间。存储时间与导通时的饱和深度有关，同时也跟关断电压和 dv/dt 有关。饱和度越深存储时间越长。5 VT1 的集电极电流 就是变压器主

11、绕组的电流，电感电流不能突变，要从零线性增加。Ci5电流 经 VD2 流通，这之后因二极管 VD2 的箝位作用， 为零， 等于 ，VT 1 的集电极电Bi 1Bii2B流 继续增加。C tONUI/LPsg.hFE+( )oVTaRD3（a）基极驱动电路 （b）电流波形图图 3-5 基极驱动电路及电流波形图当 VT1 的集电极电流 增加到 之后，在 VT1 存储电荷 期间， 还会继续增加，CiFEBhistgCi若增加接近 （= ）时，在 VT1 基极施加反偏电流，则 VT1 转为截止。CPistgPIFEBLUh/的大小与 有关， 越小 就越大。若这样确定 以后，则当输入电压升高或输出电CP

12、iRCi BR流减小时，有必要使 VT1 基极电流不需要的分量流经其它电路，VT 2 的其中一个作用就是为此而设（另一个用途是过流保护） ，这样就能保持输出电压稳定。电路中，辅助绕组 经 VD3、 整流滤波后给光电耦合器（简称光耦）供电，输出端的aN2电压变化经光耦反馈到输入侧，控制 VT2 分流 VT1 基极电流。当输出电压稍稍升高时，光耦中的 LED 光通量增加，光电管的集电极电流增大，导致 VT2 的基极电压升高，集电极电流增大，形成使 VT1 基极电流 减小的负反馈闭环路。 VT1 基极电流 一旦减小，集电极峰值电流 也Bi Bi CPiVT1 电流放大系数FEh输入整流滤波电压IU变

13、压器主绕组电感量电压PL晶体管基区电荷存储时间stg6减小， 变短，占空比减小，输出电压下降。ONt另一方面， 随输入电压升高、输出电流的减小而变短，因此输入电压最高，输出电流t最小时 最短。若输入电压升高、输出电流又下降某一极限值时，电路就不能维持正常振荡，ONt产生如图 3-6 所示的间歇振荡 ，这时开关变压器会出现振动噪声。为了避免出现间歇振荡，必要时在输出端接假负载。图 3-6 间歇振荡2过流保护电路在电源接通瞬间或输出短路时，光电耦合器停止工作，VT 2 为截止状态，此时正反馈电流全部流经 VT1 的基极。当输入电压较高时，基极电流与输入电压成比例增大，开关管集电极电流也成比例增大，

14、这样，变压器就可能会达致磁饱和状态，VT 1 将因过流而损坏。为了保护VT1 始终工作于安全工作区，有必要设置过流保护电路，防止开关管集电极无节制地增大。如图 3-7 所示是几种过流保护电路实例。最常见的是 图（a）所示电路，采用专用的过流保护晶体管；图（b）所示电路用两只二极管替代晶体管，保护效果不如前者。在图（a）中，若过流检测电阻 压降接近 VT2 的 时， VT2 开始导通，分流 VT1 的基ERBEU极电流，防止 VT1 电流过大。显然， 电阻 阻值愈小、检测的动作电流愈大。在许多自激式开关电源中，该电阻取值为几欧姆以下，功率为 12W。即便如此，一旦发生短路等严重故障，被烧毁的现象

15、仍然非常普遍。在图（b）中，当 VT1 基极电压大于两只二极管的串联死区压ER降时二极管导通，分流 VT1 的基极电流，防止 VT1 电流过大。7RVT1E2（ a）晶体管保护 （b）二极管保护图 3-7 过电流保护电路实例自激式开关电源简易电路的过流保护采用图 3-7（a）方案， 如图 3-8 所示。toUC0.6I/LPhFiB+()sgON（a）过流保护电路 （b）工作波形图 3-8 过流保护电路及工作波形当开关管 VT1 的集电极电流增加时，若过流检测电阻 两端电压接近 VT2 的 （VT 2ERBEU的 达到 1.2V 以上） ，则 VT1 的基极电流被 VT2 分流，从而限制了 V

16、T1 的集电极电流 的增CEU Ci加，达到保护的目的。VT2 的 在数值上等于 VT1 的 与 的压降之和， VT1 的 基本为常数， 的压EBEUBEER降是 VT1 发射极电流 在 上作用的结果。由图 3-8（b ）可以看出， 前沿 VT2 的 电iERONtCU压上冲幅度较大，但此时 VT1 的集电极电流 为零，由于 = + ，因此这个上冲幅度较大CiEiCBi的电压是 在 上的体现，可见在 前沿基极电流 相当之大（即 的初始分量 ） 。BiEONtB 1Bi当基极电流按阻容时间常数衰减并进入相对稳定值，集电极电流 从零线性增加，且 增CiCVT1 电流放大系数FE输入整流滤波电压IU

17、变压器主绕组电感量电压PL晶体管基区电荷存储时间sg8加量远大于 的稳定值（即 的后续分量 ） ，故在 前沿的转瞬之后，VT 1 发射极电流BiBi2BiONt近似于 的幅度增大。由此可见，VT 2 的 由导通瞬间的急速增大、快速下降，进而以近EiC CEU似于 斜率上升。3漏感电压尖峰吸收电路在反激式开关电源中，开关变压器兼起储能电感的作用，变压器磁芯处于直流偏磁状态。为防止磁芯饱和需要较大的气隙，因此漏感比较大，电感值也相对较低。当功率管由导通变成截止时，变压器的绕组上会产生尖峰电压，该电压是由变压器漏感（即漏磁产生的自感）形成的，它与直流电压 和感应电压叠加后很容易损坏功率管。为此，必须

18、增加箝位保护电路，对IU尖峰电压进行箝位与吸收。通常使用 RCD 吸收电路加在变压器初级绕组两端，如图 3-9 所示。二极管 VD1 导通期间，开关管 VT1 两端的电压 是输入电压 与吸收电路中电容 充CEUI SC电电压 之和。二极管 VD1 导通瞬间，流经二极管 VD1 的电流 峰值很大，等于开关管关断S Si时变压器主绕组的峰值电流 ，但平均电流小。由波形可知，二极管 VD1 的电流斜率很陡CPi（di/dt 较大） ，故需要选用噪声特性良好的高压、高速二极管，比如快恢复，超快恢复二极管（不能用肖特基二极管，因其反向耐压较低） 。此外，与其并联的小电容可以改善二极管 VD1的噪声特性。

19、 VTsRDo+/( ).输入整流滤波电压IU输出整流滤波电压O变压器主绕组匝数PN变压器次级绕组匝数S9（a）吸收电路 （b）工作波形图 3-9 吸收电路及工作波形4输出整流滤波电路输出整流滤波电路是由整流二极管、电解电容和电感组成，如图 3-10 所示。流经整流二极管的电流与功率管集电极电流变化趋势相反，在 前沿最大，随后线性下降。输出电流有效OFt值为平均电流的 1.41.6 倍。整流二极管上的反向电压为输出电压的 23 倍。U+_NSiCPoDI/().（a）输出整流滤波 （b）工作波形图 3-10 输出整流滤波电路及工作波形5稳压检测电路稳压检测电路是由光电耦合器、精密基准电源 TL

20、431 和几个阻容元件组成，如图 3-11（a）所示。稳压电路的作用把输出电压的变化转化为光电耦合器中光敏二极管发光量变化，该变光敏三极管的等效电阻，影响脉宽调制管的起控电压，进从控制调整管的占空比，最终稳定输出电压。在许多情况下，光电耦合器中的光敏二极管会并联一个电阻（1k 以下） ，如图中虚线框内所示，这样 TL431 的工作电流比不并联电阻时要大，使 TL431 工作在线性区。另外，阻容电路（电阻与电容位置可以互换）并联于 TL431 的调整端（C）与参考端（R ）之间，可以起到频率补偿之用。若把 TL431 内部功能框图与外面阻容电路结合在一起画出来，如图 3-11（b）所示。少量电路

21、中，不用电阻，直接用一只电容，其作用同此。若忽略 TL431 参考端的输入电流，则输出电压 为OUREFOV31式中，V REF 是 TL431 参考端（R）对地电压，也是 TL431 内部的基准电压，V REF =2.5V。输入整流滤波电压IU输出整流滤波电压O二极管导通电压F变压器主绕组匝数PN变压器次级绕组匝数S10UO+_NSVR13refAnodCathTL4（a）稳压检测 （b）TL431 频率补偿电路图 3-11 稳压电路113-2 自激式开关电源的应用由于自激式开关电源经济实用，目前仍有较多电子产品采用自激式开关电源供电，下面就来介绍自激式开关电源在常见电子产品中的实际应用。特

22、别说明，为了研究和观察的需要，笔者选用美国泰克公司出品的 TDS2024B 数字存储示波器，通过面板的“打印”功能，把示波器测试的波形图下载到 U 盘中，然后再转贴到文稿中。如图 3-12 所示为 TDS2024B 数字存储示波器面板示意图。图 3-12 TDS2024B 数字存储示波器3.2.1 简易手机充电器 6如图 3-13 所示为深圳市某电子有限公司生产的简易手机充电器。产品规格：输入 AC180240V，50/ 60Hz&0.1A；输出 DC6.5V，500mA（MAX）。图 3-13 自激式简易充电器如图 3-14 所示为自激式 简易手机充电器电路原理图。6 原稿由笔者发表在 20

23、04 年无线电第七期，当时测试的充电器与本节所用充电器基本相同，但内容有删改。12D1N40732保C.F/Vp5896JPLERk WBQMTA图 3-14 自激式简易充电器电路原理图由于充电器的输出功率较小、体积小，所以没有设置电磁干扰抑制电路。市电经保险（也叫熔断电阻，兼具电阻和保险丝的双重功能）输入， D1D 4 桥式整流、 滤波得到约1R 1C300V 的直流电压，经开关变压器 T 主绕组加到开关管 （13001）集电极。轻载时，市电输入Q整流滤波后的直流电压约 322V，如图 3-15 所示。图 3-15 整流滤波电压波形1自激振荡及工作波形初始上电时，电阻 给开关管 提供启动电流

24、，一旦启动工作，断开 系统仍能自激振2R1Q2R荡，但断电后不能重新启动，故 称启动电阻。2导通时，集电极电流 由零开始上升，主绕组（- ）电感励磁储能，感应电压“上1QCi整流滤波电压近似于锯齿波直流电压平均值基准电平通道 CH1 档位13正下负” 。根据变压器同名端可知，辅助绕组（-）感应正极性电压，经阻容振荡电路加到基极、加速其导通饱和；次级侧，二极管 D8 反偏截止 。 截止时，变压器绕组极性反转，1Q1Q辅助绕组形成使 基极电流减小的正反馈、加速其截止， 放电以准备进入下一个振荡周期；1 3C次级侧，二极管 D8 正偏导通，变压器次级释放能量供给负载。在图 3-14 中， 充电时间设

25、定了 导通的最大脉冲宽度。实际上，在开关电源中，所谓3C1Q开关管的饱和并非指手册上规定的集电极饱和电流，而是电容充电临近结束时，使加到开关管基极的正反馈电流减小，开关管达到 的状态。也就是说，这种饱和是 限制下的饱和，BiC Bi使开关管的 减小，通过正反馈转入截止状态。Ci本电源没有设计初、次级绕组的反馈通路，次级侧输出电压由稳压管 D7 的稳压参数设定，D7 的稳压数值越大，输出电压越高 。当负载一定时，电容 两端电压约为 5.7V，等于 D7 的反向击穿电压与 的 之和。4 2QBEU若由于某种原因致使输出电压升高， 两端电压也升高，D 7 的击穿电流增大，促使 提前导4C通、分流 基

26、极电流，使 提前达致转折点， 的通态时间变短，储能电感的储能减小，开1Q11Q关电源的输出电压必然降低这就是 的脉宽调制功能。2（1）Q 1 基极和集电极电压波形用数字存储示波器测量 基极和集电极电压波形，如图 3-15 所示。1图 3-15 Q1 集电极（CH 1）和基极（CH 2）电压波形由图 3-15 可见，开关管 的 基极、集电极均为高频脉冲电压，前者脉冲 上升沿与后者脉冲下降沿、前者脉冲下降沿与后者脉冲上升沿，在导通时间上均为同步关系，在控制关系上二者反相。需要指出的是，无论脉冲上升沿或下降沿均不如它激式开关电源陡峭（参见第 4 章） ，这是自激式开关电源的特点。开关频率通道挡位CH

27、1 振幅约占 8 格，指示Q1 集电极脉冲电压幅度：8div 50V/div=400VCH2 振幅约占 3 格，指示 Q1 基极脉冲电压幅度：3div 500mV/div=1.5V14在图 3-15 中， 导通期间（ ）集电极电压为零； 截止期间（ ） ，集电极电压1QONt 1QOFt（不计截止瞬间的尖峰脉冲）接近 400V。该电压是输入电源整流滤波直流电压与主绕组自感电压之和，因为这期间主绕组感应电压“下正上负” ，所以叠加电压远高于输入电源整流滤波电压。顺便提一下，图 3-15 右下角 96.4234kHz 为开关管工作频率 7，会随输入电压及负载而变化。工程实践中，刚刚接触开关电 源的

28、新手往往会犯一个共同的致命 错误：拿测试普通电路的方法测开关电源！如图 3-16（a）所示为示波器直接测试是开关电源高压侧的原理 简图。由于示波器“保护地（G）”与探头地在 仪器内部直接相连（同时也接机壳），当探头地连接到开关电源的“热地”时，一旦接通电源，开关电源的保险管就会立即 烧毁。 这是因为火线 （L）经保险管、整流二极管和探 头地连接到“保护地 ”上，而“保护地”和零线（N ）通过大地是连在一起的，即电网的火线（L）与零线（N ）经过保险管、二极管构成回路，故，一定会烧毁保险管。如图 3-16（b），市电电网经变比为 1:1 的隔离变压器输出交流电，次级绕组两端没有火线（L）与零 线

29、（N）之分，只有电压的相对高低。当探头地连接到开关电源的“热地”时，次级绕组两端均通过相应的整流二极管、探 头地连接到“ 保护地”上，但隔离变压器的初次级绕组均不会被短路，开关电源可以安全工作。当然，如果工作现场隔离变压 器，可以考 虑把示波器中间的接地 线与插座的接地线断开。不过，当示波器探头地连接到开关 电源的“ 热地”时，示波器外壳与市电只隔了一只二极管，所以对人体是危险接的。另外，由于示波器接地线断开，其内部开关电源产生的共模干扰无法滤除，可能会起影引起仪器的稳定性和测量精度。 AC20VDR:T（a）不经隔离变压器测试，错误 （b）经隔离变压器测试，正确图 3-16 示波器测试开关电

30、源的方法7 自激式开关电源振荡频率与输入电压和负载大小有关。负载一定，但市电随机波动影响输入电压轻微变化，因此示波器测试的开关频率会轻微变动，小数点后的数字会跳变。阅读资料15（2） 基极和发射极电压波形1Q用数字存储示波器测量 基极和发射极电压波形，如图 3-16 所示。1图 3-16 Q1 发射极（CH 1）和基极（CH 2）电压波形发射极电压是 在 形成上的压降，因 只能从发射极经 流到地，由图 3-16 可见，1QEi4REi4R发射极电压只能大于或等于零。根据测试的电压峰值约 472mV，可计算出发射极电流峰值约为100mA（= =472mV/4.7） 。4/UR关掉通道 CH2（基

31、极） ，放大通道 CH1（发射极电压）波形，如图 3-16 所示。发射极脉冲电压的前沿有瞬时上冲、随即下降的情况，这是基极电流的作用，该电流以 指数下降，随35CR后集电极电流 线性增加且占主导地位，发射极电压以近似集电极电流 的斜率线性增加。Ci i图 3-16 Q1 发射极（CH 1）电压波形开关频率1.52sCH2 振幅约占 3 格，指示 Q1 基极脉冲电压幅度：3div 500mV/div=1.5VCH1 振幅约占 2.5 格，指示 Q1 发射极脉冲电压幅度：2.5div 200mV/div=0.5V16根据图 3-16 所示波形数据，可计算出开关电源的占空比，方法如下：启用数字存储示

32、波器的复合测量按钮，测量出 的导通时间 约为 1.52us，开关频率约为 98.5Hz。1QONt由于调整管的开关频率 98.5Hz，则f10.15（s）kHzfT5.981占空比为13.2%1.02TtDON（3）辅助绕组和 基极电压波形1Q用数字存储示波器测量辅助绕组和 基极电压波形，如图 3-17 所示。1图 3-17 辅助绕组（CH 1）和 Q1 基极（CH 2）电压波形由图 3-16 可见，辅助绕组与 基极为同步的脉冲电压，前者电压幅度大约 36V，后者电1压幅度大约 1.5V。当 导通时 辅助绕组电压“上正下负 ”，端的电压峰值接近 36V，该电压1Q是辅助绕组感应电压与电容 两端

33、电压的叠加；当 截止时 辅助绕组电压“上负下正” ，由于4C1开关二极管 D5 的箝位作用， 端的电压为-0.6V 。虽然辅助绕组的脉冲电压幅度较大，但经阻容电路（ 和 ）限制之后，加到开关管5R3C基极的电压幅度却比较小。1Q2过流保护及直流输出CH2 振幅约占 3 格，指示 Q1 基极脉冲电压幅度：3div 500mV/div=1.5VCH1 振幅约占 1.8 格，指示辅助绕组脉冲电压幅度： 1.8div 20V/div=36V 36V17过流检测电阻 是一个非常关键的元件， 两端电压与 发射极电流成正比。当 两7R7R1Q7R端电压接近 的 时， 开始导通、分流 基极电流，对 进行保护。

34、若电流过大，则2QBEU21饱和， 截止。21顺便提一下，实际工程应用中，次级侧整流 D8（1N5819）常设在图中 B 位置，方向为“左正右负” 。发光二极管 D9 用于电源指示。3充电器的拓扑电路结构不同但功能相同的电路称为拓扑电路。如图 3-18 所示为简易手机充电器的拓扑电路（东莞某电子公司采用之） 。变压器初级侧电路结构稍有不同（虚线框内） ，但原理本质与工作效果是一样的。N40保C.F/Vp56JPLk WMT-图 3-18 充电器的拓扑电路正反馈绕组经 D5、 整流滤波产生负电压，大小约等于稳压二极管 D7 的击穿值。D 7 分4C流开关管 的基极电流，负电压越大分流越多、 导通

35、时间越短。因此 D7 设定了输出电压，1Q1QD7 的稳压数值越大，输出电压越高。过流检测电阻 与 组成过流保护电路，工作原理同简易手机充电器。有些公司为了节7R2省成本干脆把 去掉（ 也随之省了） ，在稳压二极管的负极与地之间串接一只几千欧的电阻26用作 D7 的限流，电路结构进一步简化。但简化电路的安全性、可靠性都降低了，当电路工作异常时，开关管 和 会同时烧毁坏。1Q7183.2.2 带有反馈控制电路的简易手机充电器如图 3-19 所示为中山市某电子有限公司生产的 USB 接口充电器。厂家为了节约成本，把交流输入采用半波整流，高压侧的电路结构与简易手机充电器相同，只有个别元件参数不同而已

36、。为了保持输出的直流电压稳定，该电路初、次级之间有光电耦合器提供反馈控制信号。通过光电耦合器中 LED 检查输出电压的变化，改变光电耦合器中三极管的导通程度，进而控制分流 基极电流，调整 的导通时间，改变占空比，稳定输出电压。由于 的阻值较小，2Q11Q15R压降可以忽略不计，故输出电压约为光电耦合器中 LED 的压降（经验数据约为 1V）和稳压二极管 D7 的稳压数值二者之和。发光二极管 D5 用于电源指示。发光二极管 D6 用于大电流充电指示 只有充电电流大到在电阻 的压降为 0.6V 以上 D6 才亮。因为若发光二极管 D6 点亮，则电阻 的压降为 0.6V，8R 8R因此则流过 的电流

37、为=0.6V/2=300（mA）88/RUIR若负载所需更大电流时， 的电流继续增大，其电压可增至 0.7V 以上。此后，将由三极管 发射结增补输出电流，二者叠加，满足负载的需要。3Q（a ）实物图19C10uF/4VQ32957pDN8RkMW6.UELSB接 口K GrendT（b）电路原理图图 3-19 带有反馈控制电路的简易充电器3.2.3 具有输出短路保护功能的镍氢电池充电器 8具有短路保护功能的镍氢电池充电器电路如图 3-20 所示，下面分析其工作原理。AIPH-so+J图 3-20 具有短路保护功能的电池充电器原理图8 原稿由笔者发表在 2004 年无线电第八期，本文有删改。20

38、本电路的强电部分与“简易手机充电器”中的电路基本相同，变压器规格尺寸也相同，区别仅在开关管 VT1 改为中功率管 13003，并增加稳压反馈控制电路。另外，由于输出功率较大，变压器各相绕组的匝数也不相同。1稳压控制电路次级绕组电压经 VD5、 整流滤波后得到直流电压，经 、 分压加到 IC2（TL431）6C20R1参考端（R ） ，通过光电耦合器控制 VT1 的通断，调整输出电压。根据 TL431 的工作原理，输出电压为 )/(210VUREFO式中， =2.5V。代入图中参数，得REFV（V）.5)74/.1(5.2提示： 是指相对于 GND2 的电压，这是因为 IC2（TL431）的参考

39、地为 GND2。考虑到OU正常充电时 的压降，故滤波电容 两端的电压比 高。sR6COU2待机指示电路当电路不接电池时，开关电源间歇振荡工作。电阻 与 IC3（TL431）构成 2.5V 基准电压，10R一路送到 IC1 的脚（运放 2 单元的反相端） 。另一路经 、 分压后加到 IC1（LM393）的2脚（运放 1 单元的反相端） ，由于 （1M）是 （10k ）的 100 倍，故脚电压约为12R1325mV。由于没有接入电池，充电回路无电流流过， （0.5/1W）压降为零，故 IC1 的脚（运放 1 单元的同相端）与 GND2 相同，为零电平。此时，运放 1 单元反相端电压高于同相端，故脚

40、输出为低电平，此时共阳极发光二极管的黄灯（LED-1）亮。共阳极发光二极管的导通电压差不多，由于黄灯（LED-1）的箝位作用，红灯（LED-2 ）负极接 与 的节点（电压约为 2.37V） ，因此红灯不能点亮。 也就是说待机时，黄灯亮、红灯8R9灭。待机时，LM393 两个运放单元各端电压如表： 运放 1 单元约为零伏 约 25mV 约为零伏 运放 2 单元VT4 临界导通（虚高） 2.5V 接近电源电压213充电指示电路接入 2 节镍氢电池后，若电池电压较低 9，经 、 （ 滤除杂波）分压加到 IC1 的16R7C脚（运放 2 单元的同相端）电压低于 IC1 的脚电压。此时，运放 2 单元反

41、相端电压高于同相端，故脚输出为低电平，VT 4 导通为电池充电。若充电电流大于 50mA，则 的压降大于 25mV，由于运放 1 单元同相端电压高于反相1R端，脚输出为高电平，黄灯熄灭，此时二极管共阳极电压被抬高，红灯点亮。随着充电的进行，电池电压逐渐升高，当 BATT+相对于 GND2 点电压升高接近 2.875V 时，IC1 的脚电压接近于 2.5V， 脚输出电压升高，VT 4 基极电流减小，输出电流相应减小。若减小到接近 50mA 时， 的压降接近 25mV，运放 1 单元的、脚电压比较接近，脚输出电1R压下降，此时红、黄灯同时点亮，但亮的程度不同。由于它们封在一个管壳内，总的显示效果为

42、橙红色。随着充电的继续进行，充电电流更小，输出电压更低，黄灯点亮程度变得更大、红灯点亮程度变得更小。整个充电过程中，随着充电电流由大变小、发光二极管从红色橙红色橙黄色逐渐转变，当充电电流小于 50mA 时，几乎为黄色。充电时，LM393 两个运放单元各端电压如下表： 运放 1 单元 从电源电压逐渐降低到零 约 25mV 充电电流与 R11 之积，随充电电流减小而减小 运放 2 单元 电池经 R16 与 R17 的分压，随电池电压升高而升高 2.5V 从零逐渐升高到电源电压4输出短路保护电路若由于某种原因充电电流过大，比如超过 450mA 时，则 的压降为 540mV（即 GND2 的sR电位高

43、于 GND1） ，该电压经 加到 VT3 基极，VT 3 开始轻微导通，由光电耦合器通过一系列2R反馈，调整输出电压降低。充电电流越大， 的电压越大， VT3 导通程度愈强，调整输出的电s压越低。即使输出短路，电路依然有输出电压，该电压由 VT4 的 、 和 分摊，次级绕ECU1s组不会被损坏，故障排除后电路仍能恢复正常工作状态。9 镍氢电池电压变化范围较小，电用完时电压约为 1.2V，充满电时约为 1.45V。223.2.4 惠普 HP1018 打印机开关电源目前许多打印机使用自激式开关电源，根据功能和打印方式的不同，打印机可分为针式打印机、票据打印机、喷墨打印机、激光打印机等多种。如图 2

44、-21 所示为惠普 HP1018 激光打印机开关电源原理图，它主要由市电交流输入及变换、定影系统供电、主电源等电路构成，各部分电路工作原理如下。1市电输入及变换开关电源输入电路是指高频干扰抑制、整流和滤波电路，其作用是把电网的工频交流电变换为平滑的直流电，给开关电源提供输入电压，并抑制和滤除输入端的高频双向干扰。有关输入电路各元器件的作用可参见第 2 章之表 2-1。2定影系统供电及控制通电后，打印机 CPU 经由接插件 J201 之 19、21 脚送入高电平，因 J201 的 7 脚为+5V（来自于主控板）， 与 均导通。其中， 导通，经光耦 SSR101（3SF21）给双向可控硅102Q3

45、102Q（BCR5KM）提供触发信号致其导通； 导通，继电器 RL101 触点吸合，此时市电通过10 3接插件 J101 为陶瓷片供电加热。当加热陶瓷片的温度达到 185左右时，J 201 之 19 脚变为低电平， 截止、 关断，陶瓷片加热停止，与此同时，微处理器发出指令使“准备好”灯点10210亮。另外，该机具有节能功能。如果在设定时间内打印机仍未工作，则 J201 之 21 脚变为低电平，截止、继电器 RL101 触点 释放，机器进入待机状态。103Q双向可控硅 主回路两端并联的 SQ101 是一个阻容串联复合体，复合体电阻为 120，电10容为 0.1F/AC275V。在可控硅关断瞬间，

46、阻容复合体吸收感性负载的瞬变高压（也可以理解为“剩余能量”），保护可控硅。这种阻容复合体吸收电路，在交流市电的可控硅供电系统中已经成为必选。23FU10T5AH/2VSWMECn3.u7RL46DN98JQ-Kpk*BP IZa供+图 3-21 惠普 HP1018 打印机开关电源原理图243主电源该机是由功率管 （2SK2700 是 MOSFET）和开关变压器 T501 为核心构成的自激式开501Q关电源。（1）开关管 Q501 的开关过程输入整流滤波电压约 300V，一路经保险电阻 （0.22）、T 501 主绕组 加到开关管漏523RPN极（D）；另一路经 加到 栅极（G ），提供启动电压

47、。正反馈绕组 经阻容元501R3501 a件与开关管 组成振荡电路， 既是开关管又是振荡管。高压电容 （680pF/1kV）并501 501C联在 的漏-源极之间，用于抑制 关断瞬间 产生的浪涌电压。501PN导通时 为正极性电压，一方面经 、 和 送到功率管栅极加速其导通；501QaN504R502由于 是电压控制型元件，栅极所需的电流极少，这期间 两端电压变化较小。另一方面经 （12k）给 （0.047F）充电，约 0.6V 时 开始导通， 正电压被 发射结506R503C502Q503C502Q箝位。由于 充电时间常数较大，故在 导通一段时间后 才导通，迫使 截止。50121截止时 为负

48、极性电压，一方面经 、D 502 和 （D 502 旁路 ）到 栅极501aN4R5050R50加速其截止；另一方面经 和 D503 给 放电（ 和 D503 旁路 ），促使 退出导507R503C762通，转为截止。继续放电约-0.6V 时 D501 开始导通，因此 负电压被 D501 箝位。503如图 3-22 所示为 A 点为参考电位，测得的功率管栅极的电压波形，栅极电位始终高于 A点电位，振幅在约为 1.6V。图 3-22 以原理图 A 点为参考电位功率管栅极的电压波形3.6V 2V25由上述分析可知， 栅极通路 充、放电的通路不同， 发射结并联电容 充、501Q502C502Q503

49、C放电的通路也不同，它们均是充电时间常数大、充电慢，放电时间常数小、放电快。 的充2电时间设定了开关管 导通的最大脉冲宽度，在此脉宽之内受控于脉宽调制管 ；其充电501 50慢、放电快有利于 快速截止。 充电慢是为了满足 具有最大导通脉冲宽度，放电快503501是便于进入下一个控制周期。（2）稳压控制次级侧，整流管 DA501（FCH10U15）是共阴极（肖特基）二极管，FU 501 是延时型可恢复保险丝（防止输出短路）。整流后的脉动电压，经由 、 和 组成的 型滤波器，变506C1L507成纹波很小的直流电。稳压电路受光耦 PC501 和集成运放 IC501B 控制。 与 ZD501 组成二极管稳压电路产生