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剖析切換式電源供應(yīng)器的原理及常用組件規(guī)格(轉(zhuǎn)貼) |
| 作者：riheng 欄目：電源技術(shù) |
剖析切換式電源供應(yīng)器的原理及常用組件規(guī)格 宋自恒（品佳股份有限公司）、林慶仁（中央研究院地球科學(xué)研究所） 內(nèi)容標(biāo)題導(dǎo)覽：｜切換式電源功應(yīng)器..｜返馳式電路拓樸..｜順向式電路拓樸..｜半橋式電路拓樸..｜全橋式電路拓樸..｜ ｜推挽式電路拓樸..｜防治EMI為重要課題｜結(jié)語｜ 轉(zhuǎn)換效率高、可直流輸入的切換式電源供應(yīng)器由于大部分電子器材（如電視機、音響、計算機…等）其內(nèi)部組件所使用的電源均為直流電，故必須有電源供應(yīng)器（或整流器）來把交流市電轉(zhuǎn)換成各種不同的直流電壓以使電器發(fā)揮功能。依其電路結(jié)構(gòu)的不同，電源供應(yīng)器可分為線性式和切換式電源供應(yīng)器兩種，簡單的線性式電源供應(yīng)器是由變壓器、二極管整流器和電容濾波器所組成（如圖一），其優(yōu)點是電路簡單、穩(wěn)定度高、瞬時響應(yīng)快、可靠度高、漣波小、電磁干擾小，然而因其使用大電流變壓器，體積大且重量重，大多無法直接安裝在電路基板上，轉(zhuǎn)換效率低（約30～50％）、不可做直流輸入都是其缺點。為克服線性式電源供應(yīng)器的種種缺點所發(fā)展出的切換式電源供應(yīng)器（方塊圖如圖二所示），其優(yōu)點是轉(zhuǎn)換效率高、空載時耗電小、重量輕、可做直流輸入…。雖然在電路結(jié)構(gòu)上比線性式電源供應(yīng)器來得復(fù)雜，漣波比較大、電磁干擾也比較大，但整體而言，切換式電源供應(yīng)器仍優(yōu)于線性式電源供應(yīng)器，故目前電源供應(yīng)器的市場乃以切換式電源供應(yīng)器為主流。 圖二 切換式電源供應(yīng)器方塊圖 一個優(yōu)質(zhì)的切換式電源供應(yīng)器至少應(yīng)具有下列特點：* 輸入電壓范圍為90～264伏特之間。 * 輸入頻率范圍47～63Hz。 l 轉(zhuǎn)換效率80％以上。 * 停電后輸出維持時間（Hold up time）最少10毫秒以上。 * 產(chǎn)生之電磁干擾（Electromagnetic Interfrence, EMI）噪聲（POWER LINE noise）須符合ＦＣＣ和ＣＥ標(biāo)準(zhǔn)。（注1.） * 輸出入端具隔離效果。* 輸入電壓超出額定值時輸出電壓的改變量（LINE Regulation）須小于±1％以下。 * 輸出漣波和噪聲在1％以下。 * 具過電壓、過電流保護功能。 * 具有防靜電和防雷擊功能。 * 機殼的漏電流在0.75mA以下。 典型的切換式電源供應(yīng)器是由9個部分所組成，分別是輸入級（Input stage）包括EMI濾波器和橋式整流電路；功率因子調(diào)整級（POWER Factor Correction, PFC stage）包含功率因子調(diào)整電路；功率級（POWER stage）包含功率開關(guān)、脈波寬度調(diào)變（PULSE Width Modulation, PWM）與驅(qū)動電路、隔離高頻變壓器、整流二極管及輸出濾波器；回授級（Feedback stage）包含誤差放大器及光隔離器。 EMI濾波器的主要目的是防止連接在同一電力系統(tǒng)的電氣裝置所產(chǎn)生的傳導(dǎo)性電磁噪聲經(jīng)由電源導(dǎo)線而彼此互相干擾。橋式整流電路把輸入交流電源轉(zhuǎn)換為直流電VI。功率因子調(diào)整（PFC）電路的目的是調(diào)整電源供應(yīng)器的功率因子，使符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。PWM與驅(qū)動電路用來控制功率開關(guān)的導(dǎo)通與否，當(dāng)功率開關(guān)導(dǎo)通時，輸入電壓VI會供應(yīng)到隔離高頻變壓器的初級繞組上，此時初級繞組上的電流逐漸增加并將能量儲存于其中，同時把能量感應(yīng)在變壓器的次級繞組上，整流二極管把變壓器次級繞組上的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟�，�?jīng)輸出濾波器濾除漣波成分后輸出直流電壓，當(dāng)功率開關(guān)截止時，儲存在隔離高頻變壓器初級繞組上的能量轉(zhuǎn)移到次級繞組上，持續(xù)提供輸出電流。誤差放大器截取一部分輸出電壓與想得到的電壓做比較，誤差值經(jīng)光隔離器耦合到PWM控制電路上，藉由改變脈波寬度來控制功率開關(guān)的導(dǎo)通時間，以精確得到想要的直流輸出電壓。 為因應(yīng)各種不同的輸出功率，切換式電源供應(yīng)器發(fā)展出下列幾種常用的電路拓仆（Topology），分別是返馳式（Flyback）、順向式（Forward）、全橋式（Full BRIDGE）、半橋式（Half BRIDGE）和推挽式（Push-Pull）等，本文將針對此五種電路拓仆，分析其原理及設(shè)計方法，并提供一些目前市售組件的產(chǎn)品規(guī)格給讀者參考。 注1：ＦＣＣ為美國聯(lián)邦通訊委員會的縮寫，ＣＥ為歐盟共同標(biāo)準(zhǔn)。 電路簡單、成本低廉的返馳式電路拓仆圖三為目前最普遍被使用的返馳式電路拓仆之電路簡圖，在100Ｗ以下的應(yīng)用上，由于它的變壓器又兼作輸出儲能電感使用，且次級端僅需一個二極管，故電路簡單成本低廉，以成本的角度來說，它幾乎是沒有別的電路所能取代的。由L1、PFC IC、Q1、D1和C1組成PFC stage，用來調(diào)整電源供應(yīng)器的功率因子，使符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。L1的典型值約數(shù)百μＨ～數(shù)ｍＨ之間，一般采用鐵粉芯（IRON POWER Core）材質(zhì)，Q1晶體管的規(guī)格要求為耐電壓600Ｖ，耐電流7Ａ以上，表一為業(yè)界常用的規(guī)格。PFC IC控制Q1的導(dǎo)通與截止，一般依流過電感的電流波形分為連續(xù)式（Continuous）和不連續(xù)式（Discontinuous）兩種，業(yè)界一般采用的型號有TI的UC3852、UC3854、ST的6561及INFINEON的TDA4863等。D1為功因調(diào)整用超快速回復(fù)二級體（PFC Hyperfast Recovery DIODE），一般規(guī)格為耐電壓600Ｖ、耐電流5Ａ以上、反向回復(fù)時間（Reverse recovery Time, trr）為20ns以下，表二為業(yè)界一般采用的規(guī)格型號。C1則依其輸出漣波規(guī)格大小來決定其值，典型值通常在100μf以上，耐壓在450～500V之間，一般采用電解電容材質(zhì)。 由PWM IC、Q2、T1、D2、C2組成POWER stage，藉由PWM IC控制Q2電子開關(guān)的導(dǎo)通與否，配合次級側(cè)的二極管和電容，即可得到ＤＣ電壓的輸出，而變壓器Ｔ1因為有氣隙之故，其初級圈具有隔離、變壓和電感的三重功能，藉由Q2電子開關(guān)作用將儲存于在變壓器的能量傳遞給次級側(cè)，再藉由電容Ｃ2的充電保持功能來得到直流電壓Vo，此外改變變壓器初、次級的圈數(shù)，就可以得到想要的ＤＣ電源。早期的PWM IC大多采用UC384X系列（如UC3842、UC3843），然而近年來由于環(huán)保意識抬頭，國內(nèi)的廠商如崇貿(mào)…等更改良了以往PWM IC的工作模式而設(shè)計了384XG及6840等具有GREEN Function的IC（注2），此外歐系的INFINEON Coolset ICE2AXXX及ICE2BXXX系列不僅具有GREEN Function，并且把以往外加的Q2晶體管包裝在8DIP的IC內(nèi)，以節(jié)省空間和制造流程�，F(xiàn)今業(yè)界一般采用的型號仍以384X系列的傳統(tǒng)IC居多，但由于新產(chǎn)品越來越積體化及環(huán)保和安規(guī)要求越來越嚴(yán)苛的趨勢下，相信不久之后，市場會有革命性的變化。Q2為耐電壓600V的MOSFET，業(yè)界一般采用的型號如表三所示。T1的一般規(guī)格為EI Core或EE Core，業(yè)界一般采用的型號為EI28～EI40。D2為肖特基二級體（Schokky DIODE），作為整流之用，業(yè)界一般采用的型號如表四所示。C2是濾波電容，其電容值視輸出漣波要求而定，一般在400μf以上，而耐壓則選擇輸出電壓的1.2～1.5倍之間，一般采用電解電容材質(zhì)。 Io(A 由R1、R2、R3、Ph1、D3組成Feedback stage，R2、R3組成分壓電路擷取一部分輸出電壓，經(jīng)Ph1光耦合器回授到PWM IC，藉調(diào)整PWM IC的輸出脈波寬度以穩(wěn)定輸出電壓值，R1、R2、R3一般采用1/4W碳膜電阻， Ph1的型號為INFINEON的SFH615、SFH617，D3為三端穩(wěn)壓組件主要產(chǎn)生2.5V的穩(wěn)定參考電壓，TL431為業(yè)界常用的型號。 注2：GREEN Function為環(huán)保功能的意思，亦有IC特性手冊稱之為BLUE Angel，其要求是在滿載70W以下的電源產(chǎn)品，當(dāng)負載沒有輸出功率的情況下，輸入電源仍照常供應(yīng)時，電路消耗功率必需小于1W以下。 輸出功率高于150W的順向式電路拓仆圖四為順向式電路拓仆之電路簡圖，與返馳式電路拓仆的主要差別在于POWER stage的次級側(cè)部分，順向式多用了一個肖特基二級體D4和電感L2，當(dāng)Q2截止時，隔離變壓器T1之繞組上的電壓極性會反轉(zhuǎn)，使得D2二極管變成逆向偏壓而不導(dǎo)通，而D4二級體則處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時負載端之能量，則由L2和C2所儲存的能量經(jīng)由D4來供給。因此在順向式電路拓仆中，L2和C2除了做為低通濾波器之外，亦為一儲能組件。在組件的采用上和Flyback電路大同小異，然而由于在晶體管Q2關(guān)閉（OFF）時來自T1初級側(cè)的反向電壓會和C1上的輸出電壓相累積而成為兩倍的PFC Stage輸出電壓，故Q2的耐壓必需高達800V以上，實務(wù)上通常都采用耐壓800V的MOSFET來擔(dān)任此任務(wù)，業(yè)界一般采用的型號如表五所示。 表四 業(yè)界常用的肖特基二極管規(guī)格型號表Io(AV) VRRM VF @IF SINGLE PACKAGE IF(AV) (V) (mV) (A) /DUAL.html">DUAL SURFACE MOUNT LEAD (A) SOT 223 D-PACK(SOT 428) D2-PACK(SOT 404) TO220AC(SOD 59) TO220AB(SOT 78) SOD 113(SOT 186A) SOT 186A TO247(SOT 429) 2 40 450 1 DUAL PBYR240CT 2 &nbs |
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