开关电源：单管自激-反激-推挽-半桥-全桥

开关电源：单管自激，反激，推挽，半桥，全桥单端正激式开关电源正激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正被直流电压激励时，变压器的次级线圈正好有功率输出。它是在BUCK电路的开关管Q与续流二极管D之间加入单端变压隔离器而得到的。它具有以下优点：1)正激变换器利用高频变压器的一次侧、二次侧绕组隔离的特点，可以方便的实现交流电网和直流输出之间的隔离。2)正激变换器电路简单，成本很低，能方便的实现多路输出。3)正激变换器只有一个开关管，只需一组驱动脉冲；其对控制电路的要求比双端变换器低。图2.4单端正激式开关电源单端反激式开关电源反激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。反激式开关电源是在反极性（Buck—Boost）变换器的基础上演变而来的，它具有以下优点：比正激式开关电源少用一个大储能滤波电感及一个续流二极管，因此，体积比正激式开关电源的要小，且成本也要低。图2.5单端反激式开关电源推挽式开关电源在双激式变压器开关电源中，推挽式开关电源是昀常用的开关稳压电源。由于推挽式变压器开关电源中的两个控制开关S1和S2轮流交替工作，其输出电压波形非常对称，而且开关电源在整个工作周期之内都向负载提供功率输出，它在输入电压很低的情况下，仍能维持很大的功率输出，所以推挽式变压器开关电源被广泛应用于DC/AC逆变器，或DC/DC变换电路中。它具有以下优点：功率开关器件的发射极是共地的，所以无须隔离基极驱动电路；推挽式开关电源变压器的漏感及铜阻损耗很小，因此其工作效率很高。图2.6推挽式开关电源半桥式开关电源半桥式变压器开关电源属于双激式变压器开关电源，从原理上来说，半桥式变压器开关电源也属于推挽式变压器开关电源，它是多种推挽式变压器开关电源家庭成员之一。在半桥式变压器开关电源中，也是两个控制开关管S1和S2轮流交替工作，开关电源在整个工作周期之内都向负载提供功率输出，因此，其输出电流瞬间响应速度很高，电压输出特性也很好。由于半桥式变压器开关电源的两个开关器件工作电压只有输入电压的一半，截止开关管极间承受的电压低；抗不平衡能力强，因此，半桥式变压器开关电源比较适用于工作电压比较高的场合。图2.7半桥式开关电源全桥开关电源全桥式变压器开关电源也属于双激式变压器开关电源。它同时具有推挽式变压器开关电源电压利用率高，又具有半桥式变压器开关电源耐压高的特点。因此，全桥式变压器开关电源经常用于电压高，输出功率大的场合。全桥式变压器开关电源工作原理图如下。图中，K1、K2、K3、K4是4个控制开关管；开关管K1和K4，K2和K3同时开通和关断，两对开关管以PWM方式交替的开通和关断。它具有以下优点：对4个开关器件的耐压要求比推挽式对2个开关器件的耐压要求可以降低一半；全桥式开关电源的输出功率要比推挽式开关电源的输出功率大很多且其变压器的初级线圈只需要一个绕组。图2.9全桥开关电源LNGSCK054IN110VAC1.9AS-100-24MWRT3A250VFSC10.1630V1/2W580kR13TF-096C2C3L1222M2kVx2外壳/大地2NR1TNR15G471KuC40.1630VBD1D3SB-60-0.5+C5220u200V+C6C28200V110V220VSW+o-T1C71.0K250VR1R2150k1/2WQ1150k1/2WR32SC2625Q22SC2625100R2WC81021kVD5FR1551031kV220uD6FR155R32L2+VCOMCOM+VD18FMX12S22R1/2WR3322R1/2WC201021kVC211021kV100VC23470u35Vx5TF-09103+C22++++1k2WC25C242NR2C26R374.3kLED1R615RD7T028+C104.7u50VR53.9kR72.2R1/2WR39R4150kx2R1015RD8T028+C114.7u50VR93.9kR112.2R1/2WR40R8150kx2T2TF-020IC111IN+3FEEDBACK21IN-2IN-152IN+16REF144DTCOUTPUTTL494CN5CT7GND6RTC211Vcc12E2108C1E19CTRL13Q3C1815Q4C1815+C1350V4.7uD15D161N4148x2D141N4752D131N4752R193.9kR181.5kR173.9kR161.5kR2022kC14102R3122kC19103R29681R3022kVR1kC15222+VADJC27222R3810kC30103R2247kC16103R245.6kR235.6kR25120k+C171u50VR2112k+C1822u50VD17R265.6kQ5C1815R2815kR271.5kR35100kR35100k+C1547u50VD9FR104x2D10Vcc1N4148R121.5kIN220VAC0.8AOUT24VDC4.5AHW.7994V-0S-100N-R52000-11-21TL494管脚功能及参数1脚为内部1#误差放大器的同向输入端IN1+。2脚为内部1#误差放大器的反向输入端IN1—。3脚为误差放大器A1、A2输出端。集成电路内部用于控制PWM比较器的同相输入，当A1、A2任一输出电压升高时，控制PWM比较器的输出脉宽减小。同时，该输出端还引出端外，以便与2、15脚间接入RC频率校正电路和直流负反馈电路，稳定误差放大器的增益以及防止其高频自激。3脚电压反比于输出脉宽，也可利用该端功能实现高电平保护。4脚为死区时间控制端。当外加1V以下的电压时，死区时间与外加电压成正比。如果电压超过1V，内部比较器将关断触发器的输出脉冲，起到保护作用。5脚为锯齿波振荡器外接定时电容端。6脚为锯齿波振荡器外接定时电阻端。7脚为共地端。8、11脚为两路驱动放大器NPN管的集电极开路输出端。当通过外接负载电阻引出输出脉冲时，为两路时序不同的倒相输出，脉冲极性为负极性，适合驱动P型双极型开关管或P沟道MOSFET管。此时两管发射极接共地。9、10脚为两路驱动放大器的发射极开路输出端，也是对应的脉冲参考地端。12脚为Vcc、输入端。供电范围适应8～40V。13脚为输出模式控制端。外接5V高电平时为双端图腾柱式输出，用以驱动各种推挽开关电路。接地时为两路同相位驱动脉冲输出，8、11脚和9、10脚可直接并联。双端输出时昀大驱动电流为2×200mA，并联运用时昀大驱动电流为400mA。14脚为内部基准电压精密稳压电路端。输出5V±0.25V的基准电压，昀大负载电流为10mA。用于误差检出基准电压和控制模式的控制电压。15脚为内部2#误差放大器的反向输入端IN2-。16脚为内部2#误差放大器的同向输入端IN2+。RT取值范围1.8～500kΩ，CT取值范围4700pF～10μF，昀高振荡频率fOSC≤300KHz。TL494在工作时，通过5、6脚分别接定时元件CT和RT。经相应的门电路去控制TL494内部的两个驱动三极管交替导通和截止，通过8脚和11脚向外输出相位相差180°的脉宽调制控制脉冲。工作波形如图3-3所示。TL494若将13脚与14脚相连．可形成推挽式工作；若将13脚与7脚相连．可形成单端输出方式。为增大输出可将2个三极管并联[7]。电路启动过程分析：当接通电源后，由滤波电容器C5上的150V电压的正端输出电流，通过启动电阻R12、R15分压给V3注入一个基极电流，这时V3流入的集电极电流通过发射极，又通过驱动变压器T1中的W3（T1中间的那段绕组）电流由上往下流，又通过主变压器T2初级绕组由下往上流，昀后通过电容C7，回到C5上的150V负端。C6和C5类似，但流经W3的电流方向相反，而幅值又相等，这样W3中的电流就相互抵消了，W3中没有电流也就不能震荡起来了。这是一个非常重要的问题，但是W3中是有电流的，虽然V3，V4的外围电路相同，元件参数也相等，所加的电压也相等，但是元件参数的分散性还是比较大的，也就是说相同的元件，相同的参数，但是他们存在着误差，不可能完全相等，所以抵消一部分电流后W3中还是有电流，在T2的初级绕组产生幅值+150~-150的方波。来驱动反馈变压器使TL494工作。一但TL494正常工作，这个启动自激震荡的波形就立刻停止了。电路启动后，R12、R15就完成了任务，虽然在电路中没有断开，但在电路中已经不起作用了，因为启动电阻R1R3的阻值很大（一般都在300K以上），对三极管的电流很小起不到控制作用，这样三极管的导通和截止完全受PWM来控制。主电路工作过程分析：闭合开关S1后，输入电压经过保险管F1，浪涌抑制电阻R1，滤波器C1、L1、C2、C3、C4及全桥整流后送入由C5、C6、V4、V5、T1、T2等构成的半桥式变换器。开关管V4和V5在TL494的控制下，两管交替导通截止，将直流电转换成高频交流电。高频振荡电压有变压去T2副绕组分两路输出。一路由V13、V14、C25整流滤波得到约12V直流电压供给脉冲宽度调制器TL494专用，另一路则由V12、L2、C22、L3、C23整流滤波作为48V主输出。电路中R12、R15、R14、R17构成启动回路，T1、V8、V9、C12、C14、R13、R16为正反馈元件，R4、C8及R29、C21构成尖峰吸收网络，用于改善波形及保护开关管。在电路中，TL494的13脚连14脚，即U13=5V;TL494由8脚和11脚双端输出，两路输出脉冲相位差半个周期，送到V2、V3俩个驱动管，Q3和Q4的导通或截止又通过驱动变压器T1分别去控制两个大功率开关调整管Q1和Q2的饱和导通或截止。C7是耦合电容,其作用是防止由于两个开关管的特性差异而造成变压器磁芯饱和,从而提高半桥逆变电路的抗不平衡能力.R4、C8；R29、C21为吸收电路，用于改善波形和保护开关管。吸收电路就是我们通常说的“消反冲电路”，其作用就是药消除没有用的反冲电压。在开关稳压电压中昀高的反冲电压，是在开关调整管截止时产生的，这个很高的反冲电压，就产生在开关变压器的初级绕组的两端，同时也加在了开关调整管的集电极和发射机的两端，这样就对开关管是一个很大的威胁，所以就将吸收电路加在开关变压器的初级绕组的两端。吸收电路通常能起到两个作用，那就是降低反冲电压和消除高频振荡。C20、R26分别接至TL494的5脚和6脚，使内部振荡器的震荡频率由C20和R26决定。本电路利用TL494的内部误差放大器2进行反馈稳压。反馈稳压过程如下：误差放大器2的反向输入端15脚接与14脚和地之间的电阻R20、R18之间，分压后U15=2.5V，输出电压U0经R23和（R21、RP1）分压后加到16脚，作为误差放大器2的同向输入。当U0变化时，误差放大器2的输出电压随之改变，即与比较的电平改变，PWM比较器输出的脉冲宽度改变，致使TL494输出的驱动脉冲，即开关管V4和V5的导通时间TON改变，从而实现调宽稳压的目的。此外，微调RP1可调节输出电压的数值，使输出电压在45V~75V之间变化。电路利用误差放大器1作为过流保护。从48V输出主回路上取出的电流控制信号经R24接至误差放大器1的1脚和2脚上，其中反向输入端2脚的电位由14脚输出的5V基准源经过（RP2，R27）和（R24，R30）分压后获得。调整RP2大小可控制2脚门坎电位，即过流控制点。当R30上取出的电压信号足够大使其绝对值超过2脚电位时，误差放大器1将翻转并关闭脉冲信号输出，进而起到过流保护作用。本电源输出的直流电压为48V，输出电流为0~3A.。图3-3半桥开关电路原理图分析：当前驱电路经过滤波后在经过桥式整流，然后电流入半桥开关电路，当V1导通时，T1（V1的导通时间）的一次磁通增大，增大的磁通为A1;当V2导通时，T2（V1的导通时间）的一次磁