开关电源常用的变换器电路类型 三

推挽型与半桥型变换电路
推挽型与半桥型变换电路

推挽式开关电源的典型电路如图18(a)所示。它属于双端式变换电路,高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的两侧。该电路使用两个开关管VT1和VT2,两个开关管在外激励方波信号的控制下交替导通与截止,在变压器T的次级统组得到方波电压,经整流滤波变为所需要的直流电压。这种电路的优点是两个开关管容易驱动,主要缺点是开关管的耐压要达到电路峰值电压的两倍。电路的输出功率较大,一般为100~500W。图18(b)所示为半桥型变换器的电路结构。如只从输出侧滤波器来看,其工作原理和降压型变换器完全相同,二次侧滤波电感用于存储能量。电压变换比m与降压型变换器相类

似,即:

m=D/n

式中:n为变压器的匝数比,n=N1/N2;N1为一次绕组的匝数;N2为二次绕组的匝数。

(2)单端激励型变换器①单端反激式开关电源。单端反激式开关电源的典型电路如图19(a)所示。所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激是指当开关管VT1导通时,高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负,整流二极管VD1处于截止状态,在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时,变压器T初级绕组中存储的能量通过次级绕组及VD1整流和电容C滤波后向负载输出。

单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路,输出功率为20~100W,可以同时输出不同的电压,且有较好的电压调整率;唯一的缺点是输出的纹波电压较大,外特性差,适用于相对固定的负载。

单端反激式开关电源使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压的两倍,工作频率为20~200kHz。

②单端正激式开关电源。其典型电路如图19(b)所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似,但工作情形不同。当开关管VT1导通时,VD2也导通,这时电网向负载传送能量,滤波电感L储存能量;当开关管VT1截止时,电感L通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。它是采用变压器耦合的降压型变换器电路。与推挽型变换器一样,加在变压器一次侧(一半)上的脉冲电压的振幅等于输入电压Ui,宽度为开关导通时间ton,变压器二次电压经二极管全波整流变为直流。电压变换比为m=D/n。

 

开关电源常用的变换器电路类型 二

升压式开关电源
升压式开关电源

(3)逆向拓扑结构逆向变换器将输入电压变换成较低的反相输出电压。输出电压与输入电压的关系为:

(4)反转式拓扑结构反转式开关电源的典型电路如图17所示。这种电路又称为升降压式开关电源。无论开关管VT1之前的脉动直流电压是高于还是低于输出端的稳定电压,电路均能正常工作。

反转式开关电源
反转式开关电源

当开关管VT1导通时,电感L储存能量,二极管VD1截止,负载RL靠电容C上的充电电荷供电。当开关管VT1截止时,电感L中的电流继续流通,并感应出上负下正的电压,经二极管

VD1向负载供电,同时给电容C充电。

反转式变换器将输入电压变换成稳定的较低的反相电压或较高的输出电压(电压值取决于占空比)。

输出电压和输入电压的关系为:

2.隔离式开关变换器隔离式开关变换器的拓扑结构有很多种,但其中3种比较通用,它们是逆向变换器、正向变换器和推挽变换器。在这些电路中,从输入电源到负载的能量转换是通过一个变压器磁通耦合或其他磁性元件实现的。

(1)推挽型变换器与半桥型变换器推挽型变换器与半桥型变换器是典型的逆变整流型变换器,电路结构如图18所示。加在变压器一次绕组上的电压为幅度等于输入电压Ui、宽度为开关导通时间ton的脉冲波形,变压器二次电压经二极管VD1、VD2全波整流变为直流。

 

 

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开关电源常用的变换器电路类型

开关 电源 变换器 的 拓扑 结构 是指 能用 于 转换、 控制 和 调节 输入 电压 的 功率 开关 器件 和 储 能 元件 的 不同 配置。 开关 电源 变换器 的 拓扑 结构 可分 为 两种 基本 类型: 非 隔离 型( 在 工作 期间 输入 源 和 输出 负载 共用 一个 共同 的 电流 通路) 和 隔离 型( 能量 转换 是 用 一个 相互 耦合 的 磁性 元件 变压器 来 实现 的, 而且 从 源 到 负载 的 耦合 是 借助于 磁通 而 不是 共同 的 电流 回路)。 变换器 拓扑 结构 是 根据 系统 造价、 性能 指标 和 输入/ 输出 负载 特性 诸 因素 选定 的。

1. 非 隔离 开关 变换器 非 隔离 开关 变换器 有 4 种 基本 拓扑 结构 用于 DC/ DC 变换器。

(1) 降压 拓扑 结构 降压 式 开关 电源 的 典型 电路 如图 1- 5 所示。 当 开关 管 VT1 导通 时, 二极管 VD1 截止, 输入 的 整流 电压 经 VT1 和 L 向 C 充电, 这一 电流 使 电感 L 中的 储 能 增加。 当 开关 管 VT1 截止 时, 电感 L 感应 出 左 负 右 正 的 电压, 并经 负载 RL 和 续流 二极管 VD1 释放 存储 的 能量, 维持 直流 输出 电压 不变。 电路 输出 的 直流电 压 的 高低 由加 在 VT1 基极 上 的 脉冲 宽度 确定。 这种 电路 所用 元件 少, 它 同 下面 介绍 的 另外 两种 电路 一样, 只需 要 利用 电感、 电容 和 二极管 即可 实现。 降压 变换器 将 输入 电压 变换 成 较低 的 稳定 的 输出 电压。 输出 电压( Uo) 和 输入 电压( Ui) 的 关系 为:

U0/Ui = D(占空比)    (1-2)

Ui > U0                           (1-3)

图1-5 降压式开关电源
图1-5 降压式开关电源

 

 

开关电源的分类

现在, 电子 技术 及其 应用, 对电子仪器 和 设备 的 要求 是: 在 性能 上 更加 安全 可靠, 在 功能上 不断 地 增强, 在使 用上 自动化 程度 越来 越高, 在 体积 上 要 日趋 小型化。 这使 采用 具有 众多 优点 的 开关 稳压 电源 就 显得更加重要 了。

所以, 开关 稳压 电源 在 计算机、 通信、 航天、 家电 等 方面 都得 到了 越来越 广泛 的 应用, 发挥 了 巨大 的 作用, 这大 大 促进 了 开关 稳压 电源 的 发展, 从事 这 方面 研究 和 生产 的 人员 也在 不断 地 增加, 开关 稳压 电源 的 品种 和 类型 也 越来越多。

图 1- 4 给出 了 各种 类型 开关 稳压 电源 的 原理 图。

目前 开关 稳压 电源 的 拓扑 结构 可分 为 以下 几类。

(1) 按 激励 方式 分类

① 他 激 式 开关 稳压 电源。 电路 中 设有 激励 信号 的 振荡器, 电路 形式 如图 1- 4( e) 所示。

② 自激 式 开关 稳压 电源。 开关 管 兼作 振荡器 中的 振荡 管,

电路 形式 如图 1- 4( f) 所示。

(2) 按 调制 方式 分类

① 脉 宽 调制 型 开关 稳压 电源。 振荡 频率 保持 不变, 通过 改变 脉冲 宽度 来 改变 和 调节 输出 电压 的 大小, 有时 通过 取样 电路、 耦合 电路 等 构成 反馈 闭环 回路 来 稳定 输出 电压 的 幅度。

② 频率 调制 型 开关 稳压 电源。 占 空 比 保持 不变, 通过 改变 振荡器 的 振荡 频率 来 调节 和 稳定 输出 电压 的 幅度。

③ 混合 调制 型 开关 稳压 电源。 通过 调节 导通 时间 的 振荡 频率 来 完成 调节 和 稳定 输出 电压 的 幅度。

(3) 按 开关 管 电流 的 工作 方式 分类

① 开关 型 开关 稳压 电源。 用 开关 管 把 直流电 变成 高频 标准 方 波, 电路 形式 类似于 他 激 式。

② 谐振 型 开关 稳压 电源。 开关 管 与 LC 谐振 回路

回路 将 直流电 变成 准 正弦波, 电路 形式 类似于 自激 式。

(4) 按 开关 管 的 类型 分类

① 晶体管 型 开关 稳压 电源。 采用 晶体管 作为 开关 管,电路 形式 如图 1- 4( d) 所示。

② 可控硅 型 开关 稳压 电源。 采用 可控硅 作为 开关 管, 这种 电路 的 特点 是 直接 输入 交流电, 不需要 一次 整流 部分, 其 电路 形式 如图 1- 4( c) 所示。

(5) 按 储 能 电感 与 负载 的 连接 方式 分类

① 串联 型 开关 稳压 电源。 储 能 电感 串联 在 输入 与 输出 电压 之间, 电路 形式 如图 1- 4( a) 所示。

② 并联 型 开关 稳压 电源。 储 能 电感 并联 在 输入 与 输出 电压 之间, 电路 形式 如图 1- 4( b) 所示。

(6) 按 开关 管 的 连接 方式 分类

① 单 端 式 开关 稳压 电源。 电路 中 仅 使用 一个 开关 管, 这种 电路 的 特点 是 价格 低, 结构 简单, 但 输出 功率 不高, 其 电路 形式 如图 1- 4( a)、( b) 和( d) 所示。

图1-4 各种类型开关稳压电源的原理图
图1-4 各种类型开关稳压电源的原理图

② 推挽式 开关 稳压 电源。 电路 中 使用 两个 开关 管, 将其 连接 成 推挽 功率 放大器 形式。 这种 电路 的 特点 是 开关 变压器 必须 具有 中心 抽头, 电路 形式 如图 1- 4( j) 所示。

③ 半 桥 式 开关 稳压 电源。 电路 中 使用 两个 开关 管, 将其 连接 成 半 桥形 式。 它的 特点 是 适应 于 输入 电压 较高 的 场合, 电路 形式 如图 1- 4( i) 所示。

④ 全 桥 式 开关 稳压 电源。 电路 中 使用 4 个 开关 管, 将其 连接 成全 桥形 式。 它的 特点 是 输出 的 功率 比较 大, 其 电路 形式 如图 1- 4( k) 所示。

(7) 按 输入 与 输出 电压 的 大小 分类

① 升压 式 开关 稳压 电源。 输出 电压 比 输入 电压 高, 实际上 就是 并联 型 开关 稳压 电源。

② 降压 式 开关 稳压 电源。 输出 电压 比 输入 电 压低, 实际上 就是 串联 型 开关 稳压 电源。

(8) 按 工作 方式 分类

① 可控 整流 型 开关 稳压 电源。 所谓 可控 整流 型 开关 稳压 电源, 是指 采用 可控硅 整流 元件 作为 调整 开关 管, 可由 交流 市电 电网 直接 供电, 也 可用 变压器 变压 后 供电( 这种 供电 方式 在开 关 稳压 电源 刚 兴起 的 初期 常常 采用, 目前 基本上 不太 采用)。 在 可 工作 的 半 波 内, 截去 正弦 曲线 的 前一 部分, 这一 部分 所占 角度 称为 截止 角, 导通 的 正弦 曲线 的 后 一部分 称为 导通 角。 这种 类型 的 开关 电源 依靠 调节 导通 角 的 大小, 可达到 调整 输出 电压 和 稳定 电压 的 目的, 其 电路 如图 图 1- 4( h) 所示。

② 斩 波型 开关 稳压 电源。 斩 波型 开关 稳压 电源 是指 采用 直流 供电, 直流 输入 电压 加到 开关 电路 上, 在开 关 电路 的 输出 端 得到 单向 的 脉动 直流电, 经过 滤波 得到 与 输入 电压 不同 的 稳定 的 直流 电压。 电路 还 从 输出 电压 取样, 经过 比较、 放大, 控制 脉冲 发生 电路 产生 的 脉冲 信号, 用以 控制 调整 开关 的 导通 时间 和 截止 时间 的 长短 或 开关 的 工作 频率, 最后 达到 稳定 输出 电压 的 目的。 过 压 保护 电路 也是 依据 这一 部分 提供 的 取样 信号 来 进行 工作 的, 斩 波型 电路 的 形式 如图 1- 4( g) 所示。

③ 隔离 型 开关 稳压 电源。 这种 形式 的 开关 电源 是在 输入 回路 与 逆变 电路 之间, 经过 高频 变压器( 也可 称为 开关 变压器), 利用 磁场 的 变化 实现 能量 的 传递, 没有 电流 间的 直接 流通。 隔离 型 开关 稳压电源 采用 直流 供电, 经过 开关 电路, 将 直流电 变成 频率 很高 的 交流电, 再经 变压器 隔离、 变压( 升压 或 降压), 然后 经 整流器 整流, 最后 就可以 得到 极性 和 幅 值 各不相同 的 多 组 直流 输出 电压。 电路 从 输出 端 取样, 经 放大 后 反馈 至 开关 控制 端, 控制 驱动 电路 的 工作, 最后 达到 稳定 输出 电压 的 目的。 这种 形式 的 开关 稳压 电源 在 实际 稳压 电源 中的 应用 最为 广泛。

(9) 按 电路 结构 分类

① 散件 式 开关 稳压 电源。 整个 开关 稳压 电源 电路 都是 采用 分立 元器件 组成 的, 它的 结构 较为 复杂, 可靠性 较差。

② 集成电路 式 开关 稳压 电源。 整个 开关 稳压 电源 电路 或 电路 的 一部分 是由 集成电路 组成 的, 这种 集成电路 通 常为 厚 膜 电路。 有的 厚 膜 集成电路 中 包括 开关 管, 有的 则 不包括 开关 管。 这种 开关 电源 的 特点 是 电路 结构 简单, 调试 方便, 可靠性 高。 以上 阐述 的 开关 稳压 电源 的 种类 都是 站在 不同 的 角度, 按 开关 稳压 电源 的 不同 特点 来 分类 的。 尽管 各种 电路 的 激励 方法、 输出 直流电 压 的 调节 手段、 储 能 电感 的 连接 方式、 开关 管 的 种类 以及 串并联 结构 等 各不相同, 但是 它们 最后 可以 归结 为 串联 型 开关 稳压 电源 和 并联 型 开关 稳压 电源 两 大类。

 

高频开关电源的构成、工作原理 四

开关稳压电源的缺点

开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。

在开关稳压电源中,功率开关管工作在开关状态,在其开关过程中产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰,这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽,就会严重地影响整个系统的正常工作。

此外,由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离,这些干扰就会窜入工频电网,使附近的其他电子仪器和控制设备受到严重的干扰。

目前, 由于 国内 微电子 技术、 阻 容器 件 生产 技术 以及 磁性 材料 技术 与 一些 技术 先进 国家 还有 一定 的 差距, 因而 开关 稳压 电源 的 造价 不能 进一步 降低, 也 影响 到 可靠性 的 进一步 提高。 所以 在 我国 的 电子 仪器 以及 机电 一体化 仪器 中, 开关 稳压 电源 还不 能 得到 十分 广泛 的 应用。 特别是 对于 无 工 频 变压器 开关 稳压 电源 中的 高压电 解 电容器、 高 反 压 大功率 开关 管、 开关 变压器 的 磁芯 材料 等, 我国 还 处于 研究、 开发 阶段。 在 一些 技术 先进 国家, 开关 稳压 电源 虽然 有了 一定 的 发展, 但在 实际 应用 中 也还 存在 一些 问题, 不能 令人 十分满意。 这 暴露 出 开关 稳压 电源 的 又一个 缺点, 那就 是 电路 结构 复杂, 故障 率 高, 维修 麻烦。 对此, 如果 设计者 和 制造者 不予 以 充分 重视, 则 将 直接影响 到 开关 稳压 电源 的 推广应用。 当今, 开关 稳压 电源 推广应用 比较 困难 的 主要原因 就是 它的 制作 技术 难度 大、 维修 麻烦 和 成本 较高。

 

高频开关电源的构成、工作原理 二

2. 开关 稳压 电源 的 基本 工作 原理

开关 稳压 电源 按 控制 方式 分为 调 宽 式 和 调频 式 两种, 在 实际 的 应用 中, 调 宽 式 使用 得 较多。

在 目前 开发 和 使用 的 开关 电源 集成电路 中, 绝大多数 为 脉 宽 调制 型。 因此, 下面 就 主要 介绍 调 宽 式 开关 稳压 电源。 调 宽 式 开关 稳压 电源 的 基本 原理 如下图 所示。 下图 调 宽 式 开关 稳压 电源 的 基本 原理 图 对于 单极 性 矩形 脉冲 来说, 其 直流 平均 电压 U0 取决于 矩形 脉冲 的 宽度, 脉 冲越 宽, 其 直流 平均 电压 值

就 越高。

直流 平均 电压 U0 可由 以下 公式 计算:

U0 = Um x T1/T    (1-1)

式 中: Um 为 矩形 脉冲 最大 电压 值, T 为 矩形 脉冲 周期, T1 为 矩形 脉冲 宽度。 从 式( 1- 1) 可以 看出, 当 Um 与 T 不变 时, 直流 平均 电压 U0 将 与 脉冲 宽度 T1 成正比。 这样, 只要 设法 使 脉冲 宽度 随 稳压 电源 输出 电压 的 增高 而 变窄, 就可以 达到 稳定 电压 的 目的。 开关 稳压 电源 的 基本 电路 框图 如图 1- 3 所示。 交流电 压 经 整流 电路 及 滤波 电路 整流 滤波 后, 变成 含有 一定 脉动 成分 的 直流 电压, 该 电压 进入 高频 变换器 被 转换 成 所需 电压 值 的 方 波, 最后 再将 这个 方 波 电压 经 整流 滤波 变为 所需 要的 直流 电压。

图1-3 开关电源基本电路框图
图1-3 开关电源基本电路框图

控制 电路 为 一 脉冲 宽度 调制器, 它 主要 由 取样 器、 比较器、 振荡器、 脉 宽 调制 电路 及 基准 电压 等 电路 构成。 这部 分 电路 目前 已 集成 化, 已 具有 适用于 各种 开关 电源 应用 的 系列产品。 控制 电路 用来 调整 高频 开关 元件 的 开关 时间 比例, 以 达到 稳定 输出 电压 的 目的。

(1) 开关 稳压 电源 的 优点

 

 

高频开关电源的构成、工作原理 一

开关电源具有体积小、效率高等一系列优点,在各类电子产品中得到了广泛的应用。但由于开关电源的控制电路比较复杂、输出纹波电压较高,所以开关电源的应用也受到一定的限制。电子装置小型化和轻量化的关键是供电电源的小型化,因此需要尽可能地降低电源电路中的损耗。开关电源中的开关管工作于开关状态,必然存在开关损耗,而且损耗的大小随开关频率的提高而增加。另一方面,开关电源中的变压器、电抗器等磁性元件及电容元件的损耗也随频率的提高而增加。目前市场上开关电源中功率开关管多采用双极型晶体管,开关频率可达几十千赫;采用MOSFET的开关电源转换频率可达几百千赫。为提高开关频率,必须采用高速开关器件。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路,这种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度,原理上开关损耗为零,噪声也很小,这是提高开关电源工作频率的一种方式。采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化。

1.开关电源的基本构成开关电源采用功率半导体器件作为开关器件,通过周期性地间断工作,控制开关器件的占空比来调整输出电压。开关电源的基本构成如图11所示,其中DC/DC变换器用于进行功率转换,它是开关电源的核心部分,此外还有启动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路(R1、R2)用于检测输出电压的变化,与基准电压Ur比较,误差电压经过放大及脉宽调制(PWM)电路,再经过驱动电路控制功率器件的占空比,从而达到调整输出电压大小的目的。开关电源的核心部分DC/DC变换器有多种电路形式,常用的有工作波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振型变换

器。上图开关电源的基本构成对于串联线性稳压电源,输出对输入的瞬态响应特性主要由调整管的频率特性决定。但对于开关电源,输入的瞬态变化比较多地表现在输出端。在提高开关频率的同时,由于反馈放大器的频率特性得到改善,开关电源的瞬态响应问题也能得以解决。负载变化瞬态响应主要由输出端LC滤波器的特性决定,所以可以利用提高开关频率、降低输出滤波器体积的方法来改善瞬态响应特性。

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无vcc电容、无启动电阻隔离反激恒流驱动芯片BP3166A

BP3166A 是一款高精度反激型的 LED 恒流驱动芯 片。芯片工作在电感电流断续模式,适用于 85Vac~265Vac 全范围输入电压的隔离反激型 LED 恒流电源。

BP3166A 芯片内部集成 650V 功率开关,采用专利 的退磁检测技术和高压 JFET 供电技术,无需 VCC 电容和启动电阻,使其外围器件更简单,节约了外 围的成本和体积。

BP3166A 具有多重保护功能,包括 LED 短路保护, 开路保护,芯片温度过热调节功能等。 采用 SOP7 封装。

特点

无 VCC 电容、无启动电阻

集成高压供电功能

无需辅助绕组检测和供电

宽电压输入电压  ±5% LED 输出电流精度

LED 短路保护

LED 开路保护

芯片供电欠压保护

过热调节功能

应用 LED 球泡灯

LED 筒灯

其它 LED 照明

典型应用

雅特科技工艺
雅特科技工艺

管脚封装

管脚描述

ROVP   OVP管脚

GND     芯片地

NC    不接地

HV  芯片高压供电端

BRAIN  内部高压功率漏极

CS    芯片电流采样端

内部结构框图

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