揭示开关式电源的简炼设计方法

只看该作者 · 2011-10-31 23:15

小型的电源装置，例如那些供流动电话充电的，采用开关式布局有越来越多的趋势。笔者一直以来都有搜集这类供电器，并且加以剖释，发现当中由中国大陆制造的供电器有其独到之处，特别吸引笔者细心研究，值得再深入探讨。另外也去看看其他供电器所采用的另类策略，最后参照同一样的中国人简炼设计的概念，提出一个实际的小型制作。　　便宜、简单的零散元件
　　图1所示的供电器用零散元件组装而成。里面没有任何专用的IC，换言之就可以通过“逆向工程”方法完全分析其工作原理。令人感到十分惊讶的就是如此有效的电路竟然只用数个低成本的元件堆砌而成。分析当中，将会看见在每一步那一方面的设计是很重要，沿途也会发现一些意想不到的事。

图1　中国制造的采用零散元件的供电器

　　洞察
　　开关式供电器一般可划分为三个功能部份。在第一级中从市电输入取得DC电压，这级也包括各种不同的安全措施和滤波功能。第二级是开关电路本身，它执行电压变换并提供与市电隔离。在第三级，护理及平滑输出电压，并且取得所需的有关资料，作为稳压过程的控制。
　　首先看看供电器的规格，这是显示在制造商的识别标签上：
　　输入电压：100V至240V AC，50／60Hz
　　输出电压：12V，最大10A
　　供电器的输入级电路如图2所示，电容C1直接与市电电压连接，没有任何进一步保护。故它必须属“X级”电容，其责任是要堵塞来自市电的高频。加入R1目的是给C1放电，一般SMD电阻并不适合于市电电压操作，所以R1用两个串联470kΩ SMD电阻造成。

图2 供电器的输入级

只看该作者 · 2011-10-31 23:16

加入保险丝F1以防万一有某地方出错：譬如市电输入可能出现有高频瞬变情况。较小的瞬变则被压敏电阻R2（470V）吸收。四个零散的1N4007二极管组成整流器，把AC电压转到DC，有睦制造商采用表面安装类型的桥式整流器，把AC电压转到DC，有些制造商采用表面安装类型的桥式整流器。电容C2及C3一起组成储存电容器，它俩属于400V/105℃类别，保证高温下有长久的寿命。有趣的地方是在两电容之间加插了一个共模式（电流补偿型）扼流圈L1。这种安排好处想必是要使到两电容之间有大致恒定的直流流过——比桥式整流器的峰值脉冲电流低。所以扼流圈可造得更为细小。与此同时，这“变压器”的分布电感连同C2和C3有效地组合成一个“差模式”滤波器。作为一个共模式线圈时，扼流圈L1每一边有大约70mH的电感量，而视作为一个变压器时它就有460μH的分布电感，这几乎肯定足以成为差模式扼流圈。因此，线圈L1大概有两种滤波功能。　　深入一点察看电路板时，发现有数条铜路上竟有切口（图3），这不是意外：它强迫电流流过电容器。这种形式常在电路图中以扭曲的连线表示，正如图2中所见。我们正研究电路板上铜路游走于电路的初级与次级两侧数个电容中切口特点。经上述滤波之后出现于C3上的电压便是给开关部份的电源电压。

图3　电路板铜路中的切口的改善退耦合

　　飞返变换器
　　在研究开关式供电器时第一件事是要确定基本电路所涉及的布局。首先，尝试找出个别的功率元件，一般可凭其大小认出它们。跟着，尝试找出所采用元件的身份角色（尤其二极管和晶体管），这方面可通过测量或查阅数据书，简单的电路内DC电阻测量有助于查找变压器的连线。在这情况之下很容易发现正面对着一个飞返变换器——此是低功率应用中最流行的布局。

图4 供电器的心脏

只看该作者 · 2011-10-31 23:21

图4示出电源电路的心脏——不包括次级电路，电路虽由两个晶体管所组成，但绝非很简单，在以下的分析中便会知道。

图5 自激振荡飞返变换器的原理

　　图5更清楚说明飞返变换器的基本原理，首要元件是有三个绕组的“变压器”，晶体管T1，以及二极管D1，这里把“变压器加以括弧”，因为所讨论的元件其真正身份只是有数个绕组的电感器，在开关周期开始是没有电流流入线圈内的任何绕组，于是没有能量被储存。T1然后导通，电感器的初级绕组由输入电压Uin“充电”，与此同时D1没有导通。在适当的时刻，T1截止，电流由初级这边传送往次级那边，二极管D1导通及电感器“放电”。把其能量传送去次级电路。这种电流流动模式正是飞返变返器的特征。次级电流是以直线下跌；当它到达零时，T1再导通，该周期重复下去。
　　测量
　　理论说得太多了，现在就做一些实际测量吧。由于电路一般与市电高压直接连接，这就不完全简单了。如电路经由一个隔离变压器与市电连接的话，那就可以用一般的示波器来测量电源电路的初级了。然而，仍需小心，因为没有入地漏泄或其他保护措施。由于C2和C3两电解电容并非实际很大，故电源电压上展示有在100Hz纹波，这个影响可在示波器上看得见。为要消除这方面的影响，使用另外的桥式整流器和较大的电容（470μF）来产生该电源电压，并将之施加在“+1”点上（参看图4）。图6所示为开关管T1上的集极压（上波形，用10：1探针）和流过T1的集极电流（下波形，用电流夹测量）。对于这次测量，在“+1”点上的输入电压为326V，在额定输出负荷12V/1A下，DC输入电流为44.5mA，得到效率大约83%。工作频率为95kHz，须注意，当二极管导通时，开关管的电压等于输入电压减去输出电压乘以变压器比。

只看该作者 · 2011-10-31 23:23

图6 开关管的电压与电流波形

　　自激振荡
　　在大型的市电供电器中，驱动功率管的定时和控制总是由IC处理。不过在这电路里所有这些功能则由数个零散元件执行。首先借助图5审视其原理，关键元件是在变压器的第三绕组身上，它是耦合到其他绕组去。在开始分析时先假定T1刚好截止。线圈电流现流过二极管D1，并作直线下跌，及当电流抵达零时二极管便闭塞，线圈（连同其寄生电容）和其他元件现在组成振荡器的一部份，执行另一半周。在次级绕组上的电压下跌，并最终走到负方，这导致第三（反馈）绕组上出现一个正压，此举令晶体管T1导通，造成了初级与次级绕组上的电压进一步上升，有助于保持短的开关时间。T1导电及线圈电流直线上升，于是能量储在线圈里。经某一时间之后，S2闭合（由另一聪明电路处理）。T1基极电流下跌，因此集极电流也下跌，该情况一旦开始，T1经由反馈电路加速截流过程。在此刻，周期又再重新开始。
　　现在须解释在另一时间间隔之后晶体管T1如何截止。图5中S2的开关作用查实由图4里的晶体管T2实行。这里R7和C6是重要元件，T1导电之后，线圈L2B对地便出现一个正压，C6慢慢充电直至T2开始导通为止。T2的集极电流然后夺去T1的基极电流，导致T1截止，反馈电路加快这个截流过程。

图7 T2的基极电压（下）与T1的基极电流（上）

只看该作者 · 2011-10-31 23:23

图7说明T2基极上的电压（下面波形）与T1基极电流（上面波形，用电流夹测量）的关系。晶体管T1在有大约100mA的基极电流才导通，并维持短时间的稳定。与此同时T2基极上的电压上升，直至它到达大约0.8V时，基极电流然后开始下跌，并短暂地走到负方，因载流子由基极迁走送，然后T1转为截止及T2基极上的电压开始下跌。　　起动
　　R4作用是保证电路得到正确启动，由于在这电阻上有高压，它由四个240kΩ SMD电阻串联而成，在初始状态中R4为T1传递基极电流，把T1带入到其线性放大工作区，R4要做到这一点的话，T1基极就必须没有DC路径返回到线圈L2B去：C5和D6正是保障这条路线，它俩准许基极电压经由L2B而上升，并也经过它耦合AC信号作为反馈。这个正反馈保证振荡器得以起动。接着下来想在讨论R3、C4、D5的功用之前，对变压器加一点评述，它是整个电路中的主要元件。
　　变压器
　　变压器是电路中唯一特别设计的元件。要完全一点不破坏它来作分析实在是一个挑战，首先须解焊把它从电路板拆下来，跟着要测量在其工作频率（100kHz）下的变压器参数，目的在于要取得与电路相关的数值。在过程中需要有良好的仪器，从图6的示波器波形中很容易作出大致的测量，可以确定在U=326V的电压下，L1A内的电流在1.5μS时间以内上升大约0.55A。使用公式U=LdI/dt即得出L的电感量接近900μH。如果使用有适当校准的示波器探针来测量全部三个绕组上的电压，也可获得变压比。为了取得绝对的匝数。于是用幼的漆皮铜线在变压器的中央铁心上绕五匝，并且测量在100kHz下对其他三个绕组的电压比。结果显示出L1A有56匝、L2B有3匝，以及L2C有11匝。
　　换言之，铁心的AL值大约为800μH/562=255nH/匝2。AL为假定绕组有N=1匝的电感量（L）。
　　翻查各个制造商的Data Book(如Epcos、Philips、Vogt、Kaschke等)，发现它与PHilips的E25/9/6铁心非常吻合——空气隙为200μm。初级绕组在峰值电流I=0.55A下，在该铁心身上取得约近200mT的最大场强。以现代铁氧体材料在100kHz下操作这是完全可行的。在这个峰值电流之下的铁心损失约0.5W至0.7W。从热观点来看对于这样大小的铁心已是在合理范围内。至此完成了对变压器的电气特性的描述。不过，还有许多细节仍有待解决，才可以进行一个实际设计。这些细节地方将令到开关式电源设计更为微妙。譬如变压器须在适当的安全水平上提供与市电绝缘，漏电电流须总保持在合理界限以内。绝缘胶布和分隔纸可绕到变压器身上。而所有事情都加诸于其他，大概在这个时候去做。

图8　采用三重隔离线的小型变压器

　　图8所示为来自一台6V，1.5A供电器（9W）的小型变压器，它大小只有13mm宽和14mm高，这类变压的次级绕组常是用特制的铜线所制成。图8中所见的类型就是所谓“三重绝缘”线。该线被核准作这用途。以三层独立绝缘提供与市电隔离。该线一般不会焊接在线圈躯体上，因为该连接曝露于太接近初级绕组。在这类逆向变压器上的绝缘物经常导致有相当大的分布电感，当次级一方接管电流之际。储存在分布电感内的能量通常被转变为大的尖峰电压，对与之连接的晶体管构成伤害。

只看该作者 · 2011-10-31 23:24

RCD缓冲器　　要确定这能量不伤及晶体管T1，加入了由R3、C4、D5组成的缓冲网络，二极管D5导电把尖峰脉冲分流到RC网路去，电容充电及能量慢慢在电阻上耗散。二极管D5必须能迅速切换并能承受高压，电容要有1kV工作电压。以至可受得起尖脉冲冲击。图6中清楚看见该尖脉冲电压和所发生的振荡。电阻R3是粗引线元件，大概额定约1W，在这部份电路中是构成功率损失，一个良好的设计应尽量减少它。
　　次级

图9 RCD缓冲网路

　　最后，分析次级一侧的电路（图9）。D7是一个3A肖特基二极管，它不需要外加冷却措施来协助耗散热力问题。图10示出一个2A供电器实例中，该二极管焊接在一个简单框架上，给冷却问题提供一个低成本的解决方案。在此例中晶体管T1有绝缘塑料封装，安装在小型散热器上（图4里的K1），这是与地连接，以减低EMI干优。T1集极在整个电路中仍是其中一个最热点。

图10　二极管安装有导电和导热散热器

　　电容C8和C9连同L3组成一个平滑滤波器，L4是另一个共模扼流圈，Y级的电容C7作用是改良电路中的EMI性能。这里不去探究为何这电容在次级侧上连接于这个特别点，大概这是最有效的地方。然纳管ZD2限制电路应要有的输出电压——比如负荷突然被挪开和稳压环路未能作出迅速的反应。可调然纳器（或称分流式稳压器）IC1组成稳压环路的基础，如输出电压超过12V，IC1开始导电，光电耦合器OC1内里的LED发光，于是发信回到初级侧的光电管——它与R7达成有效并联，使到C6更快充电，因此T1提早关闭，该影响也令到电感器储存较少的能量。初级与次级之间的能量传递下降，输出电压随之下跌。电路的工作频率也受影响：没有负荷的情况下（因此变换器只有其本身的损失）可运行快如600kHz。

只看该作者 · 2011-10-31 23:24

图11 降压变压器——由24V降至5V

　　本人版本
　　直至目前经已详细深入分析了这些元件，跟着当然也想动手自己试制一个类似变换器。图11为一个设计简单的电源变换器，将24V输入降压至5V/500mA输出。倘若采用7805担当此任务。它会损耗9.5W。不过这开关式变换器即使效率仅得65%，但表现上仍比串行式稳压器更加优胜。在这电路中可免去RCD缓冲网路；只要三个绕组使用三线并绕，BD237可舒适地处理尖峰电压。

图12.小型电源变换的雏形

只看该作者 · 2011-11-23 15:57

很不错，可惜我这儿看不到图啊。

揭示开关式电源的简炼设计方法

相关下载

相关帖子