自激式开关电源的原理

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。

U相对值发生变化，因此D （3）自激式开关电源在占空比D发生改变时，开关管的C I与CE

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、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①

如图3-1所示为自激式开关电源的基本电路。I U 是输入交流电压经整流的直流电压；I C 是整流电压的滤波电容；'B R 是启动电阻；VT 是功率开关管；B R 、B C 与变压器辅助绕组构成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O C 组成整流滤波电路，输出平滑的直流电压O U 给负载L R 供电。

图3-1 自激式开关电源的基本电路

初始上电时，电阻'

B R 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I U 顺向叠加），次级绕组感应动势的方向使二极管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。VT 导通（ON t ）期间，变压器T 初级绕组从电源电压I U 蓄积能量；在VT 截止（OFF t ）期间，变压器T 蓄积的能量释放给负载。在VT 从导通到截止转换瞬间，变压器初次级绕组依次出现峰值电流P I 1、P I 2②，见图3-2（a ）、（b ）所示。初、次级绕组均为脉冲电压，且相位相反，见图3-2（c ）、（d ）所示。F U 为整流二极管导通压降，2U 是2u

① 有些文献称之为RCC 变换器，RCC 指Ringing Choke Converter ，即阻尼振荡变换器。

② 图中I 1P 、I 2P 是i 1、i 2的峰值电流，下标P 为peak 首字母。

的正脉冲，等于输出直流O U 与二极管导通电压F U 的叠加。OFF t 结束时，变压器初级绕组感应电动势1u 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。

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源的分时等效电路，1L 、2L 分别为初、次级绕组的电感。图（a ）ON t 期间开关管VT 导通，T 初级绕组两端所加电压为I U ，次级侧滤波电容O C 放电、电压降低，供给负载输出电流O i 。这期间，变压器T 初级绕组从直流电源I U 吸收能量、电感励磁；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 ）OFF t 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，初级绕组

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 ）ON t 期间 （b ）OFF t 期间

C充电、电压升高，一边给负载吸收的能量耦合到次级侧，整流二极管VD导通，一边给电容O

供电，变压器初级绕组释能、电感消磁。

3.1.3 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。

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

i是决定电源输出功率之值，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CP

它由开关管的基极电流B i与晶体管基区电荷存储效应时间stg t④决定。为了方便讲述，这里把基④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