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開(kāi)關(guān)電源就是通過(guò)電路控制開(kāi)關(guān)管進(jìn)行高速的開(kāi)通與截止．將直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的交流電提供給變壓器進(jìn)行變壓，從而產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓！轉(zhuǎn)化為高頻交流電的原因是高頻交流在變壓器變壓電路中的效率要比５０ＨＺ高很多．所以開(kāi)關(guān)變壓器可以做的很小，而且工作時(shí)
開(kāi)關(guān)電源就是通過(guò)電路控制開(kāi)關(guān)管進(jìn)行高速的開(kāi)通與截止．將直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的交流電提供給變壓器進(jìn)行變壓，從而產(chǎn)生所需要的一組或多組電壓！轉(zhuǎn)化為高頻交流電的原因是高頻交流在變壓器變壓電路中的效率要比５０ＨＺ高很多．所以開(kāi)關(guān)變壓器可以做的很小，而且工作時(shí)不是很熱?。〕杀竞艿停绻粚ⅲ担埃龋谧?yōu)楦哳l那開(kāi)關(guān)電源就沒(méi)有意義??！開(kāi)關(guān)變壓器也不神秘．就是一個(gè)普通的變壓器！這就是開(kāi)關(guān)電源.
開(kāi)關(guān)電源大體可以分為隔離和非隔離兩種,隔離型的必定有開(kāi)關(guān)變壓器,而非隔離的未必一定有.
簡(jiǎn)單地說(shuō),開(kāi)關(guān)電源的工作原理是:
1.交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流;
2.通過(guò)高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管,將那個(gè)直流加到開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)上;
3.開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)感應(yīng)出高頻電壓,經(jīng)整流濾波供給負(fù)載;
4.輸出部分通過(guò)一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的.
交流電源輸入時(shí)一般要經(jīng)過(guò)厄流圈一類(lèi)的東西,過(guò)濾掉電網(wǎng)上的干擾,同時(shí)也過(guò)濾掉電源對(duì)電網(wǎng)的干擾;
在功率相同時(shí),開(kāi)關(guān)頻率越高,開(kāi)關(guān)變壓器的體積就越小,但對(duì)開(kāi)關(guān)管的要求就越高;
開(kāi)關(guān)變壓器的次級(jí)可以有多個(gè)繞組或一個(gè)繞組有多個(gè)抽頭,以得到需要的輸出;
一般還應(yīng)該增加一些保護(hù)電路,比如空載、短路等保護(hù),否則可能會(huì)燒毀開(kāi)關(guān)電源.
以上說(shuō)的就是開(kāi)關(guān)電源的大致工作原理.
其實(shí)現(xiàn)在已經(jīng)有了集成度非常高的專用芯片,可以使外圍電路非常簡(jiǎn)單,甚至做到免調(diào)試.
例如TOP系列的開(kāi)關(guān)電源芯片(或稱模塊),只要配合一些阻容元件,和一個(gè)開(kāi)關(guān)變壓器,就可以做成一個(gè)基本的開(kāi)關(guān)電源.
開(kāi)關(guān)電源的PWN-PFM控制電路
鄒懷安 張 銳 胡榮強(qiáng)
武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院
1．引言
開(kāi)關(guān)電源由于在體積、重量、效率和可靠性等多多方面的優(yōu)勢(shì)，目前在計(jì)算機(jī)、通信、家用電器、雷達(dá)、空間技術(shù)等眾多領(lǐng)域中已完全取代了傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源。開(kāi)關(guān)電源的控制技術(shù)主要有三種：(1)脈沖寬度調(diào)制(PWM)；(2)脈沖頻率調(diào)制(PPN)；(3)脈沖寬度頻率調(diào)制(PWN-PFH)．其中PWM是目前應(yīng)用在開(kāi)關(guān)電源中最為廣泛的一種控制方式，它的特點(diǎn)是噪音低、滿負(fù)載時(shí)效率高且能工作在連續(xù)導(dǎo)電模式，現(xiàn)在市場(chǎng)上有多款性能好、價(jià)格低的PWM集成芯片，如UCl842／2842／3842、TDAl6846、TL494、SGl525／2525／3525等；PFM具有靜態(tài)功耗小的優(yōu)點(diǎn)，但它沒(méi)有限流的功能也不能工作于連續(xù)導(dǎo)電方式，具有PFM功能的集成芯片有MAX641、TL497等；PWM-PFM兼有PWM和PFM的優(yōu)點(diǎn)，但目前市場(chǎng)上沒(méi)有具有PWM-PFM功能的單片集成芯片出售從而限制它的應(yīng)用。
本文介紹了一種采用PWM-PFM控制的開(kāi)關(guān)電源，對(duì)其中的控制電路--PWM-PFM電路的原理進(jìn)行了較詳細(xì)的分析，該控制電路元件數(shù)量少、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便。
2．開(kāi)關(guān)電源及其PWH-PFH控制電路介紹
本開(kāi)關(guān)電源的輸入為三相交流電，輸入電壓范圍為320~575V，頻率為45~65Hz，輸出規(guī)格為24V／10A，重量?jī)H約1．4Kg。開(kāi)關(guān)電源的主電路拓?fù)錇殡p晶體管反激變換式，通過(guò)采用兩支開(kāi)關(guān)管串聯(lián)來(lái)降低對(duì)大功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管的關(guān)斷電壓的要求。
PWM-PFM控制電路由三片數(shù)字芯片(4011、4066、40106)和少量電阻、電容、二極管、三極管組成，電路圖見(jiàn)圖1．其中，4011為二輸入的四與非門(mén)，4066為四雙向模擬開(kāi)關(guān)，40106為六施密特觸發(fā)器。
3．原理分析
如電路圖所示，它有四個(gè)輸入端，信號(hào)分別來(lái)自光耦1輸出端、光耦2輸出端、整流后的高壓直流端、以及與開(kāi)關(guān)變壓器耦合，一個(gè)輸出端以驅(qū)動(dòng)大功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管。電路的核心部分是由兩個(gè)與非門(mén)(IN3a／IN3b／OUT3和IN4a／IN4b／OUT4)構(gòu)成的RS觸發(fā)器。觸發(fā)器有兩個(gè)輸入端：40ll第9腳(IN3b)和第12腳(IN4a)；兩個(gè)輸出端401l第10腳(OUT3)和第11腳(OUT4)。輸出端OUT4的信號(hào)傳送到五個(gè)并聯(lián)的施密特觸發(fā)器(I1／O1、I2／O2、I3／O3、I4／O4和I5／O5)。施密特觸發(fā)器的作用是整定與非門(mén)的輸出波形，防止電路的誤動(dòng)作。采用五個(gè)施密特觸發(fā)器并聯(lián)的冗余設(shè)計(jì)提高了電路的電流驅(qū)動(dòng)能力，增強(qiáng)了整個(gè)電路的可靠性。整形后的波形經(jīng)兩個(gè)互補(bǔ)三極管構(gòu)成的圖騰柱驅(qū)動(dòng)大功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管，控制主回路的導(dǎo)通和關(guān)斷。輸入端IN3b為導(dǎo)通時(shí)間Ton控制端，輸入端IN4a為關(guān)斷時(shí)間Toff控制端，兩個(gè)輸入端都是低電平有效。當(dāng)輸入端IN4a為低電平時(shí)觸發(fā)與非門(mén)4使輸出端OUT4為高電子，經(jīng)施密特觸發(fā)器后關(guān)斷開(kāi)關(guān)管；當(dāng)輸入端IN3b為低電平時(shí)觸發(fā)與非門(mén)3使輸出端OUT3為高電平，輸出端OUT4為低電子，OUT4低電平經(jīng)施密特觸發(fā)器后為高電平，使開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通。OUT3高電平使模擬開(kāi)關(guān)1(IN1／OUTl／CONTROLl)導(dǎo)通，線圈Ll的電流經(jīng)D5和R17到地，防止線圈L1磁飽和。
啟動(dòng)時(shí)，線圈Ll無(wú)電流，對(duì)地為低電平，經(jīng)與非門(mén)1(INla／IN1b／OUTl)和與非門(mén)2(IN2a／IN2b／OUT2)后仍為低電平，即輸入端IN3b為低電平，經(jīng)RS觸發(fā)器和施密特觸發(fā)器后使開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)電源有輸出，輸出電壓經(jīng)比較、放大后的反饋信號(hào)經(jīng)光耦2隔離，通過(guò)R16、R17、R18、C5、C6、T4、R15送到IN4a，使開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，PWM-PFM控制電路起振。
正常工作時(shí)，線圈L1耦合開(kāi)關(guān)變壓器的信號(hào)(即開(kāi)關(guān)管的信號(hào))經(jīng)與非門(mén)l和與非門(mén)2后至IN3b，控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間Ton，從開(kāi)關(guān)電源的輸出的反饋信號(hào)經(jīng)光耦2隔離，通過(guò)R16、R17、R18、C5、C6、T4、R15送到IN4a，控制開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間Toff。若負(fù)載和輸入電壓不變，開(kāi)關(guān)管按RS觸發(fā)器的電路常數(shù)所決定的寬度和頻率周而復(fù)始的導(dǎo)通和截止，維持輸出電壓不變。若負(fù)載或輸入電壓有變化，線圈Ll和光耦2反饋的信號(hào)同時(shí)變化，使導(dǎo)通時(shí)間Ton和關(guān)斷時(shí)間Toff同時(shí)變化，即控制脈沖的寬度和頻率同時(shí)變化，實(shí)現(xiàn)了PWM-PFM控制。
光耦l為輸出過(guò)壓保護(hù)，當(dāng)開(kāi)關(guān)電源輸出正常時(shí)，光耦1輸出為高電平，經(jīng)施密特觸發(fā)器后為低電平，模擬開(kāi)關(guān)3(IN3／OUT3／CONTROL3)不導(dǎo)通，OUT3不起作用；當(dāng)開(kāi)關(guān)電源輸出過(guò)壓時(shí)，光耦1輸出為低電平，經(jīng)施密特觸發(fā)器后為高電平，使CONTROL3為高電平，模擬開(kāi)關(guān)3導(dǎo)通，OUT3端接地，IN4a端為低電平，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。
整流后的高壓直流端為輸入過(guò)壓保護(hù)。當(dāng)交流輸入電壓正常時(shí)，T1管飽和導(dǎo)通，CONTROL4為低電平，模擬開(kāi)關(guān)4(IN4／0UT4/CONTROL4)不導(dǎo)通，OUT4不起作用；交流輸入電壓過(guò)高時(shí)，Tl管截止，CONTROL4為高電平，模擬開(kāi)關(guān)4導(dǎo)通，OUT4接地，IN4a端輸出為低電平，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。
4．結(jié)束語(yǔ)
控制電路是開(kāi)關(guān)電源的核心部分，采用合適的控制電路可簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)，并使之具有優(yōu)異的性能。采用該P(yáng)WM-PFM控制電路組成的開(kāi)關(guān)電源，由于輸出電壓紋波非常小(僅有幾十毫伏)、交流輸入電壓范圍大(能在320V~575V范圍內(nèi)正常工作)、開(kāi)關(guān)頻率高(工作時(shí)頻率在100~300KHz之間變化)、占空比變化小(從15％至35％)、滿載時(shí)效率高(能達(dá)到90％以上)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)電器控制柜、自動(dòng)電梯等電源環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)所。對(duì)采用硬開(kāi)關(guān)技術(shù)的開(kāi)關(guān)電源而言，該P(yáng)WM-PFM控制電路具有良好的性能，同時(shí)實(shí)測(cè)也表明，當(dāng)負(fù)載變化較快時(shí)，開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓的穩(wěn)定性下降，因而，該電路不適用于負(fù)載變化較劇烈的場(chǎng)合。