第三節(jié)　開關(guān)型穩(wěn)壓電路構(gòu)成與工作原理

一、開關(guān)型穩(wěn)壓電路構(gòu)成

開關(guān)型穩(wěn)壓電路的構(gòu)成與普通連續(xù)調(diào)整型穩(wěn)壓電路有相似之處,圖1-22是它的構(gòu)成方框圖。它同樣設(shè)有電源調(diào)整管,經(jīng)取樣電路取得取樣電壓,再與基準(zhǔn)電壓相比較,并將誤差電壓放大,利用反饋控制原理,隨時(shí)調(diào)節(jié)電源調(diào)整管的導(dǎo)通與截止時(shí)間,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制。但是,它與普通串聯(lián)連續(xù)調(diào)整型穩(wěn)壓電路的控制過程有明顯不同。首先,它把電網(wǎng)的交流電壓經(jīng)整流、濾波后,送到開關(guān)型調(diào)整管,因此不穩(wěn)定的直流電壓U₁被轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗬m(xù)的矩形脈沖電壓U₂,開關(guān)型調(diào)整管的開關(guān)頻率為十幾千赫茲,甚至達(dá)到60~70kHz。將此高頻脈沖電壓經(jīng)整流濾波得到平滑的直流電壓U_o。實(shí)際上開關(guān)型調(diào)整管的控制電路也發(fā)生了明顯變化。普通穩(wěn)壓電路的調(diào)整管工作于線性放大狀態(tài),其基極控制電壓就是誤差放大器輸出的直流電壓,通過改變調(diào)整管的直流壓降來維持輸出電壓的穩(wěn)定性;而開關(guān)電源的調(diào)整管工作于開關(guān)狀態(tài),基極控制電壓是矩形或近似矩形的脈沖電壓,原誤差放大器輸出的直流電壓必須先進(jìn)入開關(guān)控制電路,利用開關(guān)控制電路自動(dòng)調(diào)節(jié)開關(guān)調(diào)整管基極脈沖電壓的脈寬或周期,通過調(diào)節(jié)開關(guān)調(diào)整管的導(dǎo)通時(shí)間或周期來實(shí)現(xiàn)電壓自動(dòng)調(diào)整。因調(diào)整管工作于開關(guān)狀態(tài),因而這種電源稱為開關(guān)型穩(wěn)壓電源。另外,此電源需設(shè)有專用的高頻整流濾波電路,又稱換能器。一般換能器都包括大電感(稱高頻扼流圈或儲(chǔ)能線圈)、大功率二極管(稱續(xù)流二極管)和濾波電容等。換能器既是濾波器、續(xù)流電路,又是電能-磁能轉(zhuǎn)換器。當(dāng)調(diào)整開關(guān)管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí),利用二極管的續(xù)流作用,可將大電感存儲(chǔ)的能量釋放出來,在負(fù)載上形成連續(xù)電流;利用電感和電容的濾波作用,可減少負(fù)載電流的紋波。

圖1-22　開關(guān)型穩(wěn)壓電路的構(gòu)成方框圖

由圖1-22可知,輸出端的直流電壓U_o就是換能器提供的高頻脈沖電壓U₂的平均電壓,即:U_o=U₂。

式中,T是開關(guān)脈沖的周期,它就是開關(guān)調(diào)整管的激勵(lì)脈沖的周期;T₁是高頻脈沖U₂的脈寬,它與開關(guān)調(diào)整管的激勵(lì)脈寬有關(guān)。一般激勵(lì)脈寬等于T₁,或與T₁有關(guān)。

T₁/T稱占空系數(shù),調(diào)整T₁/T大小,可以調(diào)節(jié)輸出電壓U_o值。實(shí)際上,通過調(diào)整脈寬(即調(diào)整T₁),調(diào)整脈沖周期(即T),都能夠調(diào)整輸出電壓。

二、開關(guān)型電源電路種類與工作過程

開關(guān)電源有多種分類方法,如圖1-23所示,實(shí)際應(yīng)用中,要將各種方式通過不同的組合,形成某形式開關(guān)電源,如直接穩(wěn)壓式自激調(diào)頻并聯(lián)式電源、間接穩(wěn)壓并聯(lián)自激式電源、并聯(lián)他激式電源等。下面簡要介紹各種電源的工作原理。

圖1-23　開關(guān)電源分類方式

1.串聯(lián)與并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電路

(1)串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電路　如圖1-24(a)所示,它由開關(guān)管BG、儲(chǔ)能電路(包括儲(chǔ)能電感L、濾波電容C和續(xù)流二極管VD)、取樣電路、比較放大電路、基準(zhǔn)電壓電路、脈沖調(diào)寬電路等部分構(gòu)成,若儲(chǔ)能電感L串聯(lián)在輸入端與輸出負(fù)載RL之間,則叫串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電路。

圖1-24　串聯(lián)與并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電路

電路正常工作時(shí),開關(guān)管受脈沖電壓控制工作在開關(guān)狀態(tài),使輸入與輸出之間周期性地閉合與斷開,間斷地把輸入的能量送入儲(chǔ)能電路,經(jīng)均衡濾波后形成直流電壓輸出。單位時(shí)間內(nèi)輸入儲(chǔ)能電路能量的多少(即開關(guān)管在單位時(shí)間里導(dǎo)通時(shí)間的長短)決定輸出電壓的大小。

取樣電路取出一部分輸出電壓,并將這部分電壓與基準(zhǔn)電壓相比較產(chǎn)生出誤差信號(hào),比較放大電路將誤差信號(hào)放大,再去控制脈沖調(diào)寬電路,改變控制開關(guān)管的脈沖電壓的寬度,從而改變開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間。當(dāng)輸出電壓偏高時(shí),誤差信號(hào)使脈沖寬度變窄,窄脈沖又使開關(guān)管單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間變短,從而使輸入儲(chǔ)能器的能量減少,輸出的電流、電壓下降。這樣輸出電壓經(jīng)過取樣、比較放大、脈沖調(diào)寬電路的作用后,使輸出電壓向相反的方向變化,從而達(dá)到穩(wěn)定目的。

(2)并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電路　如圖1-24(b)所示,電路中的儲(chǔ)能元件用脈沖變壓器B替代,就可以得到脈沖變壓器耦合并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電路。這種電路的特點(diǎn)是可以使脈沖變壓器級(jí)多加幾組繞組,分別構(gòu)成儲(chǔ)能電路,可以提供多路獨(dú)立輸出的不同電壓。因此,這種形式的電路在目前的彩電中廣泛應(yīng)用。

2.自激式與他激式開關(guān)穩(wěn)壓電路

開關(guān)穩(wěn)壓電源在開機(jī)后,為了保證有直流電壓輸出,使電視機(jī)開始正常工作,應(yīng)讓開關(guān)管很快進(jìn)入開關(guān)狀態(tài),這個(gè)過程叫開關(guān)穩(wěn)壓電源啟動(dòng)。按啟動(dòng)方式不同,可分為兩種開關(guān)穩(wěn)壓電路。

(1)自激式開關(guān)穩(wěn)壓電路　它是利用電路中的開關(guān)管、脈沖變壓器構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器,來完成電源啟動(dòng)工作,使電源有直流電壓輸出。圖1-25所示為一種簡單實(shí)用的自激式電源電路。

圖1-25　自激式并聯(lián)電源

220V交流電經(jīng)D1整流,C1濾波后輸出約280V的直流電壓,一路經(jīng)B的初級(jí)繞組加到開關(guān)管V1的集電極;另一路經(jīng)啟動(dòng)電阻R2給V1的基極提供偏流,使V1很快導(dǎo)通,在B的初級(jí)繞組產(chǎn)生感應(yīng)電壓,經(jīng)B耦合到正反饋繞組,并把感應(yīng)的電壓反饋到V1的基極,使V1進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)。

當(dāng)VT1飽和時(shí),因集電極電流保持不變,初級(jí)繞組上的電壓消失,VT1退出飽和,集電極電流減小,反饋繞組產(chǎn)生反向電壓,使VT1反偏截止。

接在B初級(jí)繞組上的D3、R7、C4為浪涌電壓吸收回路,可避免VT1被高壓擊穿。B的次級(jí)產(chǎn)生高頻脈沖電壓經(jīng)D4整流,C5濾波后(R9為負(fù)載電阻)輸出直流電壓。

(2)他激式開關(guān)穩(wěn)壓電路　這種電路必須附加一個(gè)振蕩器,利用振蕩器產(chǎn)生的開關(guān)脈沖去觸發(fā)開關(guān)管完成電源啟動(dòng),使電源的直流電壓輸出。在電視機(jī)正常工作后,可由行掃描輸出電路提供行的脈沖作為開關(guān)信號(hào)。這時(shí)振蕩器可以停止振蕩。可見附加的振蕩器只須在開機(jī)時(shí)工作,完成電源啟動(dòng)工作后可停止振蕩。因此這種電路線路復(fù)雜。

圖1-26為實(shí)際應(yīng)用中的他激式電源電路,采用推挽式輸出(也可以使用單管輸出),圖中VT1、VT2、C1、C2、R1~R4、VD1、VD2構(gòu)成多諧振蕩電路,其振蕩頻率為20kHz左右,電路工作后可以從VT1和VT2的集電極輸出兩路相位相差180°的連續(xù)脈沖電壓,調(diào)節(jié)R2、R3可以調(diào)整輸出脈沖的寬度(占空比)。這兩路信號(hào)分別經(jīng)C3、R5和C4、R6耦合到VT3和VT4基極。

圖1-26　推挽式開關(guān)電源的實(shí)際電路

利用可控硅的導(dǎo)通特性、自鎖原理,可進(jìn)行理想的過壓保護(hù),圖1-30是過壓保護(hù)電路原理圖。

VT3和VT4及R7、VD3、VD4、R8構(gòu)成兩個(gè)獨(dú)立的電壓放大器,從VT3和VT4集電極輸出的已放大的脈沖電壓信號(hào)分別經(jīng)C5、R9、ZD1和C6、R10、ZD2耦合到VT5和VT6的基極。

VT5、VT6、VD5、VD6、VD9、VD10和VD11、VD12構(gòu)成脈沖推挽式功率放大電路,將VT5、VT6送來的脈沖電壓進(jìn)行放大,并經(jīng)T1耦合后驅(qū)動(dòng)開關(guān)電源主回路。VD5、VD6是防共態(tài)導(dǎo)通二極管,VD11、VD12為阻尼管,VD9、VD10為發(fā)射結(jié)保護(hù)二極管。電路的工作過程如下。

當(dāng)VT3集電極有正脈沖出現(xiàn)并超過10V時(shí),ZD1被擊穿,VT5因正偏而導(dǎo)通(VT6處于截止?fàn)顟B(tài)),因同名端相關(guān)聯(lián),VT5集電極電流流經(jīng)T1初級(jí)③—①繞組時(shí),將在次級(jí)繞組④端感應(yīng)出正的脈沖電壓,⑤端感應(yīng)出負(fù)的脈沖電壓。此電壓分別加到VT7和VT8基極回路,將使VT7導(dǎo)通、VT8截止。

當(dāng)VT4集電極有正脈沖出現(xiàn)并且幅度超過10V時(shí),ZD2被擊穿,VT6因正偏而導(dǎo)通(VT5處于截止?fàn)顟B(tài)),因同名端相關(guān)聯(lián),VT6集電極電流流經(jīng)T1初級(jí)③—②繞組時(shí),將在次級(jí)繞組④端感應(yīng)出負(fù)的脈沖電壓,⑤端感應(yīng)出正的脈沖電壓,此電壓分別加到VT7和VT8的基極回路,使VT7截止、VT8導(dǎo)通。

VT7、VT8、VD13~VD20、C7、C8、R11~R16、T2構(gòu)成他激式推挽式開關(guān)電源的主變換電路(末級(jí)功率驅(qū)動(dòng)電路)。VD13、VD14是防共態(tài)導(dǎo)通二極管,VD19、VD20為阻尼管,C7、R11和C8、R12分別構(gòu)成輸入積分電路,其作用也是防止VT7、VT8共態(tài)導(dǎo)通,其原理是使VT7或VT8延遲導(dǎo)通。VD15、VD16的作用是加速VT7、VT8截止響應(yīng)。電路的工作過程同原理電路,T2次級(jí)輸出正負(fù)方波電壓。

VD21~VD24、C9、C10、C11、C12構(gòu)成整流濾波電路,其作用是對(duì)T2次級(jí)輸出的方波進(jìn)行整流濾波,輸出負(fù)載所需的直流電壓。

VD25~VD28、C11、C12、R17、R18構(gòu)成輸入整流濾波電路,此電路直接將輸入的220V交流電壓進(jìn)行整流得到所需直流電壓供上述各電路工作。電路中的R17的作用是沖擊電流限幅,限制開機(jī)瞬間C11、C12的充電電流的最大幅度。

3.調(diào)寬與調(diào)頻式開關(guān)穩(wěn)壓電路

串聯(lián)型和并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源,在穩(wěn)壓工作中都要進(jìn)行脈沖寬度的調(diào)整,以改變單位時(shí)間內(nèi)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間。調(diào)整輸出電壓的高低有以下兩種方法。

(1)調(diào)寬的方法　在開關(guān)周期一定的條件下,增減開關(guān)合上的時(shí)間,就可以控制輸出電壓的大小,這種方法就是調(diào)寬的方法,使用這種方法的開關(guān)穩(wěn)壓電路叫調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電路。

(2)調(diào)頻的方法　一定情況下,改變開關(guān)重復(fù)周期,可以控制輸出電壓的大小。這種方法就是調(diào)頻的方法,使用這種方法的開關(guān)穩(wěn)壓電路稱為調(diào)頻式開關(guān)穩(wěn)壓電路。

在電視機(jī)中,使用調(diào)寬式的開關(guān)穩(wěn)壓電路是用某標(biāo)準(zhǔn)頻率控制(如電視機(jī)為行逆程脈沖控制)來鎖定開關(guān)管的開關(guān)頻率,使其開關(guān)周期不變,使用調(diào)頻式的開關(guān)穩(wěn)壓電路,其脈沖振蕩不受外來同步信號(hào)的控制。兩種方式波形變化圖如圖1-27所示。

圖1-27　兩種方式波形變化圖

三、電源電路的保護(hù)措施

1.電源電路的保護(hù)措施

在穩(wěn)壓電源內(nèi),經(jīng)常設(shè)有過流、過壓或短路保護(hù)電路。這些保護(hù)電路可以設(shè)在電源調(diào)整管或開關(guān)控制電路附近,也可以設(shè)在穩(wěn)壓電路輸出端,甚至和掃描輸出電路的保護(hù)電路結(jié)合在一起。

(1)過流保護(hù)電路　若負(fù)載電路的晶體管擊穿,濾波電容、去耦電容等短路,或者其他原因使輸出電流超過正常值,可能將電源開關(guān)管或其他元件燒毀,為此應(yīng)加設(shè)過流保護(hù)電路。

① 在電源輸入端串接熔絲　熔絲是最簡單的保護(hù)措施,但其熔斷時(shí)間的離散性較大,且熔斷時(shí)間不及時(shí),易發(fā)生更大的故障。它僅作輔助保護(hù)。

② 設(shè)有小阻值的電阻,通過兩端電壓監(jiān)視輸出電流　在電源輸出端或行輸出管發(fā)射極串接小阻值保護(hù)電阻(多為0.5~10Ω),用它來監(jiān)視輸出電流。因通過此保護(hù)電阻的電壓可監(jiān)視輸出電流,故又稱它為檢測電阻。當(dāng)電流超過額定值時(shí),電阻兩端電壓降加大,用此電壓去控制電源開關(guān)管的激勵(lì)電路,使開關(guān)管處于截止態(tài),即無輸出電壓。

圖1-28(a)為過流保護(hù)電路之一。VT是行輸出管,Re是串接在發(fā)射極電路的過流保護(hù)電阻,R為限流電阻,VD是穩(wěn)壓管,C是濾波電容。在正常情況下,Re上的電流在限額之內(nèi),U_e<U_z(是VD的反向擊穿電壓),A點(diǎn)無輸出,開關(guān)電源的激勵(lì)電路不受其影響。當(dāng)行輸出級(jí)發(fā)生短路或過流時(shí),其發(fā)射極電流超過額定值,使U_e>U_z,VD發(fā)生齊納擊穿,A點(diǎn)輸出一定值電壓,可以控制開關(guān)電源的激勵(lì)級(jí),使電源開關(guān)管無輸出。

圖1-28　電阻過流保護(hù)檢測法

在圖1-28(b)中,保護(hù)、檢測用電阻R串接在輸出回路,R兩端電壓降反映負(fù)載電流的大小,故A點(diǎn)輸出電壓即為過流保護(hù)控制電壓,用此電壓控制開關(guān)管的激勵(lì)級(jí),可起到保護(hù)作用。有時(shí),不使用檢測電阻,可通過檢測二極管的導(dǎo)通、截止變化,進(jìn)行過流、短路保護(hù)。

③ 利用電流互感器監(jiān)視輸出電流　在整機(jī)電源輸入端串接電流互感器B,其次級(jí)繞組感應(yīng)的電壓與負(fù)載電流大小成正比,利用這一規(guī)律可監(jiān)視輸出電流,如圖1-29(a)所示。將次級(jí)感應(yīng)的交流電壓整流濾波后,用直流電壓去控制開關(guān)管的激勵(lì)電路。

圖1-29　另外兩種過流保護(hù)電路

④ 用光電耦合器作過流保護(hù)　在電源輸入端串接光電耦合器,如圖1-29(b)所示。光電耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管構(gòu)成。調(diào)整R2值,使發(fā)光二極管電流值適當(dāng),光敏三極管的內(nèi)阻較大,R3所得電壓較小,對(duì)控制(即保護(hù))電路無影響。當(dāng)負(fù)載電流超過允許值時(shí),發(fā)光二極管電流加大,光敏三極管電流跟隨加大,其等效內(nèi)阻減小,R3的電壓降加大,可使保護(hù)電路動(dòng)作,切斷電源。光敏三極管與發(fā)光二極管靠近而又隔離開,可以各成回路,各自獨(dú)立,應(yīng)用起來十分方便、安全、可靠。

(2) 過壓保護(hù)電路　當(dāng)換能器的儲(chǔ)能電感發(fā)生短路時(shí),有些電源開關(guān)管易發(fā)生擊穿,造成某些電源輸出電壓值過高,使晶體管或其他元件(如電容)超過耐壓值而擊穿。還有,某些原因引起顯像管高壓過高或管內(nèi)高壓打火時(shí),也能擊穿視放輸出管或其他電路元件。設(shè)有過壓保護(hù)電路后,可保護(hù)調(diào)整管、儲(chǔ)能電感,保護(hù)高、中壓電路的有關(guān)元件。

圖1-30　過壓保護(hù)電路原理圖

在正常工作狀態(tài),R1、R2所取電壓較小,穩(wěn)壓管VD2反偏截止,可控硅臂VD1截止,此保護(hù)電路不動(dòng)作;當(dāng)被保護(hù)電路出現(xiàn)過壓現(xiàn)象時(shí),由R1、R2構(gòu)成的過壓取樣電路可取得較高電壓.使穩(wěn)壓管VD2處于反向擊穿導(dǎo)通狀態(tài),VD1的控制柵極電壓上升,使VD1也進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)VD1的正向壓降很小,因它并接于電源輸出端或自激振蕩器兩端,造成振蕩器停振,起到保護(hù)作用。可控硅有自鎖作用,VD1導(dǎo)通后,即使控制柵極電壓消失,它仍處于飽和導(dǎo)通狀態(tài),因此電源過壓保護(hù)后,此電路不能自動(dòng)恢復(fù)正常工作,必須重新啟動(dòng)穩(wěn)壓電路,才能進(jìn)入工作狀態(tài)。被保護(hù)電路可以是行輸出電路、場輸出電路,或其他高、中壓電路等。

2.保護(hù)電路

開關(guān)電源的許多元件都工作在大電壓、大電流條件下,為了保證開關(guān)電源及負(fù)載電路的安全,開關(guān)電源設(shè)有許多保護(hù)電路。

(1)尖峰吸收回路　因開關(guān)變壓器是感性元件,則在開關(guān)管截止瞬間,其集電極上將產(chǎn)生尖峰極高的反峰值電壓,容易導(dǎo)致開關(guān)管過壓損壞。

在圖1-31(a)所示的電路中,開關(guān)管VT截止瞬間,其集電極上產(chǎn)生的反峰值電壓經(jīng)C1、R1構(gòu)成充電回路,充電電流使尖峰電壓被抑制在一定范圍內(nèi),以免開關(guān)管被擊穿。當(dāng)C1充電結(jié)束后,C1通過開關(guān)變壓器T的初級(jí)繞組、300V濾波電容、地、R1構(gòu)成放電回路。因此,當(dāng)R1取值小時(shí),雖然利于尖峰電壓的吸收,但增大了開關(guān)管的開啟損耗;當(dāng)R1取值大時(shí),雖然降低了開關(guān)管的開啟損耗,但降低了尖峰電壓的吸收。

圖1-31　尖峰吸收回路

圖1-31(b)所示的電路是針對(duì)圖1-31(a)電路改進(jìn)而成的,在圖1-31(b)中,不但加裝了二極管VD1,而且加大了R1的值,這樣,因VD1的內(nèi)阻較小,利于尖峰電壓的吸收,而R1的取值又較大,降低了開啟損耗對(duì)開關(guān)管VT的影響。

圖1-31(c)所示的電路與圖1-31(b)所示的電路工作原理是一樣的,但吸收效果要更好一些。目前,液晶彩電的電源尖峰吸收回路基本上都使用了此電路形式。

實(shí)際應(yīng)用中的尖峰脈沖吸收電路是由鉗位電路和吸收電路復(fù)合而成的,圖1-32所示是鉗位電路和吸收電路在開關(guān)電源應(yīng)用時(shí)的不同效果。

圖1-32　鉗位電路和吸收電路在開關(guān)電源應(yīng)用時(shí)的不同效果

(2)軟啟動(dòng)電路　一般在開關(guān)電源開機(jī)瞬間,因穩(wěn)壓電路還沒有完全進(jìn)入工作狀態(tài),開關(guān)管將處于失控狀態(tài),極易因關(guān)斷損耗大或過激勵(lì)而損壞。為此,一些液晶彩電的開關(guān)電源中設(shè)有軟啟動(dòng)電路,其作用是在每次開機(jī)時(shí),限制激勵(lì)脈沖導(dǎo)通時(shí)間不至于過長,并使穩(wěn)壓電路很快進(jìn)入工作狀態(tài)。有些電源控制芯片中集成有軟啟動(dòng)電路,有些開關(guān)電源則在外部專設(shè)有軟啟動(dòng)電路。