開關電源原理與維修

1、開關電源原理與維修 ---生產部維修中心,核達中遠通,2,,,主講人：鄧國剛Email: Dengguogang@vapel.com,3,,,概念,開關電源: 廣義的說,凡用半導體功率器件作為開關,將電源形態(tài)轉變成為另一形態(tài)的主電路都叫做開關變換器電路.轉變時用自動控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護環(huán)節(jié)則稱開關電源,常見的拓撲結構:,BUCK, BOOST,反激式,正激式,半橋,全橋,4,開關電源原理,一. 開關電源的

2、電路組成：開關電源的主要電路是由輸入電磁干擾濾波器（EMI）、整流濾波電路、功率變換電路、PWM控制器電路、輸出整流濾波電路組成。輔助電路有輸入過欠壓保護電路、輸出過欠壓保護電路、輸出過流保護電路、輸出短路保護電路等。開關電源的電路組成方框圖如下：,,5,二.輸入電路的原理及常見電路 1、AC輸入整流濾波電路原理：,,,6,防雷電路：當有雷擊，產生高壓經電網導入電源時，由MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F

3、3、FDG1組成的電路進行保護。當加在壓敏電阻兩端的電壓超過其工作電壓時，其阻值降低，使高壓能量消耗在壓敏電阻上，若電流過大，F1、F2、F3會燒毀保護后級電路。輸入濾波電路：C1、L1、C2、C3組成的雙π型濾波網絡主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進行抑制，防止對電源干擾，同時也防止電源本身產生的高頻雜波對電網干擾。當電源開啟瞬間，要對C5充電，由于瞬間電流大，加RT1（熱敏電阻）就能有效的防止浪涌電流。因瞬時能量全消耗在RT1

4、電阻上，一定時間后溫度升高后RT1阻值減?。≧T1是負溫系數元件），這時它消耗的能量非常小，后級電路可正常工作。整流濾波電路：交流電壓經BRG1整流后，經C5濾波后得到較為純凈的直流電壓。若C5容量變小，輸出的交流紋波將增大。,工作原理如下:,7,2. DC輸入濾波電路原理：,8,輸入濾波電路：C1、L1、C2組成的雙π型濾波網絡主要是對輸入電源的電磁噪聲及雜波信號進行抑制，防止對電源干擾，同時也防止電源本身產生的高頻雜波對電網干擾。

5、C3、C4為安規(guī)電容，L2、L3為差模電感。 R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7組成抗浪涌電路。在起機的瞬間，由于C6的存在Q2不導通，電流經RT1構成回路。當C6上的電壓充至Z1的穩(wěn)壓值時Q2導通。如果C8漏電或后級電路短路現象，在起機的瞬間電流在RT1上產生的壓降增大，Q1導通使Q2沒有柵極電壓不導通，RT1將會在很短的時間燒毀，以保護后級電路。,工作原理如下:,9,三.功率變換電路：

6、 1. MOS管的工作原理：目前應用最廣泛的絕緣柵場效應管是MOSFET（MOS管），是利用半導體表面的電聲效應進行工作的。也稱為表面場效應器件。由于它的柵極處于不導電狀態(tài)，所以輸入電阻可以大大提高，最高可達105歐姆，MOS管是利用柵極電壓的大小，來改變半導體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。 2.常見的原理圖：,10,3.工作原理：R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2組成緩沖器，和

7、開關MOS管并接，使開關管電壓應力減少，EMI減少，不發(fā)生二次擊穿。在開關管Q1關斷時，變壓器的原邊線圈易產生尖峰電壓和尖峰電流，這些元件組合一起，能很好地吸收尖峰電壓和電流。從R3測得的電流峰值信號參與當前工作周波的占空比控制，因此是當前工作周波的電流限制。當R5上的電壓達到1V時，UC3842停止工作，開關管Q1立即關斷 。R1和Q1中的結電容CGS、CGD一起組成RC網絡，電容的充放電直接影響著開關管的開關速度。R1過小，易引起

8、振蕩，電磁干擾也會很大；R1過大，會降低開關管的開關速度。Z1通常將MOS管的GS電壓限制在18V以下，從而保護了MOS管。Q1的柵極受控電壓為鋸形波，當其占空比越大時，Q1導通時間越長，變壓器所儲存的能量也就越多；當Q1截止時，變壓器通過D1、D2、R5、R4、C3釋放能量，同時也達到了磁場復位的目的，為變壓器的下一次存儲、傳遞能量做好了準備。IC根據輸出電壓和電流時刻調整著⑥腳鋸形波占空比的大小，從而穩(wěn)定了整機的輸出電流和電壓。

9、C4和R6為尖峰電壓吸收回路。,11,4、推挽式功率變換電路：,Q1和Q2將輪流導通。,12,5、有驅動變壓器的功率變換電路：,T2為驅動變壓器，T1為開關變壓器，TR1為電流環(huán)。,13,四.輸出整流濾波電路,1. 正激式整流電路：,T1為開關變壓器，其初極和次極的相位同相。D1為整流二極管，D2為續(xù)流二極管，R1、C1、R2、C2為削尖峰電路。L1為續(xù)流電感，C4、L2、C5組成π型濾波器。,14,2.反激式整流電路：,T1為開關變壓

10、器，其初極和次極的相位相反。D1為整流二極管，R1、C1為削尖峰電路。L1為續(xù)流電感，R2為假負載，C4、L2、C5組成π型濾波器。,15,3.同步整流電路：,同步整流電路有著損耗小、可提高整機效率等優(yōu)點，工作原理：1)當變壓器次級上端為正時，電流經C2、R5、R6、R7使Q2導通，電路構成回路，Q2為整流管。Q1柵極由于處于反偏而截止。2)當變壓器次級下端為正時，電流經C3、R4、R2使Q1導通，Q1為續(xù)流管。Q2柵極由于處于反偏而截

11、止。L2為續(xù)流電感，C6、L1、C7組成π型濾波器。R1、C1、R9、C4為削尖峰電路。,16,五.穩(wěn)壓環(huán)路原理：,1、反饋電路原理圖：,當輸出U0升高，經取樣電阻R7、R8、R10、VR1分壓后，U1③腳電壓升高，當其超過U1②腳基準電壓后U1①腳輸出高電平，使Q1導通，光耦OT1發(fā)光二極管發(fā)光，光電三極管導通，UC3842①腳電位相應變低，從而改變U1⑥腳輸出占空比減小，U0降低。當輸出U0降低時，U1③腳電壓降低，當其低過U1②

12、腳基準電壓后U1①腳輸出低電平，Q1不導通，光耦OT1發(fā)光二極管不發(fā)光，光電三極管不導通，UC3842①腳電位升高，從而改變U1⑥腳輸出占空比增大，U0降低。周而復始，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。調節(jié)VR1可改變輸出電壓值。反饋環(huán)路是影響開關電源穩(wěn)定性的重要電路。如反饋電阻電容錯、漏、虛焊等，會產生自激振蕩，故障現象為：波形異常，空、滿載振蕩，輸出電壓不穩(wěn)定等。,2、工作原理：,17,六、短路保護電路,1、在輸出端短路的情況下，PWM控制

13、電路能夠把輸出電流限制在一個安全范圍內，它可以用多種方法來實現限流電路，當功率限流在短路時不起作用時，只有另增設一部分電路。2、短路保護電路通常有兩種，左圖是小功率短路保護電路，其原理簡述如下： 工作原理: 當輸出電路短路，輸出電壓消失，光耦OT1不導通，UC3842①腳電壓上升至5V左右，R1與R2的分壓超

14、過TL431基準，使之導通，UC3842⑦腳VCC電位被拉低，IC停止工作。UC3842停止工作后①腳電位消失，TL431不導通UC3842⑦腳電位上升，UC3842重新啟動，周而復始。當短路現象消失后，電路可以自動恢復成正常工作狀態(tài)。,18,3、下圖是中功率短路保護電路，其原理簡述如下：當輸出短路，UC3842①腳電 壓上升,U1 ③腳電位高于②腳時，比較器翻轉①腳輸出高電位，給C1充電，當C1兩端電壓超過⑤腳基準電

15、壓時U1⑦腳輸出低電位，UC3842①腳低于1V，UCC3842停止工作，輸出電壓為0V，周而復始，當短路消失后電路正常工作R2,C1是充放電時間常數，阻值不對時短路保護不起作用。,19,4、 下圖是常見的限流、短路保護電路。其工作原理簡述如下： 當輸出電路短路或過流，變壓器原邊電流增大，R3兩端電壓降增大，③腳電壓升高，UC3842⑥腳輸出占空比逐漸增大，③腳電壓超過1V時，UC3842關閉無輸出。

16、,20,5、下圖是用電流互感器取樣電流的保護電路，有著功耗小，但成本高和電路較為復雜，其工作原理簡述如下：輸出電路短路或電流過大，TR1次級線圈感應的電壓就越高，當UC3842③腳超過1伏，UC3842停止工作，周而復始，當短路或過載消失，電路自行恢復。,21,七、輸出端限流保護,上圖是常見的輸出端限流保護電路，其工作原理簡述如下：當輸出電流過大時，RS（錳銅絲）兩端電壓上升，U1③腳電壓高于②腳基準電壓，U1①腳輸出高電壓，Q1導通

17、，光耦發(fā)生光電效應，UC3842①腳電壓降低，輸出電壓降低，從而達到輸出過載限流的目的。,22,輸出過壓保護電路的作用是：當輸出電壓超過設計值時，把輸出電壓限定在一安全值的范圍內。當開關電源內部穩(wěn)壓環(huán)路出現故障或者由于用戶操作不當引起輸出過壓現象時，過壓保護電路進行保護以防止損壞后級用電設備。應用最為普遍的過壓保護電路有如下幾種：1、可控硅觸發(fā)保護電路：

18、 如上圖，當Uo1輸出升高，穩(wěn)壓管（Z3）擊穿導通，可控硅（SCR1）的控制端得到觸發(fā)電壓，因此可控硅導通。Uo2電壓對地短路，過流保護電路或短路保護電路就會工作，停止整個電源電路的工作。當輸出過壓現象排除，可控硅的控制端觸發(fā)電壓通過R對地泄放，可控硅恢復斷開狀態(tài)。,八、輸出過壓保護電路的原理：,23,2、光電

19、耦合保護電路：如右圖，當Uo有過壓現象時，穩(wěn)壓管擊穿導通，經光耦（OT2）R6到地產生電流流過，光電耦合器的發(fā)光二極管發(fā)光，從而使光電耦合器的光敏三極管導通。Q1基極得電導通，3842的③腳電降低，使IC關閉，停止整個電源的工作，Uo為零，周而復始.,24,3、輸出限壓保護電路：輸出限壓保護電路如下圖，當輸出電壓升高，穩(wěn)壓管導通光耦導通，Q1基極有驅動電壓而道通，UC3842③電壓升高，輸出降低，穩(wěn)壓管不導通，UC3842③電壓降低，輸

20、出電壓升高。周而復始，輸出電壓將穩(wěn)定在一范圍內（取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值）。,25,4、輸出過壓鎖死電路：,圖A的工作原理是，當輸出電壓Uo升高，穩(wěn)壓管導通，光耦導通，Q2基極得電導通，由于Q2的導通Q1基極電壓降低也導通，Vcc電壓經R1、Q1、R2使Q2始終導通，UC3842③腳始終是高電平而停止工作。在圖B中，UO升高U1③腳電壓升高，①腳輸出高電平，由于D1、R1的存在，U1①腳始終輸出高電平Q1始終導通，UC3842①腳始終是低電

21、平而停止工作。,26,九、功率因數校正電路（PFC）,1、原理示意圖：,2、工作原理：輸入電壓經L1、L2、L3等組成的EMI濾波器，BRG1整流一路送PFC電感，另一路經R1、R2分壓后送入PFC控制器作為輸入電壓的取樣，用以調整控制信號的占空比，即改變Q1的導通和關斷時間，穩(wěn)定PFC輸出電壓。L4是PFC電感，它在Q1導通時儲存能量，在Q1關斷時施放能量。D1是啟動二極管。D2是PFC整流二極管，C6、C7濾波。PFC電壓一路送后級

22、電路，另一路經R3、R4分壓后送入PFC控制器作為PFC輸出電壓的取樣，用以調整控制信號的占空比，穩(wěn)定PFC輸出電壓。,27,十、輸入過欠壓保護,,1.原理圖：,2.工作原理：AC輸入和DC輸入的開關電源的輸入過欠壓保護原理大致相同。保護電路的取樣電壓均來自輸入濾波后的電壓。 取樣電壓分為兩路，一路經R1、R2、R3、R4分壓后輸入比較器3腳，如取樣電壓高于2腳基準電壓，比較器1腳輸出高電平去控制主控制器使其關斷，電源無輸出。另一

23、路經R7、R8、R9、R10分壓后輸入比較器6腳，如取樣電壓低于5腳基準電壓，比較器7腳輸出高電平去控制主控制器使其關斷，電源無輸出。,28,十一、電池管理,1.電池管理原理圖：,虛線框A內的零件組成電池啟動和關斷電路；虛線框B為電池充電線性穩(wěn)壓電路；虛線框C為電子開關電路；虛線框D為電池充電電流限制電路。,29,2.電池啟動原理：輸入電壓由INPUT和AGND端輸入，分為三路。第一路經D7直接送后級和電池啟動、關斷電路。R28、R2

24、7、R26分壓后的電壓使U3導通（此電壓在設計時已計算好了，正常工作時高于2.5V），光藕OT1導通。R25為U3提供工作電壓，R23、R24為光藕的限流及保護電阻。光藕導通后電源經R22、OT1、D9給Q4提供基極偏置電壓，Q4導通，R21為Q4的下偏置電阻。繼電器RLY1-A的線圈中有電流流過，繼電器觸點RLY1-B吸合，將電池BAT接入電路中。D4為阻止在Q4關斷時繼電器線圈產生的電動勢影響后級電路，D5為防止在Q4關斷時繼電器

25、線圈產生的電動勢損壞Q4，將繼電器線圈產生的能量釋放。3.電池充電穩(wěn)壓原理：在通電的初期，由于Q3沒有偏置而不導通，D3的正端無電壓。電源經R1降壓Z1穩(wěn)壓后給U1和U2提供工作電壓。R2、U1組成基準電壓，R13、R4、R5、R6、VR1組成電池電壓檢測電路，當U2②腳檢測電壓低于③腳電壓時，其①腳輸出高電平，經R14給Q2提供偏置電壓，Q2導通、Q3也跟著導通，電源經Q3、D3、繼電器觸點RLY1-B、F1給電池BAT充電。當

26、U2②腳檢測電壓高于③腳電壓時，其①腳輸出低電平，Q2失去偏置電壓而截止，Q3截止，D3的正端無電壓，其負極電壓下降，U2②腳檢測電壓也跟著下降，當U2②腳檢測電壓低于③腳電壓時，其①腳輸出高電平，Q2、Q3導通繼續(xù)充電，如此周而復始，使D3的負端電壓維持在某一設定值。調節(jié)VR1可以改變充電電壓值。4.電池充電限流原理：在充電的過程中，電流經Q3、RLY1-B、F1、BAT、R20回到地（AGND）。在電池充電的初期，因電池電壓比較

27、低，流經Q3、RLY1-B、F1、BAT、R20的電流就會增大，那么在R20上產生的壓降就會增大(R20為電流取樣電阻)。電阻R20的上端S點經R11連接到U2B的同相輸入端⑤腳，U2B的反相輸入端⑥腳有一固定參考電壓，當R20上的壓降超過參考電壓時，U2⑦腳輸出高電平，經D2、R15給Q1提供偏置電壓，Q1因此導通。Q1導通后Q2因失去基極電壓而截止，將使線性穩(wěn)壓器的輸出關斷，Q3、RLY1-B、F1、BAT、R20回路中就沒有電流流

28、過，R20上的壓降消失，U2⑦腳輸出低電平，Q1截止，Q2、Q3導通繼續(xù)充電，如此周而復始，就將充電電流限制在某一設定值范圍內。調節(jié)R10、R11可改變限流點。,30,5. 電池欠壓關斷原理：當輸入電壓沒有時，電池電壓經D6給后級和電池啟動、關斷電路供電。當電池電壓下降，U3①腳電壓也跟著下降，在電池電壓下降至設計關斷點時（也就是U3①腳電壓低于2.5V時），U3不導通，OT1不發(fā)生光電藕合，Q4無偏置而截止，繼電器RLY1-A的線圈中

29、沒有電流流過，繼電器觸點RLY1-B斷開，將電池BAT從電路中斷開，防止電池過放電而損壞。改變R26、R27的阻值，可以改變電池欠壓關斷時的電壓值。,31,十二、智能風扇散熱：,,,1. 在開關電源中，對電源進行散熱的方式有很多種，智能散熱就是其中之一。它是隨電源工作時的溫度高低，來調節(jié)散熱風扇的工作電壓而改變風力大小，達到最佳散熱效果。有著節(jié)能的目的。其原理圖如下：,32,,,2.工作原理：輸入電壓由INPUT端（12～13V）輸入

30、，R6為U2提供工作電壓，R7、R8阻值相同，分壓后為TL431提供觸發(fā)電壓，使A點的基準電壓在+5V；RT1為負溫度系數熱敏電阻，經R1、R2分壓加在U1的反相輸入端⑥腳。R5為輸出電壓取樣電阻，與R4分壓后加在U1的同相輸入端⑤腳；Q1為電子開關管；風扇電壓由FANOUT端輸出。 在剛通電的時候，由于Q1還沒導通，C點無電壓，U1的⑥腳電壓高于⑤腳，因此U1⑦腳輸出低電平，Z1擊穿導通，Q1導通，C點有電壓輸出；應Q1的發(fā)射極接

31、輸入電壓端，因此C點電壓約等于輸入電壓，經R5與R4分壓后加在U1的同相輸入端⑤腳，使⑤腳電壓高于⑥腳電壓，U1⑦腳輸出高電平，Z1不導通，Q1不導通，C點無電壓輸出；使⑤腳電壓又低于⑥腳電壓，U1⑦腳又輸出低電平，如此反復最終使C電壓穩(wěn)定在某一值（因⑥腳電壓不變）；也就是說C點的電壓是隨B點的電壓變化而變化的。開關電源工作的初期（或輕載工作），機內溫度低，熱敏電阻RT1的內阻很大，B點的電壓相對較低，因此C點的輸出電壓也低，風扇因工

32、作電壓低而轉速慢、風力小。當開關電源機內溫度逐漸升高（滿載工作），熱敏電阻RT1的內阻逐漸減小，B點的電壓也升高，因此C點的輸出電壓也跟著升高，風扇因工作電壓升高而轉速加快、風力加大。當機內溫度下降后，熱敏電阻內阻逐漸增大，B點電壓下降，C點的輸出電壓也降低，風扇因工作電壓低而轉速變慢、風力小。當B點電壓（溫度）升高到一定程度時，U1③腳電壓高于②腳基準電壓，U1①腳輸出高電平，經D2輸出到過溫保護電路，實現過溫保護功能。D1、R13為

33、遲滯網絡，當電源在過溫保護點保護后，即使溫度已經下降到比保護點低，U1①腳仍會輸出高電平，只有當溫度下降到某一要求值時U1①腳才會輸出低電平，避免電源平凡保護-開啟-保護。,33,1. 在通訊設備或其它用電設備中，為了使系統(tǒng)不間斷的工作，對供電系統(tǒng)的要求就很高。除了要求電源本身的性能要穩(wěn)定外，另一種方法就是采用1+1備分的方式，就是一臺設備用兩臺電源并聯(lián)供電，當其中的一臺損壞，另外一臺可繼續(xù)給系統(tǒng)供電。在正常工作時，每臺電源提供的能量

34、相等，也就是它們輸出的電壓、電流基本一致。為了使每臺電源輸出的電壓、電流基本一致，就要用到均流技術。原理如下圖所示：,十三、均流技術,34,均流電路原理圖,35,2.工作原理：U1A、R1～R7、C1～C5、VR1組成電流取樣電壓放大器；U1B、D1組成電壓跟隨器；R10為均流電壓輸出電阻；R11～R14、U2A、C6～C10組成平衡電壓比較器；R15～R17、Q1為電子開關；R30～R33、C17、C18、U2B組成過流保護電路；R

35、19～28、D2、D3、D4、C12～C14、Q2是電源的輸出電壓穩(wěn)壓環(huán)路，其中D2、D3、R19～R21為輸出電壓取樣電路。D6為輸出隔離二極管。電源在工作時，由電流環(huán)或錳銅絲檢測的電流取樣電壓由+IS、-IS加入U1A組成的電壓放大器進行放大，經R5、R6、R7、VR1分壓后分兩路輸出，一路送入U1B電壓跟隨器，D1起隔離作用，防止均流母線上的電壓變化對前級電路產生影響，另一路送過流保護電路。經過電壓跟隨器后的電流取樣電壓又分為

36、兩路，一路經R10輸出作為均流信號電壓JL+，另一路經R11送入U2A組成的平衡電壓比較器與U2②腳的參考電壓進行比較，當U2③腳電壓高于②腳電壓，其①輸出高電平，Q1基極得電導通，將R17、R18并入輸出電壓取樣電路，使輸出電壓升高，輸出電壓升高后輸出電流就會減小，檢測的電流取樣電壓也就降低，均流信號電壓JL+降低，U2③腳電壓低于②腳電壓，其①輸出低電平，Q1截止，R17、R18從輸出電壓取樣電路中退出，輸出電壓降低。如此循環(huán)，最終

37、使輸出電壓、電流保持穩(wěn)定。,36,如下圖，當兩臺電源并機工作時，其輸出端是并接在一起的，均流信號線也連接在一起。現在假設電源A的輸出電流Io1大于電源B的輸出電流Io2，在兩臺電源內部的電流取樣電壓就會A高于B，也就是JL1+高于JL2+，而JL1+和JL2+是接在同一條線上（均流母線），因此JL2+升高，通過電源B內部均流電路的控制迫使其輸出電壓升高，Io2增大，Io1減小（負載電流不變）；Io2高于Io1時，其控制過程剛好相反，如此

38、循環(huán)，最終使兩臺電源的輸出電壓、電流保持一致。 Q3、C19、R34～R36組成的電路的作用是，在電源啟動初期輸出電壓低或輸出欠壓時Q3導通，使U2A③腳處于低電位，U2A①腳輸出低電平，Q1截止，也就是使均流電路不起作用。 VR1可調節(jié)均流信號的電壓值，也可調節(jié)輸出限流點。,37,十四、開關電源的測試技巧,1. 功率變換電路：在功率變換電路的測試中，主要對幾個關鍵點進行監(jiān)測，就可知道電路是否工作正常，測試點如下

39、圖所示：Ui：指柵極（GS）驅動電壓，GS電壓一般限制在18V以下；Ud：指MOS管關斷時源極的最高電壓，Ud應小于MOS管DS極間的最高耐壓值；Us：指電路正常工作時，開關變壓器初極線圈中的電流在R5上產生的電流取樣電壓，當R5上的電壓達到1V時，UC3842停止工作。,38,2.輸出過壓保護：輸出過壓保護電路的測試方法主要兩種，一是內調法，另一種是外加直流電壓調節(jié)法。,當電源無輸出隔離二極管時，可采用內調法和外加直流電壓調節(jié)法

40、使輸出電壓升高，來測試輸出過壓保護電路；當電源有輸出隔離二極管時，只可采用內調法使輸出電壓升高，來測試輸出過壓保護電路，因穩(wěn)壓環(huán)路的取樣點不在輸出端口；,39,3.輸出限流保護：因各種開關電源的電路結構不同，在測試輸出限流保護時的方法也不同。,在測試圖A的各路輸出限流點時，OUT1、OUT2、OUT3三路應全部帶滿載，然后再測試每一路的輸出限流點，如果單獨測試一路，另外兩路帶小載或空載，因AC/DC轉換電路達不到過載保護點而使單路的輸出