自激式開關(guān)電源的原理.doc

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58 第3章 自激式開關(guān)電源的原理與應(yīng)用 自激式開關(guān)電源利用調(diào)整管、變壓器輔助繞組構(gòu)成正反饋通路，實(shí)現(xiàn)自激振蕩，再借助反饋信號(hào)穩(wěn)定電壓輸出。由于調(diào)整管兼作振蕩管，所以無須專設(shè)振蕩器，故所用的元器件較少，電路簡(jiǎn)單、成本低，在一定程度上簡(jiǎn)化了電路。由于自激式開關(guān)電源經(jīng)濟(jì)實(shí)用，目前仍有較多的電子設(shè)備采用自激式開關(guān)電源，比如手機(jī)充電器、打印機(jī)、自動(dòng)化儀器儀表、電視機(jī)和顯示器等。 本章擬在講述自激式開關(guān)電源基本電路的基礎(chǔ)上，以幾種變壓器耦合型自激式開關(guān)電源的電路實(shí)例為載體，配合關(guān)鍵點(diǎn)的測(cè)試波形，剖析它們的工作原理，希望引領(lǐng)讀者進(jìn)入開關(guān)電源的萬千世界。 3-1 自激式開關(guān)電源的工作原理 3.1.1 自激式開關(guān)電源的特點(diǎn) 1．自激式開關(guān)電源 現(xiàn)在所有由市電供電的AC-DC設(shè)備，幾乎全部采用變壓器耦合型開關(guān)電源，也稱為隔離型開關(guān)電源。功率管周期性通斷，控制開關(guān)變壓器初級(jí)繞組存儲(chǔ)輸入電源的能量，通過次級(jí)繞組進(jìn)行能量釋放。顯然，開關(guān)電源的輸入與輸出是通過變壓器的磁耦合傳遞能量的。由于變壓器繞組之間是絕緣的，因此初次級(jí)繞組完全隔離，即“熱地”和“冷地”是絕緣的，且絕緣電阻和抗電強(qiáng)度均可達(dá)到很高，這一特點(diǎn)對(duì)用電安全尤為重要。 若開關(guān)管的激勵(lì)脈沖是由變壓器輔助繞組與開關(guān)管構(gòu)成的正反饋環(huán)路自激振蕩產(chǎn)生的，稱為自激式開關(guān)電源。由于自激式開關(guān)電源的調(diào)整管兼作振蕩管，因此無須專設(shè)振蕩器。除非特別說明，本書講述的自激式開關(guān)電源均是指自激式變壓器耦合型開關(guān)電源，下面就介紹這方面的知識(shí)。 2．自激式開關(guān)電源的特點(diǎn) （1）自激式開關(guān)電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)制造成本低廉。 （2）自激式開關(guān)電源的脈沖信號(hào)是自激振蕩產(chǎn)生的，是一種非固定頻率的變換電路，隨輸入電壓和負(fù)載變化而變化，輕載時(shí)開關(guān)頻率較高或間歇振蕩，滿載時(shí)頻率會(huì)自動(dòng)降低。 （3）自激式開關(guān)電源在占空比D發(fā)生改變時(shí)，開關(guān)管的與相對(duì)值發(fā)生變化，因此D變化范圍較小，一般小于50%。 （4）自激式開關(guān)電源具備一定的自保護(hù)功能，一旦負(fù)載過重，必然破壞反饋條件，振蕩將因損耗過大而減少或和間歇振蕩，因此保護(hù)電路比較簡(jiǎn)單，這是自激式開關(guān)電源的一大優(yōu)點(diǎn)。 （5）自激式開關(guān)電源的電流峰值高、紋波電流大，由于工作頻率隨輸入電壓和負(fù)載電流變化而變化，在高功率、大電流工作時(shí)穩(wěn)定性差，故僅適宜60W以下的小功率場(chǎng)合。由于許多辦公設(shè)備、手機(jī)充電器和儀器儀表等在這個(gè)功率范圍之下，故自激式開關(guān)電源的使用相當(dāng)普遍。 3.1.2 自激式開關(guān)電源的工作原理 有些文獻(xiàn)稱之為RCC變換器，RCC指Ringing Choke Converter，即阻尼振蕩變換器。 如圖3-1所示為自激式開關(guān)電源的基本電路。是輸入交流電壓經(jīng)整流的直流電壓；是整流電壓的濾波電容；是啟動(dòng)電阻；VT是功率開關(guān)管；、與變壓器輔助繞組構(gòu)成VT的振蕩電路；T是開關(guān)變壓器，初繞繞組用于儲(chǔ)能及初、次級(jí)組能量耦合，輔助繞組產(chǎn)生正反饋信號(hào)；整流二極管VD和組成整流濾波電路，輸出平滑的直流電壓給負(fù)載供電。 圖3-1 自激式開關(guān)電源的基本電路 初始上電時(shí)，電阻給VT提供在啟動(dòng)電流開始導(dǎo)通。VT一旦導(dǎo)通，變壓器T初級(jí)繞組因有電流流過而發(fā)生自感，自感電動(dòng)勢(shì)的方向阻止電流的增大；另一方面，初級(jí)繞組同時(shí)與次級(jí)繞組、輔助繞組發(fā)生互感，次級(jí)繞組感應(yīng)動(dòng)勢(shì)的方向使二極管VD反偏，輔助繞組感應(yīng)動(dòng)勢(shì)的方向加速VT導(dǎo)通。當(dāng)VT趨向于截止時(shí)，初級(jí)繞組因電流減小而發(fā)生自感，自感電動(dòng)勢(shì)的方向阻止電流的減?。ù藭r(shí)初級(jí)繞組與電源電壓順向疊加），次級(jí)繞組感應(yīng)動(dòng)勢(shì)的方向使二極管VD正偏，輔助繞組感應(yīng)動(dòng)勢(shì)的方向加速VT截止。 電壓和電路波形如圖3-2所示。VT導(dǎo)通（）期間，變壓器T初級(jí)繞組從電源電壓蓄積能量；在VT截止（）期間，變壓器T蓄積的能量釋放給負(fù)載。在VT從導(dǎo)通到截止轉(zhuǎn)換瞬間，變壓器初次級(jí)繞組依次出現(xiàn)峰值電流、 圖中I1P、I2P是i1、i2的峰值電流，下標(biāo)P為peak首字母。 ，見圖3-2（a）、（b）所示。初、次級(jí)繞組均為脈沖電壓，且相位相反，見圖3-2（c）、（d）所示。為整流二極管導(dǎo)通壓降，是的正脈沖，等于輸出直流與二極管導(dǎo)通電壓的疊加。結(jié)束時(shí)，變壓器初級(jí)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)自由振蕩返回到零。VT基極連接的輔助繞組也稱正反饋繞組，因變壓器互感產(chǎn)生正反饋信號(hào)控制VT的通斷，即所謂自激振蕩。 由上述工作原理可知，自激式開關(guān)電源是以功率管和變壓器為主要元件組成的開關(guān)變換電路，通過自激振蕩將直流電變成初級(jí)側(cè)的脈沖電壓，通過變壓器耦合到次級(jí)側(cè)，再經(jīng)二極管整流與電容濾波送往負(fù)載電路。在這種電路中，由于功率管起著開關(guān)及振蕩的雙重作用，省去了控制電路，因此電路比較簡(jiǎn)單。 （b）期間 （a）期間 圖3-2 電壓和電流波形 一般來說，開關(guān)電源的初級(jí)繞組電壓高、電流小，次級(jí)繞組電壓低、電流大，而輔助繞組主要起正反饋控制作用，電壓與電流均比較小。 圖3-3 自激式開關(guān)電源的等效電路 圖3-3所示為自激式開關(guān)電源的分時(shí)等效電路，、分別為初、次級(jí)繞組的電感。圖（a）期間開關(guān)管VT導(dǎo)通，T初級(jí)繞組兩端所加電壓為，次級(jí)側(cè)濾波電容放電、電壓降低，供給負(fù)載輸出電流。這期間，變壓器T初級(jí)繞組從直流電源吸收能量、電感勵(lì)磁；整流二極管VD中無電流，故變壓器初、次級(jí)繞組無相互作用。 圖（b）期間開關(guān)管VT截止，T初級(jí)繞組沒有電流，故圖中未畫出。這期間，初級(jí)繞組吸收的能量耦合到次級(jí)側(cè)，整流二極管VD導(dǎo)通，一邊給電容充電、電壓升高，一邊給負(fù)載供電，變壓器初級(jí)繞組釋能、電感消磁。 3.1.3 自激式開關(guān)電源簡(jiǎn)易電路 自激式開關(guān)電源的簡(jiǎn)易電路如圖3-4所示。它由電源輸入濾波、整流濾波、啟動(dòng)及主開關(guān)、浪涌電壓吸收、次級(jí)側(cè)整流濾波和穩(wěn)壓檢測(cè)等電路組成。關(guān)于電源輸入濾波和整流濾波，在《第二章》中已經(jīng)作了詳細(xì)闡述，下面著重介紹主開關(guān)和各種保護(hù)電路。 圖3-4 自激式開關(guān)電源的簡(jiǎn)易電路 1．主開關(guān)電路 主開關(guān)電路是保證輸出電壓穩(wěn)定而通斷整流平滑的直流電路，它是開關(guān)電源的重要組成部分。對(duì)于自激振蕩開關(guān)電源來說，功率管VT1的集電極峰值電流是決定電源輸出功率之值，它由開關(guān)管的基極電流與晶體管基區(qū)電荷存儲(chǔ)效應(yīng)時(shí)間 存儲(chǔ)時(shí)間對(duì)應(yīng)晶體管接收到關(guān)斷信號(hào)到集電極電流下降到90%的時(shí)間，也就是飽和時(shí)基區(qū)的超量存儲(chǔ)電荷的消散時(shí)間。存儲(chǔ)時(shí)間與導(dǎo)通時(shí)的飽和深度有關(guān)，同時(shí)也跟關(guān)斷電壓和dv/dt有關(guān)。飽和度越深存儲(chǔ)時(shí)間越長(zhǎng)。 決定。為了方便講述，這里把基極驅(qū)動(dòng)電路單獨(dú)畫出來，如圖3-5所示。 輔助繞組產(chǎn)生的正反饋電壓，使晶體管VT1的基極電流按時(shí)間常數(shù)衰減，這期間等于，VT1的集電極電流從零線性增加 VT1的集電極電流就是變壓器主繞組的電流，電感電流不能突變，要從零線性增加。 。當(dāng)兩端電壓達(dá)到二極管VD2的正向壓降時(shí)，電流經(jīng)VD2流通，這之后因二極管VD2的箝位作用，為零，等于，VT1的集電極電流繼續(xù)增加。 —VT1電流放大系數(shù) —輸入整流濾波電壓 —變壓器主繞組電感量電壓 —晶體管基區(qū)電荷存儲(chǔ)時(shí)間 （a）基極驅(qū)動(dòng)電路 （b）電流波形圖 圖3-5 基極驅(qū)動(dòng)電路及電流波形圖 當(dāng)VT1的集電極電流增加到之后，在VT1存儲(chǔ)電荷期間，還會(huì)繼續(xù)增加，若增加接近（=）時(shí)，在VT1基極施加反偏電流，則VT1轉(zhuǎn)為截止。的大小與有關(guān)，越小就越大。若這樣確定以后，則當(dāng)輸入電壓升高或輸出電流減小時(shí)，有必要使VT1基極電流不需要的分量流經(jīng)其它電路，VT2的其中一個(gè)作用就是為此而設(shè)（另一個(gè)用途是過流保護(hù)），這樣就能保持輸出電壓穩(wěn)定。 電路中，輔助繞組經(jīng)VD3、整流濾波后給光電耦合器（簡(jiǎn)稱光耦）供電，輸出端的電壓變化經(jīng)光耦反饋到輸入側(cè)，控制VT2分流VT1基極電流。當(dāng)輸出電壓稍稍升高時(shí)，光耦中的LED光通量增加，光電管的集電極電流增大，導(dǎo)致VT2的基極電壓升高，集電極電流增大，形成使VT1基極電流減小的負(fù)反饋閉環(huán)路。VT1基極電流一旦減小，集電極峰值電流也減小，變短，占空比減小，輸出電壓下降。 另一方面，隨輸入電壓升高、輸出電流的減小而變短，因此輸入電壓最高，輸出電流最小時(shí)最短。若輸入電壓升高、輸出電流又下降某一極限值時(shí)，電路就不能維持正常振蕩，產(chǎn)生如圖3-6所示的間歇振蕩，這時(shí)開關(guān)變壓器會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)噪聲。為了避免出現(xiàn)間歇振蕩，必要時(shí)在輸出端接假負(fù)載。 圖3-6 間歇振蕩 2．過流保護(hù)電路 在電源接通瞬間或輸出短路時(shí)，光電耦合器停止工作，VT2為截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)正反饋電流全部流經(jīng)VT1的基極。當(dāng)輸入電壓較高時(shí)，基極電流與輸入電壓成比例增大，開關(guān)管集電極電流也成比例增大，這樣，變壓器就可能會(huì)達(dá)致磁飽和狀態(tài)，VT1將因過流而損壞。為了保護(hù)VT1始終工作于安全工作區(qū)，有必要設(shè)置過流保護(hù)電路，防止開關(guān)管集電極無節(jié)制地增大。 如圖3-7所示是幾種過流保護(hù)電路實(shí)例。最常見的是圖（a）所示電路，采用專用的過流保護(hù)晶體管；圖（b）所示電路用兩只二極管替代晶體管，保護(hù)效果不如前者。 在圖（a）中，若過流檢測(cè)電阻壓降接近VT2的時(shí)，VT2開始導(dǎo)通，分流VT1的基極電流，防止VT1電流過大。顯然，電阻阻值愈小、檢測(cè)的動(dòng)作電流愈大。在許多自激式開關(guān)電源中，該電阻取值為幾歐姆以下，功率為1～2W。即便如此，一旦發(fā)生短路等嚴(yán)重故障，被燒毀的現(xiàn)象仍然非常普遍。在圖（b）中，當(dāng)VT1基極電壓大于兩只二極管的串聯(lián)死區(qū)壓降時(shí)二極管導(dǎo)通，分流VT1的基極電流，防止VT1電流過大。 （a）晶體管保護(hù) （b）二極管保護(hù) 圖3-7 過電流保護(hù)電路實(shí)例 自激式開關(guān)電源簡(jiǎn)易電路的過流保護(hù)采用圖3-7（a）方案，如圖3-8所示。 —VT1電流放大系數(shù) —輸入整流濾波電壓 —變壓器主繞組電感量電壓 —晶體管基區(qū)電荷存儲(chǔ)時(shí)間 （a）過流保護(hù)電路 （b）工作波形 圖3-8 過流保護(hù)電路及工作波形 當(dāng)開關(guān)管VT1的集電極電流增加時(shí)，若過流檢測(cè)電阻兩端電壓接近VT2的（VT2的達(dá)到1.2V以上），則VT1的基極電流被VT2分流，從而限制了VT1的集電極電流的增加，達(dá)到保護(hù)的目的。 VT2的在數(shù)值上等于VT1的與的壓降之和，VT1的基本為常數(shù)，的壓降是VT1發(fā)射極電流在上作用的結(jié)果。由圖3-8（b）可以看出，前沿VT2的電壓上沖幅度較大，但此時(shí)VT1的集電極電流為零，由于=+，因此這個(gè)上沖幅度較大的電壓是在上的體現(xiàn)，可見在前沿基極電流相當(dāng)之大（即的初始分量）。 當(dāng)基極電流按阻容時(shí)間常數(shù)衰減并進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定值，集電極電流從零線性增加，且增加量遠(yuǎn)大于的穩(wěn)定值（即的后續(xù)分量），故在前沿的轉(zhuǎn)瞬之后，VT1發(fā)射極電流近似于的幅度增大。由此可見，VT2的由導(dǎo)通瞬間的急速增大、快速下降，進(jìn)而以近似于斜率上升。 3．漏感電壓尖峰吸收電路 在反激式開關(guān)電源中，開關(guān)變壓器兼起儲(chǔ)能電感的作用，變壓器磁芯處于直流偏磁狀態(tài)。為防止磁芯飽和需要較大的氣隙，因此漏感比較大，電感值也相對(duì)較低。當(dāng)功率管由導(dǎo)通變成截止時(shí)，變壓器的繞組上會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓，該電壓是由變壓器漏感（即漏磁產(chǎn)生的自感）形成的，它與直流電壓和感應(yīng)電壓疊加后很容易損壞功率管。為此，必須增加箝位保護(hù)電路，對(duì)尖峰電壓進(jìn)行箝位與吸收。通常使用RCD吸收電路加在變壓器初級(jí)繞組兩端，如圖3-9所示。 二極管VD1導(dǎo)通期間，開關(guān)管VT1兩端的電壓是輸入電壓與吸收電路中電容充電電壓之和。二極管VD1導(dǎo)通瞬間，流經(jīng)二極管VD1的電流峰值很大，等于開關(guān)管關(guān)斷時(shí)變壓器主繞組的峰值電流，但平均電流小。由波形可知，二極管VD1的電流斜率很陡（di/dt較大），故需要選用噪聲特性良好的高壓、高速二極管，比如快恢復(fù)，超快恢復(fù)二極管（不能用肖特基二極管，因其反向耐壓較低）。此外，與其并聯(lián)的小電容可以改善二極管VD1的噪聲特性。 —輸入整流濾波電壓 —輸出整流濾波電壓 —變壓器主繞組匝數(shù) —變壓器次級(jí)繞組匝數(shù) （a）吸收電路 （b）工作波形 圖3-9 吸收電路及工作波形 4．輸出整流濾波電路 輸出整流濾波電路是由整流二極管、電解電容和電感組成，如圖3-10所示。流經(jīng)整流二極管的電流與功率管集電極電流變化趨勢(shì)相反，在前沿最大，隨后線性下降。輸出電流有效值為平均電流的1.4～1.6倍。整流二極管上的反向電壓為輸出電壓的2～3倍。 —輸入整流濾波電壓 —輸出整流濾波電壓 —二極管導(dǎo)通電壓 —變壓器主繞組匝數(shù) —變壓器次級(jí)繞組匝數(shù) （a）輸出整流濾波 （b）工作波形 圖3-10 輸出整流濾波電路及工作波形 5．穩(wěn)壓檢測(cè)電路 穩(wěn)壓檢測(cè)電路是由光電耦合器、精密基準(zhǔn)電源TL431和幾個(gè)阻容元件組成，如圖3-11（a）所示。穩(wěn)壓電路的作用把輸出電壓的變化轉(zhuǎn)化為光電耦合器中光敏二極管發(fā)光量變化，該變光敏三極管的等效電阻，影響脈寬調(diào)制管的起控電壓，進(jìn)從控制調(diào)整管的占空比，最終穩(wěn)定輸出電壓。在許多情況下，光電耦合器中的光敏二極管會(huì)并聯(lián)一個(gè)電阻（1kΩ以下），如圖中虛線框內(nèi)所示，這樣TL431的工作電流比不并聯(lián)電阻時(shí)要大，使TL431工作在線性區(qū)。 另外，阻容電路（電阻與電容位置可以互換）并聯(lián)于TL431的調(diào)整端（C）與參考端（R）之間，可以起到頻率補(bǔ)償之用。若把TL431內(nèi)部功能框圖與外面阻容電路結(jié)合在一起畫出來，如圖3-11（b）所示。少量電路中，不用電阻，直接用一只電容，其作用同此。 若忽略TL431參考端的輸入電流，則輸出電壓為 式中，VREF是TL431參考端（R）對(duì)地電壓，也是TL431內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓，VREF =2.5V。 （a）穩(wěn)壓檢測(cè) （b）TL431頻率補(bǔ)償電路 圖3-11 穩(wěn)壓電路 3-2 自激式開關(guān)電源的應(yīng)用 由于自激式開關(guān)電源經(jīng)濟(jì)實(shí)用，目前仍有較多電子產(chǎn)品采用自激式開關(guān)電源供電，下面就來介紹自激式開關(guān)電源在常見電子產(chǎn)品中的實(shí)際應(yīng)用。 特別說明，為了研究和觀察的需要，筆者選用美國泰克公司出品的TDS2024B數(shù)字存儲(chǔ)示波器，通過面板的“打印”功能，把示波器測(cè)試的波形圖下載到U盤中，然后再轉(zhuǎn)貼到文稿中。如圖3-12所示為TDS2024B數(shù)字存儲(chǔ)示波器面板示意圖。 圖3-12 TDS2024B數(shù)字存儲(chǔ)示波器 3.2.1 簡(jiǎn)易手機(jī)充電器 原稿由筆者發(fā)表在2004年《無線電》第七期，當(dāng)時(shí)測(cè)試的充電器與本節(jié)所用充電器基本相同，但內(nèi)容有刪改。 如圖3-13所示為深圳市某電子有限公司生產(chǎn)的簡(jiǎn)易手機(jī)充電器。 產(chǎn)品規(guī)格：輸入AC180～240V，50/ 60Hz&0.1A；輸出DC6.5V，500mA（MAX）。 圖3-13 自激式簡(jiǎn)易充電器 如圖3-14所示為自激式 簡(jiǎn)易手機(jī)充電器電路原理圖。 圖3-14 自激式簡(jiǎn)易充電器電路原理圖 由于充電器的輸出功率較小、體積小，所以沒有設(shè)置電磁干擾抑制電路。市電經(jīng)保險(xiǎn)（也叫熔斷電阻，兼具電阻和保險(xiǎn)絲的雙重功能）輸入，D1～D4橋式整流、濾波得到約300V的直流電壓，經(jīng)開關(guān)變壓器T主繞組加到開關(guān)管（13001）集電極。輕載時(shí)，市電輸入整流濾波后的直流電壓約322V，如圖3-15所示。 通道CH1檔位 基準(zhǔn)電平 直流電壓平均值 整流濾波電壓 近似于鋸齒波 圖3-15 整流濾波電壓波形 1．自激振蕩及工作波形 初始上電時(shí)，電阻給開關(guān)管提供啟動(dòng)電流，一旦啟動(dòng)工作，斷開系統(tǒng)仍能自激振蕩，但斷電后不能重新啟動(dòng)，故稱啟動(dòng)電阻。 導(dǎo)通時(shí)，集電極電流由零開始上升，主繞組（①-②）電感勵(lì)磁儲(chǔ)能，感應(yīng)電壓“上正下負(fù)”。根據(jù)變壓器同名端可知，輔助繞組（③-④）感應(yīng)正極性電壓，經(jīng)阻容振蕩電路加到基極、加速其導(dǎo)通飽和；次級(jí)側(cè)，二極管D8反偏截止。截止時(shí)，變壓器繞組極性反轉(zhuǎn)，輔助繞組形成使基極電流減小的正反饋、加速其截止，放電以準(zhǔn)備進(jìn)入下一個(gè)振蕩周期；次級(jí)側(cè)，二極管D8正偏導(dǎo)通，變壓器次級(jí)釋放能量供給負(fù)載。 在圖3-14中，充電時(shí)間設(shè)定了導(dǎo)通的最大脈沖寬度。實(shí)際上，在開關(guān)電源中，所謂開關(guān)管的飽和并非指手冊(cè)上規(guī)定的集電極飽和電流，而是電容充電臨近結(jié)束時(shí)，使加到開關(guān)管基極的正反饋電流減小，開關(guān)管達(dá)到<的狀態(tài)。也就是說，這種飽和是限制下的飽和，使開關(guān)管的減小，通過正反饋轉(zhuǎn)入截止?fàn)顟B(tài)。 本電源沒有設(shè)計(jì)初、次級(jí)繞組的反饋通路，次級(jí)側(cè)輸出電壓由穩(wěn)壓管D7的穩(wěn)壓參數(shù)設(shè)定，D7的穩(wěn)壓數(shù)值越大，輸出電壓越高。 當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，電容兩端電壓約為5.7V，等于D7的反向擊穿電壓與的之和。若由于某種原因致使輸出電壓升高，兩端電壓也升高，D7的擊穿電流增大，促使提前導(dǎo)通、分流基極電流，使提前達(dá)致轉(zhuǎn)折點(diǎn)，的通態(tài)時(shí)間變短，儲(chǔ)能電感的儲(chǔ)能減小，開關(guān)電源的輸出電壓必然降低——這就是的脈寬調(diào)制功能。 （1）Q1基極和集電極電壓波形 用數(shù)字存儲(chǔ)示波器測(cè)量基極和集電極電壓波形，如圖3-15所示。 開關(guān)頻率 通道擋位 CH1振幅約占8格，指示Q1集電極脈沖電壓幅度： 8div50V/div=400V CH2振幅約占3格，指示Q1基極脈沖電壓幅度： 3div500mV/div=1.5V 圖3-15 Q1集電極（CH1）和基極（CH2）電壓波形 由圖3-15可見，開關(guān)管的基極、集電極均為高頻脈沖電壓，前者脈沖上升沿與后者脈沖下降沿、前者脈沖下降沿與后者脈沖上升沿，在導(dǎo)通時(shí)間上均為同步關(guān)系，在控制關(guān)系上二者反相。需要指出的是，無論脈沖上升沿或下降沿均不如它激式開關(guān)電源陡峭（參見第4章），這是自激式開關(guān)電源的特點(diǎn)。 在圖3-15中，導(dǎo)通期間（）集電極電壓為零；截止期間（），集電極電壓（不計(jì)截止瞬間的尖峰脈沖）接近400V。該電壓是輸入電源整流濾波直流電壓與主繞組自感電壓之和，因?yàn)檫@期間主繞組感應(yīng)電壓“下正上負(fù)”，所以疊加電壓遠(yuǎn)高于輸入電源整流濾波電壓。順便提一下，圖3-15右下角96.4234kHz為開關(guān)管工作頻率 自激式開關(guān)電源振蕩頻率與輸入電壓和負(fù)載大小有關(guān)。負(fù)載一定，但市電隨機(jī)波動(dòng)影響輸入電壓輕微變化，因此示波器測(cè)試的開關(guān)頻率會(huì)輕微變動(dòng)，小數(shù)點(diǎn)后的數(shù)字會(huì)跳變。 ，會(huì)隨輸入電壓及負(fù)載而變化。 閱讀資料 工程實(shí)踐中，剛剛接觸開關(guān)電源的新手往往會(huì)犯一個(gè)共同的致命錯(cuò)誤：拿測(cè)試普通電路的方法測(cè)開關(guān)電源！ 如圖3-16（a）所示為示波器直接測(cè)試是開關(guān)電源高壓側(cè)的原理簡(jiǎn)圖。由于示波器“保護(hù)地（G）”與探頭地在儀器內(nèi)部直接相連（同時(shí)也接機(jī)殼），當(dāng)探頭地連接到開關(guān)電源的“熱地”時(shí)，一旦接通電源，開關(guān)電源的保險(xiǎn)管就會(huì)立即燒毀。這是因?yàn)榛鹁€（L）經(jīng)保險(xiǎn)管、整流二極管和探頭地連接到“保護(hù)地”上，而“保護(hù)地”和零線（N）通過大地是連在一起的，即電網(wǎng)的火線（L）與零線（N）經(jīng)過保險(xiǎn)管、二極管構(gòu)成回路，故，一定會(huì)燒毀保險(xiǎn)管。 如圖3-16（b），市電電網(wǎng)經(jīng)變比為1:1的隔離變壓器輸出交流電，次級(jí)繞組兩端沒有火線（L）與零線（N）之分，只有電壓的相對(duì)高低。當(dāng)探頭地連接到開關(guān)電源的“熱地”時(shí)，次級(jí)繞組兩端均通過相應(yīng)的整流二極管、探頭地連接到“保護(hù)地”上，但隔離變壓器的初次級(jí)繞組均不會(huì)被短路，開關(guān)電源可以安全工作。 當(dāng)然，如果工作現(xiàn)場(chǎng)隔離變壓器，可以考慮把示波器中間的接地線與插座的接地線斷開。不過，當(dāng)示波器探頭地連接到開關(guān)電源的“熱地”時(shí)，示波器外殼與市電只隔了一只二極管，所以對(duì)人體是危險(xiǎn)接的。另外，由于示波器接地線斷開，其內(nèi)部開關(guān)電源產(chǎn)生的共模干擾無法濾除，可能會(huì)起影引起儀器的穩(wěn)定性和測(cè)量精度。 （a）不經(jīng)隔離變壓器測(cè)試，錯(cuò)誤 （b）經(jīng)隔離變壓器測(cè)試，正確 圖3-16 示波器測(cè)試開關(guān)電源的方法 （2）基極和發(fā)射極電壓波形 用數(shù)字存儲(chǔ)示波器測(cè)量基極和發(fā)射極電壓波形，如圖3-16所示。 CH2振幅約占3格，指示Q1基極脈沖電壓幅度： 3div500mV/div=1.5V CH1振幅約占2.5格，指示Q1發(fā)射極脈沖電壓幅度： 2.5div200mV/div=0.5V 圖3-16 Q1發(fā)射極（CH1）和基極（CH2）電壓波形 發(fā)射極電壓是在形成上的壓降，因只能從發(fā)射極經(jīng)流到地，由圖3-16可見，發(fā)射極電壓只能大于或等于零。根據(jù)測(cè)試的電壓峰值約472mV，可計(jì)算出發(fā)射極電流峰值約為100mA（==472mV/4.7Ω）。 關(guān)掉通道CH2（基極），放大通道CH1（發(fā)射極電壓）波形，如圖3-16所示。發(fā)射極脈沖電壓的前沿有瞬時(shí)上沖、隨即下降的情況，這是基極電流的作用，該電流以指數(shù)下降，隨后集電極電流線性增加且占主導(dǎo)地位，發(fā)射極電壓以近似集電極電流的斜率線性增加。 1.52μs 開關(guān)頻率 圖3-16 Q1發(fā)射極（CH1）電壓波形 根據(jù)圖3-16所示波形數(shù)據(jù)，可計(jì)算出開關(guān)電源的占空比，方法如下：?jiǎn)⒂脭?shù)字存儲(chǔ)示波器的復(fù)合測(cè)量按鈕，測(cè)量出的導(dǎo)通時(shí)間約為1.52us，開關(guān)頻率約為98.5Hz。 由于調(diào)整管的開關(guān)頻率≈98.5Hz，則 ≈10.15（μs） 占空比為 ≈13.2% （3）輔助繞組和基極電壓波形 用數(shù)字存儲(chǔ)示波器測(cè)量輔助繞組和基極電壓波形，如圖3-17所示。 36V CH2振幅約占3格，指示Q1基極脈沖電壓幅度： 3div500mV/div=1.5V CH1振幅約占1.8格，指示輔助繞組脈沖電壓幅度： 1.8div20V/div=36V 圖3-17 輔助繞組（CH1）和Q1基極（CH2）電壓波形 由圖3-16可見，輔助繞組與基極為同步的脈沖電壓，前者電壓幅度大約36V，后者電壓幅度大約1.5V。當(dāng)導(dǎo)通時(shí)輔助繞組電壓“上正下負(fù)”，③端的電壓峰值接近36V，該電壓是輔助繞組感應(yīng)電壓與電容兩端電壓的疊加；當(dāng)截止時(shí)輔助繞組電壓“上負(fù)下正”，由于開關(guān)二極管D5的箝位作用，③端的電壓為-0.6V。 雖然輔助繞組的脈沖電壓幅度較大，但經(jīng)阻容電路（和）限制之后，加到開關(guān)管基極的電壓幅度卻比較小。 2．過流保護(hù)及直流輸出 過流檢測(cè)電阻是一個(gè)非常關(guān)鍵的元件，兩端電壓與發(fā)射極電流成正比。當(dāng)兩端電壓接近的時(shí)，開始導(dǎo)通、分流基極電流，對(duì)進(jìn)行保護(hù)。若電流過大，則飽和，截止。 順便提一下，實(shí)際工程應(yīng)用中，次級(jí)側(cè)整流D8（1N5819）常設(shè)在圖中B位置，方向?yàn)椤白笳邑?fù)”。發(fā)光二極管D9用于電源指示。 3．充電器的拓?fù)潆娐? 結(jié)構(gòu)不同但功能相同的電路稱為拓?fù)潆娐贰? 如圖3-18所示為簡(jiǎn)易手機(jī)充電器的拓?fù)潆娐罚|莞某電子公司采用之）。變壓器初級(jí)側(cè)電路結(jié)構(gòu)稍有不同（虛線框內(nèi)），但原理本質(zhì)與工作效果是一樣的。 圖3-18 充電器的拓?fù)潆娐? 正反饋繞組經(jīng)D5、整流濾波產(chǎn)生負(fù)電壓，大小約等于穩(wěn)壓二極管D7的擊穿值。D7分流開關(guān)管的基極電流，負(fù)電壓越大分流越多、導(dǎo)通時(shí)間越短。因此D7設(shè)定了輸出電壓，D7的穩(wěn)壓數(shù)值越大，輸出電壓越高。 過流檢測(cè)電阻與組成過流保護(hù)電路，工作原理同簡(jiǎn)易手機(jī)充電器。有些公司為了節(jié)省成本干脆把去掉（也隨之省了），在穩(wěn)壓二極管的負(fù)極與地之間串接一只幾千歐的電阻用作D7的限流，電路結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化。但簡(jiǎn)化電路的安全性、可靠性都降低了，當(dāng)電路工作異常時(shí)，開關(guān)管和會(huì)同時(shí)燒毀壞。 3.2.2 帶有反饋控制電路的簡(jiǎn)易手機(jī)充電器 如圖3-19所示為中山市某電子有限公司生產(chǎn)的USB接口充電器。廠家為了節(jié)約成本，把交流輸入采用半波整流，高壓側(cè)的電路結(jié)構(gòu)與簡(jiǎn)易手機(jī)充電器相同，只有個(gè)別元件參數(shù)不同而已。 為了保持輸出的直流電壓穩(wěn)定，該電路初、次級(jí)之間有光電耦合器提供反饋控制信號(hào)。通過光電耦合器中LED檢查輸出電壓的變化，改變光電耦合器中三極管的導(dǎo)通程度，進(jìn)而控制分流基極電流，調(diào)整的導(dǎo)通時(shí)間，改變占空比，穩(wěn)定輸出電壓。由于的阻值較小，壓降可以忽略不計(jì)，故輸出電壓約為光電耦合器中LED的壓降（經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)約為1V）和穩(wěn)壓二極管D7的穩(wěn)壓數(shù)值二者之和。 發(fā)光二極管D5用于電源指示。發(fā)光二極管D6用于大電流充電指示——只有充電電流大到在電阻的壓降為0.6V以上D6才亮。因?yàn)槿舭l(fā)光二極管D6點(diǎn)亮，則電阻的壓降為0.6V，因此則流過的電流為 =0.6V/2Ω=300（mA） 若負(fù)載所需更大電流時(shí)，的電流繼續(xù)增大，其電壓可增至0.7V以上。此后，將由三極管發(fā)射結(jié)增補(bǔ)輸出電流，二者疊加，滿足負(fù)載的需要。 （a）實(shí)物圖 （b）電路原理圖 圖3-19 帶有反饋控制電路的簡(jiǎn)易充電器 3.2.3 具有輸出短路保護(hù)功能的鎳氫電池充電器 原稿由筆者發(fā)表在2004年《無線電》第八期，本文有刪改。 具有短路保護(hù)功能的鎳氫電池充電器電路如圖3-20所示，下面分析其工作原理。 圖3-20 具有短路保護(hù)功能的電池充電器原理圖 本電路的強(qiáng)電部分與“簡(jiǎn)易手機(jī)充電器”中的電路基本相同，變壓器規(guī)格尺寸也相同，區(qū)別僅在開關(guān)管VT1改為中功率管13003，并增加穩(wěn)壓反饋控制電路。另外，由于輸出功率較大，變壓器各相繞組的匝數(shù)也不相同。 1．穩(wěn)壓控制電路 次級(jí)繞組電壓經(jīng)VD5、整流濾波后得到直流電壓，經(jīng)、分壓加到IC2（TL431）參考端（R），通過光電耦合器控制VT1的通斷，調(diào)整輸出電壓。根據(jù)TL431的工作原理，輸出電壓為 式中，=2.5V。代入圖中參數(shù)，得 （V） 提示：是指相對(duì)于GND2的電壓，這是因?yàn)镮C2（TL431）的參考地為GND2?？紤]到正常充電時(shí)的壓降，故濾波電容兩端的電壓比高。 2．待機(jī)指示電路 當(dāng)電路不接電池時(shí)，開關(guān)電源間歇振蕩工作。電阻與IC3（TL431）構(gòu)成2.5V基準(zhǔn)電壓，一路送到IC1的⑥腳（運(yùn)放2單元的反相端）。另一路經(jīng)、分壓后加到IC1（LM393）的②腳（運(yùn)放1單元的反相端），由于（1MΩ）是（10kΩ）的100倍，故②腳電壓約為25mV。由于沒有接入電池，充電回路無電流流過，（0.5Ω/1W）壓降為零，故IC1的③腳（運(yùn)放1單元的同相端）與GND2相同，為零電平。此時(shí)，運(yùn)放1單元反相端電壓高于同相端，故①腳輸出為低電平，此時(shí)共陽極發(fā)光二極管的黃燈（LED-1）亮。 共陽極發(fā)光二極管的導(dǎo)通電壓差不多，由于黃燈（LED-1）的箝位作用，紅燈（LED-2）負(fù)極接與的節(jié)點(diǎn)（電壓約為2.37V），因此紅燈不能點(diǎn)亮。也就是說待機(jī)時(shí)，黃燈亮、紅燈滅。 待機(jī)時(shí)，LM393兩個(gè)運(yùn)放單元各端電壓如表： 運(yùn)放1單元 ① ② ③ 約為零伏 約25mV 約為零伏 運(yùn)放2單元 ⑤ ⑥ ⑦ VT4臨界導(dǎo)通（虛高） 2.5V 接近電源電壓 3．充電指示電路 接入2節(jié)鎳氫電池后，若電池電壓較低 鎳氫電池電壓變化范圍較小，電用完時(shí)電壓約為1.2V，充滿電時(shí)約為1.45V。 ，經(jīng)、（濾除雜波）分壓加到IC1的⑤腳（運(yùn)放2單元的同相端）電壓低于IC1的⑥腳電壓。此時(shí)，運(yùn)放2單元反相端電壓高于同相端，故⑦腳輸出為低電平，VT4導(dǎo)通為電池充電。 若充電電流大于50mA，則的壓降大于25mV，由于運(yùn)放1單元同相端電壓高于反相端，①腳輸出為高電平，黃燈熄滅，此時(shí)二極管共陽極電壓被抬高，紅燈點(diǎn)亮。 隨著充電的進(jìn)行，電池電壓逐漸升高，當(dāng)BATT+相對(duì)于GND2點(diǎn)電壓升高接近2.875V時(shí)，IC1的⑤腳電壓接近于2.5V，⑦腳輸出電壓升高，VT4基極電流減小，輸出電流相應(yīng)減小。若減小到接近50mA時(shí)，的壓降接近25mV，運(yùn)放1單元的②、③腳電壓比較接近，①腳輸出電壓下降，此時(shí)紅、黃燈同時(shí)點(diǎn)亮，但亮的程度不同。由于它們封在一個(gè)管殼內(nèi)，總的顯示效果為橙紅色。隨著充電的繼續(xù)進(jìn)行，充電電流更小，輸出電壓更低，黃燈點(diǎn)亮程度變得更大、紅燈點(diǎn)亮程度變得更小。整個(gè)充電過程中，隨著充電電流由大變小、發(fā)光二極管從紅色→橙紅色→橙黃色逐漸轉(zhuǎn)變，當(dāng)充電電流小于50mA時(shí)，幾乎為黃色。 充電時(shí)，LM393兩個(gè)運(yùn)放單元各端電壓如下表： 運(yùn)放1單元 ① ② ③ 從電源電壓逐漸降低到零 約25mV 充電電流與R11之積， 隨充電電流減小而減小 運(yùn)放2單元 ⑤ ⑥ ⑦ 電池經(jīng)R16與R17的分壓， 隨電池電壓升高而升高 2.5V 從零逐漸升高到電源電壓 4．輸出短路保護(hù)電路 若由于某種原因充電電流過大，比如超過450mA時(shí)，則的壓降為540mV（即GND2的電位高于GND1），該電壓經(jīng)加到VT3基極，VT3開始輕微導(dǎo)通，由光電耦合器通過一系列反饋，調(diào)整輸出電壓降低。充電電流越大，的電壓越大，VT3導(dǎo)通程度愈強(qiáng)，調(diào)整輸出的電壓越低。即使輸出短路，電路依然有輸出電壓，該電壓由VT4的、和分?jǐn)偅渭?jí)繞組不會(huì)被損壞，故障排除后電路仍能恢復(fù)正常工作狀態(tài)。 3.2.4 惠普HP1018打印機(jī)開關(guān)電源 目前許多打印機(jī)使用自激式開關(guān)電源，根據(jù)功能和打印方式的不同，打印機(jī)可分為針式打印機(jī)、票據(jù)打印機(jī)、噴墨打印機(jī)、激光打印機(jī)等多種。如圖2-21所示為惠普HP1018激光打印機(jī)開關(guān)電源原理圖，它主要由市電交流輸入及變換、定影系統(tǒng)供電、主電源等電路構(gòu)成，各部分電路工作原理如下。 1．市電輸入及變換 開關(guān)電源輸入電路是指高頻干擾抑制、整流和濾波電路，其作用是把電網(wǎng)的工頻交流電變換為平滑的直流電，給開關(guān)電源提供輸入電壓，并抑制和濾除輸入端的高頻雙向干擾。有關(guān)輸入電路各元器件的作用可參見《第2章》之表2-1。 2．定影系統(tǒng)供電及控制 通電后，打印機(jī)CPU經(jīng)由接插件J201之19、21腳送入高電平，因J201的7腳為+5V（來自于主控板），與均導(dǎo)通。其中，導(dǎo)通，經(jīng)光耦SSR101（3SF21）給雙向可控硅（BCR5KM）提供觸發(fā)信號(hào)致其導(dǎo)通；導(dǎo)通，繼電器RL101觸點(diǎn)吸合，此時(shí)市電通過接插件J101為陶瓷片供電加熱。當(dāng)加熱陶瓷片的溫度達(dá)到185℃左右時(shí)，J201之19腳變?yōu)榈碗娖剑刂?、關(guān)斷，陶瓷片加熱停止，與此同時(shí)，微處理器發(fā)出指令使“準(zhǔn)備好”燈點(diǎn)亮。 另外，該機(jī)具有節(jié)能功能。如果在設(shè)定時(shí)間內(nèi)打印機(jī)仍未工作，則J201之21腳變?yōu)榈碗娖?，截止、繼電器RL101觸點(diǎn)釋放，機(jī)器進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。 雙向可控硅主回路兩端并聯(lián)的SQ101是一個(gè)阻容串聯(lián)復(fù)合體，復(fù)合體電阻為120Ω，電容為0.1μF/AC275V。在可控硅關(guān)斷瞬間，阻容復(fù)合體吸收感性負(fù)載的瞬變高壓（也可以理解為“剩余能量”），保護(hù)可控硅。這種阻容復(fù)合體吸收電路，在交流市電的可控硅供電系統(tǒng)中已經(jīng)成為必選。 圖3-21 惠普HP1018打印機(jī)開關(guān)電源原理圖 3．主電源 該機(jī)是由功率管（2SK2700是MOSFET）和開關(guān)變壓器T501為核心構(gòu)成的自激式開關(guān)電源。 （1）開關(guān)管Q501的開關(guān)過程 輸入整流濾波電壓約300V，一路經(jīng)保險(xiǎn)電阻（0.22Ω）、T501主繞組加到開關(guān)管漏極（D）；另一路經(jīng)～加到柵極（G），提供啟動(dòng)電壓。正反饋繞組經(jīng)阻容元件與開關(guān)管組成振蕩電路，既是開關(guān)管又是振蕩管。高壓電容（680pF/1kV）并聯(lián)在的漏-源極之間，用于抑制關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的浪涌電壓。 導(dǎo)通時(shí)為正極性電壓，一方面經(jīng)、和送到功率管柵極加速其導(dǎo)通；由于是電壓控制型元件，柵極所需的電流極少，這期間兩端電壓變化較小。另一方面經(jīng)（12kΩ）給（0.047μF）充電，約0.6V時(shí)開始導(dǎo)通，正電壓被發(fā)射結(jié)箝位。由于充電時(shí)間常數(shù)較大，故在導(dǎo)通一段時(shí)間后才導(dǎo)通，迫使截止。 截止時(shí)為負(fù)極性電壓，一方面經(jīng)、D502和（D502旁路）到柵極加速其截止；另一方面經(jīng)和D503給放電（和D503旁路），促使退出導(dǎo)通，轉(zhuǎn)為截止。繼續(xù)放電約-0.6V時(shí)D501開始導(dǎo)通，因此負(fù)電壓被D501箝位。 如圖3-22所示為A點(diǎn)為參考電位，測(cè)得的功率管柵極的電壓波形，柵極電位始終高于A點(diǎn)電位，振幅在約為1.6V。 3.6V 2V 圖3-22 以原理圖A點(diǎn)為參考電位功率管柵極的電壓波形 由上述分析可知，柵極通路充、放電的通路不同，發(fā)射結(jié)并聯(lián)電容充、放電的通路也不同，它們均是充電時(shí)間常數(shù)大、充電慢，放電時(shí)間常數(shù)小、放電快。的充電時(shí)間設(shè)定了開關(guān)管導(dǎo)通的最大脈沖寬度，在此脈寬之內(nèi)受控于脈寬調(diào)制管；其充電慢、放電快有利于快速截止。充電慢是為了滿足具有最大導(dǎo)通脈沖寬度，放電快是便于進(jìn)入下一個(gè)控制周期。 （2）穩(wěn)壓控制 次級(jí)側(cè)，整流管DA501（FCH10U15）是共陰極（肖特基）二極管，F(xiàn)U501是延時(shí)型可恢復(fù)保險(xiǎn)絲（防止輸出短路）。整流后的脈動(dòng)電壓，經(jīng)由、和組成的π型濾波器，變成紋波很小的直流電。 穩(wěn)壓電路受光耦PC501和集成運(yùn)放IC501B控制。與ZD501組成二極管穩(wěn)壓電路產(chǎn)生4.6V基準(zhǔn)電壓，經(jīng)加到IC501B反相端（⑤腳）；另一方面，輸出電壓經(jīng)、、 HP1018開關(guān)電源板用預(yù)留跳線的方式設(shè)計(jì)成幾種電阻短路或開路的組合（這幾個(gè)電阻就是因此而設(shè)計(jì)），通過誤差放大器與基準(zhǔn)電壓比較，控制輸出多種電壓類型，適應(yīng)不同電壓的打印機(jī)使用。 和串聯(lián)產(chǎn)生采樣電壓，經(jīng)加到IC501B同相端（⑥腳）。 如圖3-22所示，由于某種原因?qū)е螺敵鲭妷荷?，則IC501B同相端電壓升高，輸出端（⑦腳）電壓隨之降低，光耦PC501光電二極管發(fā)光增強(qiáng)（導(dǎo)通電壓約1V），光電晶體管的等效電阻減小。此時(shí)，柵極正脈沖電壓經(jīng)、PC501對(duì)充電速度加快，提前導(dǎo)通，提前截止，占空比變小，輸出的電壓隨之下降，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制。 圖3-22 穩(wěn)壓控制原理圖 由上述工作原理分析，則輸出電壓為 （V） 式中，4.6V為穩(wěn)壓二極管ZD501的參數(shù)。代入原理圖中電阻元件參數(shù)，可得 ≈24.3（V） 電路中，與串聯(lián)后，并聯(lián)在IC501B同相輸入端與輸出端之間，用作頻率補(bǔ)償。 （3）過壓保護(hù) 過壓保護(hù)電路主要由IC501C和光電耦合器PC502組成。與ZD503組成二極管穩(wěn)壓電路加到IC501C反相端（9腳），電壓為4.6V；輸出電壓經(jīng)和采樣加到IC501C同相端（10腳）。 當(dāng)集成運(yùn)放IC501B或光耦PC501出現(xiàn)異常時(shí)，引起開關(guān)電源輸出電壓達(dá)到約30V時(shí)（≈），IC501C的同相端（10腳）達(dá)到4.6V，集成運(yùn)放⑧腳輸出高電平（實(shí)測(cè)為7.5V），經(jīng)加到光耦PC502的①腳，這時(shí)PC501接替PC501控制，進(jìn)而影響功率管，穩(wěn)定30V電壓不再上升。 綜上所述，是脈沖寬度調(diào)制管，最大脈寬受制于的充電時(shí)間，影響因素正反饋繞組、光耦PC501和PC502；并聯(lián)于的發(fā)射結(jié)，故的慢充、快放模式?jīng)Q定著的工作方式。需要指出的是，當(dāng)脈寬調(diào)制管異常時(shí)，會(huì)產(chǎn)生開關(guān)管擊穿或輸出電壓高的嚴(yán)重故障。 4．工作波形測(cè)試 （1）柵極和漏極的電壓波形 由于TDS2024B數(shù)字存儲(chǔ)示波器滿屏幕最大顯示電壓為400V（=8div50V/div），而開關(guān)管漏極脈沖電壓可達(dá)六、七百伏以上，為了在當(dāng)前屏幕中截取開關(guān)管漏極脈沖電壓的完整波形，選用變比2：1隔離變壓器把市電降到110V本書以下章節(jié)所測(cè)試的波形圖，除非特別說明，均是指電源為AC110V條件測(cè)得。 ，此時(shí)開關(guān)管漏極脈沖電壓振幅減小，如圖3-24所示。 CH2振幅約占5.2格，指示Q501柵極脈沖電壓幅度： 5.2div1V/div=5.2V 1、CH1振幅約占6.8格，指示Q501漏極脈沖電壓幅度： 6.8div50V/div=340V 2、Q501關(guān)斷時(shí)漏極電壓波形以高頻振鈴衰減。 340V 5.2V 圖3-24 Q501漏極（CH1）和柵極（CH2）電壓波形 由圖3-24可見，開關(guān)管漏極、柵極均為高頻脈沖電壓，二者反相，頻率約為94kHz。在完全導(dǎo)通期間柵極為正脈沖、漏極電壓為零，完全截止期間柵極為負(fù)脈沖、漏極電壓（不計(jì)截止瞬間的尖峰脈沖）約為340V，該電壓是輸入直流電壓（約165V）與初級(jí)繞組自感電動(dòng)勢(shì)（約175V）的疊加。 由于電路中沒有設(shè)計(jì)RCD吸收電路，故截止瞬間，因變壓器漏感造成的尖峰電壓很高。筆者曾嘗試增加一個(gè)RCD吸收電路，為82k/2W，為4700pF/1kV，D為FR107，把漏感造成的尖峰電壓降低50V以上。 實(shí)際測(cè)試證實(shí)兩個(gè)現(xiàn)象：一、負(fù)載加重，振蕩頻率減小，導(dǎo)通脈寬增大，柵極和漏極的電壓振幅稍有增大；二、空載時(shí)呈現(xiàn)間歇振蕩，如圖3-25所示。 開關(guān)頻率 （a）負(fù)載加重，頻率減小 （b）空載時(shí)呈現(xiàn)間歇振蕩 圖3-25 不同負(fù)載時(shí)電壓波形 （2）漏極和次級(jí)繞組的電壓波形 由于變壓器初、次級(jí)繞組之間沒有電氣聯(lián)系，若要測(cè)量漏極和次級(jí)繞組的電壓波形，需要把“熱地”與“冷地”連接（測(cè)量之后斷開），如圖3-26所示。 26V 22V CH2振幅約占2.4格，指示次級(jí)繞組脈沖電壓幅度： 2.4div20V/div=48V 1、CH1振幅約占6.8格，指示Q501漏極脈沖電壓幅度： 6.8div50V/div=340V 2、Q501關(guān)斷時(shí)漏極電壓波形以高頻振鈴衰減。 圖3-26 Q501漏極（CH1）和次級(jí)繞組（CH2）電壓波形（1） 當(dāng)導(dǎo)通時(shí)，初級(jí)繞組自感電動(dòng)勢(shì)等于電源電壓，電壓極性為“上正下負(fù)”，此時(shí)感應(yīng)的電壓極性為“上負(fù)下正”，二者反相。 當(dāng)截止時(shí)，初級(jí)繞組極性反轉(zhuǎn)，漏極電壓高達(dá)340V，遠(yuǎn)高于電源電壓，故初級(jí)繞組的電壓極性為“上負(fù)下正”，此時(shí)感應(yīng)的電壓極性為“上正下負(fù)”，二者仍然反相。 綜上所述，變壓器初次級(jí)繞組電壓極性反相，所以這種自激式開關(guān)電源在能量控制及輸出方式上講，屬于反激式開關(guān)電源。 （3）輔助繞組和柵極的電壓波形 如圖3-27所示為輔助繞組和柵極的電壓波形，二者同相。輔助繞組正負(fù)脈沖幅度相當(dāng)，振幅約為10V（±5V）。柵極脈沖是輔助繞組電壓經(jīng)充電與放電通路元件作用柵極的結(jié)果，振幅約為5.2V（-1.2V～+4V），正脈沖控制是否導(dǎo)通（大于柵-源極電壓才能導(dǎo)通）。 CH1振幅約占2格，指示輔助繞組脈沖電壓幅度： 2div5V/div=10V CH2振幅約占2.6格，指示Q501柵極脈沖電壓幅度： 2.6div2V/div=5.2V 2.4V 4V 1.2V 5V 5V 圖3-27 輔助繞組（CH1）和柵極（CH2）的電壓波形 （3）基極和柵極的電壓波形 如圖3-28所示為功率管柵極和脈寬調(diào)制管基極的電壓波形。由于阻值較小，可以認(rèn)為柵極的電壓波形就是集電極的電壓波形（注：筆者把短路測(cè)試，波形與在路時(shí)基本一樣）。 由圖3-28可見，基極和柵極的電壓波形均為脈沖交流電壓?；鶚O正負(fù)電壓脈沖幅度相當(dāng)，柵極正脈沖電壓幅度高于負(fù)脈沖。當(dāng)基極電壓接近峰值時(shí)（約0.7V）導(dǎo)通，拉低柵極電壓漏極電流減小，變壓器所有繞組的電壓極性反轉(zhuǎn)，加速的截止進(jìn)程，故決定功率管的導(dǎo)通時(shí)間。當(dāng)基極電壓從負(fù)值上升，柵極電壓同步上升到開啟電壓（約2.4V）時(shí)導(dǎo)通，變壓器所有繞組的電壓極性回轉(zhuǎn)，加速的導(dǎo)通進(jìn)程。 0.65V 0.65V CH2振幅約占2.6格，指示Q501柵極脈沖電壓幅度： 2.6div2V/div=5.2V CH1振幅約占2.76格，指示Q502基極脈沖電壓幅度： 2.76div500mV/div=1.38V 圖3-28 基極（CH1）和柵極（CH2）的電壓波形 綜上所述，脈寬調(diào)制管的基極電壓既受正反饋繞組的控制，又受PC501控制，極端情況下也會(huì)受PC502控制，故基極電壓峰值是幾種因素的共同結(jié)果。正常工作時(shí)，PC501在控制導(dǎo)通與否時(shí)起決定性作用。 3.2.5 兄弟牌MFC7420多功能一體機(jī)開關(guān)電源 兄弟牌MFC7420是集打印、復(fù)印、電話、傳真和掃描5種功能為一體的辦公設(shè)備，其所用的開關(guān)電源及電路原理圖如圖2-29所示。這個(gè)電路與HP1018電源有許多相似之處，它主要由市電交流輸入及變換、定影系統(tǒng)供電、主電源等電路構(gòu)成，各部分電路工作原理如下。 1．市電輸入及變換 市電220V由電源三插輸入，SW1是電源開關(guān)；F1為10A保險(xiǎn)管；是X電容，濾除差模干擾信號(hào)；電阻～串聯(lián)為提供放電通路，防止電擊；J102為“加熱輥供電”接插件；Z1是壓敏電阻，防止電網(wǎng)浪涌電壓損壞開關(guān)電源；F2（250/T2.5AH，指250V、2.5A額定電壓與電流，T為延時(shí)之意）為延時(shí)保險(xiǎn)管 延時(shí)保險(xiǎn)開關(guān)瞬間的電流大于幾倍正常工作電流，盡管這種電流峰值很高，但是它出現(xiàn)的時(shí)間很短，稱為脈沖電流。普通的保險(xiǎn)絲承受不了這種電流，這樣的電路中就要用到延時(shí)保險(xiǎn)絲，若使用更大規(guī)格的保險(xiǎn)絲，那么當(dāng)電路過載時(shí)又得不到保護(hù)。延時(shí)保險(xiǎn)絲的熔體經(jīng)特殊加工而成，它具有吸收能量的作用，調(diào)整能量吸收量就能使它即可以抗住沖擊電流又能對(duì)過載提供保護(hù)。 ；市電經(jīng)共模扼流圈送至整流濾波電路，經(jīng)整流二極管D10～D13整流和（56uF/400V）濾波，得到300V的直流電。 2．定影系統(tǒng)供電及控制 通電后，打印機(jī)CPU經(jīng)由接插件CN101之⑾腳（RELAY-ON）送入高電平，導(dǎo)通、繼電器RL1吸合；與此同時(shí)，CN101之③腳（HEAT-ON）變?yōu)樗腿氲碗娖?，非線性光耦PC2（4SF21）動(dòng)作，雙向可控硅TRA1（BCR8PM：BCR是Renasas公司的型號(hào)，8是8A，PM是TO-220F封裝）因有觸發(fā)信號(hào)而導(dǎo)通。此時(shí)，市電通過連接器J102為加熱陶瓷片供電。如果在設(shè)定時(shí)間內(nèi)打印機(jī)仍未工作，則CN101之⑾腳變?yōu)榈碗娖剑刂?，RL1釋放，機(jī)器進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。雙向可控硅TRA1主回路兩端并聯(lián)的壓敏電阻和電容起保護(hù)可控硅之用。是在磁環(huán)上繞制而成的電感，用于抑制差模干擾。 圖3-29 兄弟MFC7420多功能機(jī)開關(guān)電源電路原理圖 3．主電源 該機(jī)是由功率管（2SK2717是MOSFET）和開關(guān)變壓器T1為核心構(gòu)成的自激式開關(guān)電源。 （1）輸入電路 輸入整流濾波電壓約300V，一路經(jīng)開關(guān)變壓器T1主繞組加到漏極（D）；另一路由～與分壓，經(jīng)送到柵極（G），提供啟動(dòng)電壓。由于遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于～串聯(lián)電阻，故柵-源極所加電壓在MOSFET安全工作范圍之內(nèi)。T1輔助繞組與功率管組成開關(guān)振蕩電路，既是開關(guān)管，又是振蕩管。高壓電容（470pF/2kV）并聯(lián)在的漏-源極之間，用于抑制關(guān)斷瞬間電感產(chǎn)生的浪涌電壓。 （2）功率管Q1開關(guān)過程 圖3-30中，當(dāng)輔助繞組為正極性電壓時(shí)，的充電時(shí)間設(shè)定了導(dǎo)通的最大脈沖寬度，在此脈寬之內(nèi)受控于調(diào)頻調(diào)寬管。 當(dāng)輔助繞組為正極性電壓時(shí)，一方面經(jīng)、加速導(dǎo)通；另一方面經(jīng)D4整流，脈動(dòng)直流電壓通過給充電，當(dāng)電壓高于0.6V時(shí)開始促使脈寬調(diào)頻管導(dǎo)通，拉低柵極電壓，限定導(dǎo)通時(shí)間。是充電電荷的自由泄放電阻。光耦PC1光電晶體管可以視為受輸出電壓控制的可變電阻，與串聯(lián)后構(gòu)成對(duì)充電的另一支路。光電晶體管等效電阻愈小，充電速度愈快，愈快導(dǎo)通，愈快截止、占空比減小，反之亦反。 當(dāng)輔助繞組為負(fù)極性電壓時(shí)，一方面經(jīng)、拉低柵極電壓，加速截止；另一方面的充電電荷經(jīng)D6、快速釋放，快速截止，準(zhǔn)備下一個(gè)控制周期（穩(wěn)壓二極管D5與作用不明，筆者把開路開關(guān)電源工作正常）。 圖3-30 主電源振蕩原理 （3）穩(wěn)壓控制 次級(jí)側(cè)，D102與，D103與整流濾波分別得到+5V和+20V兩組電壓。其中，+5V電壓經(jīng)由采樣電阻與分壓，加到精密基準(zhǔn)電壓TL431參考端（R），作為反饋信號(hào)。+20V電壓沒有反饋通路，它的電壓數(shù)值是以前者的電壓為基準(zhǔn)，合理設(shè)計(jì)兩者的匝比來確定的。+20V電壓經(jīng)為光耦的光電二極管供電，與光電二極管并聯(lián)，增大TL431的電流，改善其線性度。 根據(jù)精密基準(zhǔn)電壓TL431的工作特性，則輸出電壓為 （V） 式中，2.5V為TL431參考端電壓，“//”為并聯(lián)符號(hào)。代入原理圖中電阻元件參數(shù)，可得 ≈5.1（V） 電路中，（68kΩ）與（0.1μF）串聯(lián)后，并聯(lián)在TL431參考端（R）與輸出端（C）之間，用作頻率補(bǔ)償。安規(guī)Y電容連接“熱地”與“冷地”，抑制變壓器漏感引起的尖峰電流；穩(wěn)壓二極管D120（30V/1W）用作+20V過壓保護(hù)。、分別為插座CN104網(wǎng)絡(luò)FLED-PWR和PLED-PWR的上拉（+5V）電阻。是用于“紙檢測(cè)傳感器”的供電控制，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)TNRLED為高電平時(shí)導(dǎo)通“紙檢測(cè)傳感器”得電，具體控制功能從略。 為了負(fù)載測(cè)試需要，現(xiàn)把D102與整流濾波直流電壓+5V、D103與整流濾波電壓+20V分別接上負(fù)載，實(shí)測(cè)前者為+5.1V且不隨負(fù)載而變化，后者約為+20.5V且隨負(fù)載加重而下降。 4．工作波形測(cè)試 （1）柵極和漏極的電壓波形 如圖3-31所示為開關(guān)管漏極和柵極的電壓波形，開關(guān)頻率高達(dá)224.7kHz。 3.9V 280V CH2振幅約占3.9格，指示Q1柵極脈沖電壓幅度： 3.9div1V/div=3.9V 1、CH1振幅約占5.6格，指示Q1漏極脈沖電壓幅度： 5.6div50V/div=280V 2、Q1關(guān)斷時(shí)，其漏極電壓波形以高頻振鈴衰減。 圖3-31 Q1漏極（CH1）和柵極（CH2）電壓波形 由圖3-31可見，開關(guān)管的漏極、柵極均為高頻脈沖電壓，二者反相。在完全導(dǎo)通期間漏極電壓為零，完全截止期間漏極電壓（不計(jì)截止瞬間的尖峰脈沖）約為280V，該電壓是輸入直流電壓（165V）與主繞組自感電動(dòng)勢(shì)（115V）的疊加。由于柵極脈沖電壓的正峰值不高，且上升斜率小，導(dǎo)致開通渡越時(shí)間過長(zhǎng)，功率管的開關(guān)損耗增大。 （2）輔助繞組和柵極的電壓波形 如圖3-32所示為輔助繞組和柵極的電壓波形，二者同相。輔助繞組脈沖電壓在-5V～+9V之間振蕩，振幅約14V，柵極脈沖電壓在-0.6V～+3.3V之間振蕩，正脈沖電壓幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于負(fù)脈沖，振幅約3.9V。 0.6V 3.3VV CH2振幅約占3.9格，指示Q1柵極脈沖電壓幅度： 3.9div1V/div=3.9V 14VV CH1振幅約占2.8格，指示輔助繞組脈沖電壓幅度： 2.8div5V/div=14V 圖3-32 輔助繞組（CH1）和柵極（CH2）的電壓波形 （3）基極和柵極的電壓波形 如圖3-33所示為脈寬調(diào)制管基極和功率管柵極的電壓波形。脈寬調(diào)制管基極的電壓脈沖全在基準(zhǔn)零電壓之上，最小不到100mV，最大接近760mV。當(dāng)基極的電壓接近峰值時(shí)，拉低功率管柵極電壓，漏極電流減小，變壓器所有繞組的電壓極性反轉(zhuǎn)，加速的截止進(jìn)程。當(dāng)基極的電壓從最小值上升，柵極同步電壓上升到開啟電壓時(shí)導(dǎo)通，變壓器所有繞組的電壓極性回轉(zhuǎn)，加速的導(dǎo)通進(jìn)程。 760mV CH1指示Q2基極脈沖電壓峰值約0.76V時(shí)拉低Q1柵極電壓（CH2），Q1漏極電流減小別加速截止。 CH2振幅約占3.9格，指示Q1柵極脈沖電壓幅度： 3.9div1V/div=3.9V 圖3-33 基極（CH1）和柵極（CH2）的電壓波形 綜上所述，脈寬調(diào)制管的基極電壓既受正反饋繞組的控制，又受PC1控制，故基極電壓峰值是兩種因素的共同結(jié)果。正常工作時(shí)，PC1在控制導(dǎo)通與否時(shí)起決定性作用。 5．短路保護(hù) MFC7420開關(guān)電源具有輸出短路保護(hù)功能，當(dāng)+5V短路時(shí)（+20V開路），光電耦合器PC1控制失效，漏極的脈沖電壓頻率下降到14.1kHz且占空比小，如圖3-33所示。這時(shí)開關(guān)電源的輸出能量顯著降低，從而保護(hù)開關(guān)管等重要元件的安全。若+20V短路（+5V開路），工作模式基本相同，只是工作頻率稍有差別。 圖3-34 短路時(shí)漏極的電壓波形（降頻工作） 另外，電路中并非是一個(gè)真實(shí)的電阻，而是8只3.9kΩ電阻并聯(lián)，折算等效電阻為487.5Ω。其作用是這樣的：若+20V與+