开关电源培训81086教学教案

1
N2 V2 1
R L
Ic
VC E
VT N1 2
RCC的工作流程
• 各绕组亦因此感应到与其匝数相应的电动势 • 正反馈绕组N12开始为VT的基极供电 • VT的基极电流增大 • 此时绕组N21上也感应到相应的电压，其极性为上
负下正，二极管VD反偏，次级无电流流过 • 因正反馈作用，N11绕组中的电流Ic以单调函数增
开关电源的基本原理
培训教材
RCC变换器的工作原理
• RCC变换器是一种利用间歇振荡器构成自 激振荡的回扫式变换器。
• RCC：Ringing choke converter • 回扫式变换器指变压器在回扫期间传递能
量 • RCC广泛用于50W以下的开关电源中
RCC的基本电路
T1
VD
Vo
N1
Vi
Rs
• 下一个开关脉冲使RS触发脉冲复位，仅这 周期间开关管截止。此种限流作用称为 Pulse by pulse current limitation
• 图2中电路的工作原理和图1相似
PWM的启振和停振电压
Q2 N11
RS
Q3
VCC
N12
a.启动电流较大时
VCC
C1
b.启动电流较小时
启振电压 停振电压
A
R3
R4
PC1
C3
TL431 R8
控制电路的工作过程
• 绕组N12的交流电压对电容C2反复进行充放 电
• Q1导通期间，C2上的电压升高，若升高到 0.8V，Q2导通，则Q1截止
• 也就是说，Q1的导通期间与C2上的电压升 高的0.8V的期间是一致的，这样，Q1导通 期间由C2的充电期间决定，也决定了Q1的 集电极电流的峰值（充电时间常数C2R2）
• VD1的作用是使MOSFET截止时其极间电容 上的电荷能快速泄放，使其尽快截止
RCD电路
C1
R1
Vi
VD1
Q1
RCD电路
• 在正激式电路中的作用为使变压器蓄积的 能量释放出来，即使磁通恢复到初始值
• 目前本公司的产品均为反激式开关电源 • 在反激式电路中的作用为保护开关管，使
之免受开关管截止时的高压（Vi+变压器在 开关管截止瞬间产生的感生电势）的损害 • 电路中，C的取值越大，电压尖峰越低
漏源电压
TOFF
CCM
DCM和CCM
• DCM电流不连续模式 • CCM电流连续模式 • 由上图可知，在DCM下，除开关管有电流
流通期间TON以及整二极管有电流流通期间 TOFF外，还有不连续期间TD • 在不连续模式下工作时其输出电压可参照 R极C管C导的通公时式间计算，但式中的是TOFF次级二 • 负载较轻时会出现电流不连续期间
• 当输出电压减小时，控制过程和电压升高的过程 相反
基极驱动电路
VT1
VD1
C1
R2
VT2
N12
一般的方法
VT1 C1
R2
VT2
R1
VT3
C2
VD1 宽输入电压相对应的方法
基极驱动电路
• 一般的方法中，接入二极管VD1和电容C1， 这是因为若只接入电容，那只能用交流来 驱动基极，而接二极管后，可有直流驱动 基极，因此能获得较长的导通时间
控制电路的工作过程
• 当因某种原因输出端的电压发生变化时，精密电 压基准TL431通过采样电阻R7，R8感知此一变化， 并通过PC1把此一变化反馈回初级侧的控制电路
• 具体的过程为当输出电压升高时，IR10增大，流 过TL431 AK端的电流增大，PC1中的发光二极管 发光强度增大，流过光敏三极管电流增大，A点 电位升高，Q2基极电压提前升到0.8V，Q2导通， Q1截止，TON减小，从面使电压保持稳定
大，即Ic=(Vi/L)t • 式中Ic为集电极电流，L为N11的电感，t为时间
RCC工作流程
• 因正反馈绕组提供的电压是有限的，故其 提供的基极电流也是有限的
• 另外，集电极电流的放大倍数Ic/Ib也是有限 的
• 电流上升到一定值时就停止增大了，变压 器中的磁通也就不再变化
• 此时通过绕组N11的电流要减小，从而感应 出与电流同方向的电动势阻止此电流的减 小
• 对于PWM回扫变换器，因周期TS是恒定的，不会 发生RCC的上述现象，然而，虽然设计到额定负 载时为DCM，若过负载，就变为CCM,即使TON的 最大时间已经设定，电流还会增大，有时会使变 压器饱和，故仍需要设OCP电路
OCP
• 图1中当Q1的电流增大时，IRS增大，若IRS 大于VZ，则比较器输出高电平，RS触发器 置位输出PWM闭锁脉冲，Vout输出低电平， 开关管截止，输出电压降低
种
PWM控制器的功能
• 电源引脚VCC • 驱动引脚Vout • 反馈引脚FB • 电流限制引脚CL • 接地引脚GND • 决定振荡周期的引脚CT和RT • 外接软起动电容的引脚CS • 过电压保护引脚SD
PWM回扫变换器基本电路的电压电 流波形
栅极电压
TON
TD DCM
漏极电流 TON
二极管电流
• 当Q1的漏极电流达到峰值时，栅极电压可 能超过10V
• 若栅极电压达不到10V，RDON就会变大 • 栅极额定电压一般为+/-30V,为防止栅极电
压超过额定值，电路中接入DZ（24V）。
栅极驱动电路图2
• 图2中去掉了电容，电阻R1和VD1并联构成 栅极驱动电路
• R1的作用是使ID上升时有一个斜率，从而减 小Di/Dt
开关电源的保护电路
• 过电流保护电路，除了前述的OCP外，还 有在电路中串接熔断丝等方法，串接熔断 丝的方法反应较慢
• OVP过电压保护电路，一般采用使开关电 源停止工作的方式进行保护
• UVLO欠电压保护电路，通常采用关断型电 路
• OPP过功率保护电路
控制电路
• 开关电源的控制电路有间接控制电路和直 接控制电路两类
• 本公司的产品一般采用直接控制电路 • 控制电路的作用是当输入电压或负载电流
改变时改变开关管的导通时间，从而使输 出电压保持稳定
控制电路原理图
VD3
Rs N11
C4 R5
Q1
C1 R1
N21
R7
R6
C2 R2
VD1
Q2
VD2
N12
PWM电压控制工作原理
• PWM比较器---控制TON的电路
三角波电压
+
PWM输出
- A1
FB
比较器输入
FB电压
比较器输出
逆变器输出
PWM电压控制工作原理
• 当输出电压高于设定值时，光电耦合器发 光元件二极管流经的电流增大，发光强度 增强，于是PC中受光元件光敏三极管集电 极电压降低，因PWM比较器A1的同相端加 的是三角波电压，从而输出脉冲宽度变窄， TON导通时间变短，则输出电压降低。当 输出电压降低时，与上述过程相反
RCC的工作流程
• 各绕组的同名端应到正极性的电压 • N11下正上负，N12下正上负，N21上正下负 • VD正偏，负载中有电流流过 • N12的下正上负的极性使VT反偏截止 • VT上加有很高的电压，为Vi和N11的回扫电
压之和
RCC的工作流程
• 当Ic减小到0，VD中无电流流过，所有绕组 的电压为0
• N12的电压也为0，VT脱离反偏状态 • 接着，Vi再通过Rs为VT提供基极电流 • 电路重复上述工作过程，开始新一轮的振
荡
RCC的工作波形
• Ic
• VCE
• iD
TON
TOFF
死区时间
RCC的工作波形
V2
磁通
• RCC方式的回扫变换器主要作用是传递励 磁电流产生的能量
• VT导通期间磁通增加，变压器蓄积能量 • 截止期间，释放出蓄积的能量，磁通恢复
PWM电压控制工作原理
• 对于电流连续工作方式，负载电流变化时， TON不一定改变，因TON恒定可使电流增大 这是直接控制峰值电流的方式，它比改变 TON来控制峰值电流方式的响应速度更快
Q1 R1
RS VZ
OCP
振荡器
+ A1
-wk.baidu.com
RS触发器 R
PWM闭锁脉冲输出
S
Q1的峰值电流=Vz/Rs 电流限制图1
t1 C1上的电压
PWM的启振和停振电压
• 图 电a压中。，启启振振后前，输由入N电12绕源组通感过应Q2的为电VC压C经提整供 流滤波后提供，同时Q2截止
• 对于大多数PWM集成控制器，启振电压设 定较高，停振电压设定较低，还要设法使 启动电流较小，此时可使用图b的电路
• 图b中，接通电源时，输入电压经电阻RS对 C开1始充振电荡，C1的电压升高到启振电压时电路
到初始值 • 磁通增加量△B=(Vi/N11xS)TON • 磁通减少量△B=(V2/N21xS)TOFF • V2=N21/N11xTON/TOFFxVi
磁通
• 由上式可知，当N21和N11和Vi恒定时，输出 电压V2与TON及TOFF有关，控制其比值就可 使输出电压输出稳定
• TON及TOFF之比称为占空比
振荡频率
• ICP=(Vi/L1)TON
• 集电极电流上升到峰值时，变压器蓄积能 量，其能量也是振荡期间Ts供给的输入功率
• P1Ts=1/2L1(ICP)2=1/2x(Vi2/L1)xTON2 • f=1/2L1P1{Vi/(1+N21Vi/N11V2)}2 • 由 振上荡式频可率知都， 跟无 着论 改变Vi是变化，还是P1变化， • RCC的振荡频率一般选在20KHz以上
PWM回扫变换器电路原理图
VOUT
VCC PWM 控制
器 CL
GND FB
TL431
PWM回扫变换器特点
• PWM：Pulse-Width Modulation 脉宽调制 • 外围元件较少 • 振荡频率固定 • 辅助绕组的极性和初级的极性相反 • 用PWM取代了控制电路中的部分DIP元件 • 其工作方式有电流连续和电流不连续两种 • 辅助线圈的整流方式有前向式和后向式两
PWM辅助绕组的整流方式
• 前向耦合式，感应电压与输入电压成正比，若输 入电压下降，VCC也跟着下降，降到停振电压时， 振荡电路停止工作，这种输入电压低而使振荡器 停振的电路称为低输入禁止电路
• 后向耦合式，感应电压与输出电压成正比，若过 负载引起输出电压下降，VCC也跟着下降，降到停 振电压时，振荡电路停止工作，停振后，通过RS 的电流为C1充电，充电电压上升到启振电压后又 开始振荡，但因辅助绕组感应的电压低，C1的电 压线性下降，停止振荡。周期保护方式
• 当输入电压的范围较宽时，若采用一般的 方法驱动基极，R2上消耗的功率过大，不 实用，可考虑采用第二种方法，电路中VT3 为恒压驱动晶体管
栅极驱动电路
Q1
C1
DZ
Q2
图1
R1 N12
VD1 Q1
R1
DZ
Q2
N12
图2
栅极驱动电路图1
• Q电1压截充止电期（间下，正C1上以负正）反，馈Q绕1导组通N1期2感间应，的它负 与正反馈绕组的正电压（上正下负）之和 加到Q1的栅极
Q1
Rs VR
OCP
振荡器
+ A1
-
RS触发器
PWM闭锁脉冲输出 R
S
Q1的峰值电流=VR/Rs 电流限制图2
OCP
• 对于RCC变换器，开关管导通时流经开关管中的 电流必须从零开始升，若TON的最大时间已经确定， 就可防止发生过流
• 但是当输入电压下降较大时，绕组N12感应的正向 电压也下降，从而使开关管导通的时间变长而造 成变压器饱和