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5种经典开关电源结构的优缺点对比,调试中常见的几个问题

2021-10-15 18:22:42

开关电源首要是指运用各类新型自关断器件并通过转换技术制成的高频开关式直流稳压电源。开关电源被誉为高效节能电源,它代表着稳压电源的开展方向,现已成为稳压电源的主流产品。下面来为大家介绍5种经典开关电源结构的优缺点对比。


5种经典开关电源结构的优缺点对比

1、单规矩激式

单端:通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器。

正激:脉冲变压器的原/付边相位联络,保证在开关管导通,驱动脉冲变压器原边时,变压器付边一同对负载供电。

该电路的问题是:开关管T替换作业于通/断两种情况,当开关管关断时,脉冲变压器处于“空载”情况,其间储存的磁能将被积累到下一个周期,直至电感器丰满,使开关器件焚毁。

 

2、单端反激式

反激式电路与正激式电路相反,脉冲变压器的原/付边相位联络,保证当开关管导通,驱动脉冲变压器原边时,变压器付边不对负载供电,即原/付边交织通断。脉冲变压器磁能被积累的问题简略处理,但是,由于变压器存在漏感,将在原边构成电压尖峰,或许击穿开关器件,需求设置电压钳位电路予以保护D3、N3构成的回路。从电路原理图上看,反激式与正激式很相象,表面上仅仅变压器同名端的差异,但电路的作业方法不同,D3、N3的作用也不同。

 

3、推挽(变压器中心抽头)式

这种电路结构的特点是:对称性结构,脉冲变压器原边是两个对称线圈,两只开关管接成对称联络,轮流转断,作业进程类似于线性扩大电路中的乙类推挽功率扩大器。

首要长处:高频变压器磁芯运用率高(与单端电路比较)、电源电压运用率高(与后面要叙说的半桥电路比较)、输出功率大、两管基极均为低电平,驱动电路简略。

首要缺点:变压器绕组运用率低、对开关管的耐压要求比较高(至少是电源电压的两倍)。

 

4、全桥式

这种电路结构的特点是:由四只相同的开关管接成电桥结构驱动脉冲变压器原边。

T1、T4为一对,由同一组信号驱动,一同导通/关端;T2、T3为另一对,由另一组信号驱动,一同导通/关端。两对开关管轮流转/断,在变压器原边线圈中构成正/负交变的脉冲电流。

首要长处:与推挽结构比较,原边绕组削减了一半,开关管耐压下降一半。

首要缺点:运用的开关管数量多,且要求参数一致性好,驱动电路凌乱,完结同步比较困难。这种电路结构一般运用在1KW以上超大功率开关电源电路中。

 

5、半桥式

电路的结构类似于全桥式,仅仅把其间的两只开关管(T3、T4)换成了两只等值大电容C1、C2。

首要长处:具有必定的抗不平衡能力,对电路对称性要求不很严厉;适应的功率规划较大,从几十瓦到千瓦都能够;开关管耐压要求较低;电路成本比全桥电路低等。这种电路常常被用于各种非稳压输出的DC转换器,如电子荧光灯驱动电路中。

 

开关电源已普遍运用在当时的各类电子设备上,其单位功率密度也在不断地前进.高功率密度的界说从1991年的25w/in3、1994年36w/in3、1999年52w/in3、2001年96w/in3,现在已高达数百瓦每立方英寸.由于开关电源中运用了很多的大功率半导体器件,如整流桥堆、大电流整流管、大功率三极管或场效应管等器件。

 

开关电源调试时最常见的10大问题

一、变压器丰满

变压器丰满现象:在高压或低压输入下开机(包括轻载,重载,容性负载),输出短路,动态负载,高温等情况下,通过变压器(和开关管)的电流呈非线性增加,当呈现此现象时,电流的峰值无法预知及控制,或许导致电流过应力和因此而发生的开关管过压而损坏。

1、简略发生丰满的情况:

(1)变压器感量太大;

(2)圈数太少;

(3)变压器的丰满电流点比IC的限流点小;

(4)没有软发起。

2、处理方法:

(1)下降IC的限流点;

(2)加强软发起,使通过变压器的电流包络更缓慢上升。

 

二、Vds过高

1、Vds的应力要求:

最恶劣条件(高输入电压,负载大,环境温度高,电源发起或短路测验)下,Vds的不应逾越额外规格的90%

2、Vds下降的方法:

(1)减小途径电压:减小变压器原副边圈数比;

(2)减小尖峰电压:

a、减小漏感:

变压器漏感在开关管注册是存储能量是发生这个尖峰电压的首要原因,减小漏感能够减小尖峰电压。

b、调整吸收电路:

①运用TVS管;

②运用较慢速的二极管,其自身能够吸收必定的能量(尖峰);

③刺进阻尼电阻能够使得波形愈加平滑,利于减小EMI。

三、IC温度过高

原因及处理方法:

1、内部的MOSFET损耗太大:

开关损耗太大,变压器的寄生电容太大,构成MOSFET的注册、关断电流与Vds的穿插面积大。处理方法:增加变压器绕组的距离,以减小层间电容,好像绕组分多层绕制时,层间加入一层绝缘胶带(层间绝缘)。

2、散热不良:

IC的很大一部分热量依托引脚导到PCB及其上的铜箔,应尽量增加铜箔的面积并上更多的焊锡

3、IC周围空气温度太高:

IC应处于空气流动畅顺的当地,应远离零件温度太高的零件。

四、空载、轻载不能发起

1、现象:

空载、轻载不能发起,Vcc重复从发起电压和关断电压来回跳动。

2、原因:

空载、轻载时,Vcc绕组的感应电压太低,而进入重复重发起情况。

3、处理方法:

增加Vcc绕组圈数,减小Vcc限流电阻,恰当加上假负载。假设增加Vcc绕组圈数,减小Vcc限流电阻后,重载时Vcc变得太高,请参照安稳Vcc的方法。

五、发起后不能加重载

原因及处理方法:

1、Vcc在重载时过高

重载时,Vcc绕组感应电压较高,使Vcc过高并抵达IC的OVP点时,将触发IC的过压保护,引起无输出。假设电压进一步升高,逾越IC的承受能力,IC将会损坏。

2、内部限流被触发

a、限流点太低

重载、容性负载时,假设限流点太低,流过MOSFET的电流被束缚而缺少,使得输出缺少。处理方法是增大限流脚电阻,前进限流点。

b、电流上升斜率太大

上升斜率太大,电流的峰值会更大,简略触发内部限流保护。处理方法是在不使变压器丰满的前提下前进感量。

六、待机输入功率大

1、现象:

Vcc在空载、轻载时缺少。这种情况会构成空载、轻载时输入功率过高,输出纹波过大。

2、原因:

输入功率过高的原因是,Vcc缺少时,IC进入重复发起情况,频繁的需求高压给Vcc电容充电,构成起动电路损耗。假设发起脚与高压间串有电阻,此时电阻上功耗将较大,所以发起电阻的功率等级要满足。电源IC未进入BurstMode或现已进入BurstMode,但Burst频率太高,开关次数太多,开关损耗过大。

3、处理方法:

调理反响参数,使得反响速度下降。

七、短路功率过大

1、现象:

输出短路时,输入功率太大,Vds过高。

2、原因:

输出短路时,重复脉冲多,一同开关管电流峰值很大,构成输入功率太大过大的开关管电流在漏感上存储过大的能量,开关管关断时引起Vds高。输出短路时有两种或许引起开关管间断作业:

(1)触发OCP这种方法能够使开关动作当即间断

a、触发反响脚的OCP;

b、开关动作间断;

c、Vcc下降到IC关闭电压;

d、Vcc从头上升到IC发起电压,而从头发起。

(2)触发内部限流

这种方法发生时,束缚可占空比,依托Vcc下降到UVLO下限而间断开关动作,而Vcc下降的时间较长,即开关动作坚持较长时间,输入功率将较大。

a、触发内部限流,占空比受限;

b、Vcc下降到IC关闭电压;

c、开关动作间断;

d、Vcc从头上升到IC发起电压,而从头发起。

3、处理方法:

(1)削减电流脉冲数,使输出短路时触发反响脚的OCP,能够使开关动作灵敏间断作业,电流脉冲数将变少。这意味着短路发生时,反响脚的电压应该更快的上升。所以反响脚的电容不行太大;

(2)减小峰值电流。

八、空载,轻载输出纹波过大

1、现象:

Vcc在空载或轻载时缺少。

(1)原因:

Vcc缺少时,在发起电压(如12V)和关断电压(如8V)之间振荡IC在周期较长的间歇作业,短时间供应能量到输出,接着间断作业较长的时间,使得电容存储的能量缺少以坚持输出安稳,输出电压将会下降。

(2)处理方法:

保证任何负载条件下,Vcc能够安稳供应。

2、现象:

BurstMode时,间歇作业的频率太低,此频率太低,输出电容的能量不能坚持安稳。

处理方法:

在满足待机功耗要求的条件下稍微前进间歇作业的频率,增大输出电容。

九、重载、容性负载不能发起

1、现象:

轻载能够发起,发起后也能够加重载,但是重载或大容性负载情况下不能发起。

2、一般规划要求:

不管重载仍是容性负载(如10000uF),输入电压仍是低,20mS内,输出电压必须上升到安稳值。

3、原因及处理方法(保证Vcc在正常作业规划内的前提下):

下面以容性负载C=10000uF为例进行分析,按规格要求,必须有满足的能量使输出在20mS内上升到安稳的输出电压(如5V)。

E=0.5*C*V^2

电容C越大,需求在20mS内从输入传输到输出的能量更大。

以芯片FSQ0170RNA为例暗影部分总面积S就是所需的能量。要增加面积S,方法是:

(1)增大峰值电流限流点I_limit,可容许流过更大电感电流Id:将与Pin4相接的电阻增大,从内部电流源Ifb分流更小,使作为电流束缚参阅电压的PWM比较器正输入端的电压将上升,即容许更大的电流转过MOSFET/变压器,能够供应更大的能量。

(2)发起时,增加传递能量的时间,即延伸Vfb的上升时间(抵达OCP保护点前)。

对这款FSQ0170RNA芯片,电感电流控制是以Vfb为参阅电压的,Vfb电压的波形与电感电流的包络成正比。控制Vfb的上升时间即可控制电感包络的上升时间,即增加传递能量的时间。IC的OCP功能是检测Vfb抵达Vsd(如6V)完结的。所以要下降Vfb斜率,就能够延伸Vfb的上升时间。输出电压未抵达正常值时,假设反响脚电压Vfb现已上升到保护点,传递能量时间不行。重载、容性负载发起时,输出电压建立较慢,加到光耦电压较低,通过光耦二极管的电流小,光耦光敏管高阻态(趋向关断)的时间较长。IC内部电流源给与反响脚相接的电容充电较快,假设Vfb在这段时间内上升到保护点(如6V),MOSFET将关断。输出不能抵达正常值,发起失利。

处理方法:

使输出电压抵达正常值时,反响脚电压Vfb仍然小于保护点。使Vfb远离保护点而缓慢上升,或延伸反响脚Vfb上升到保护点的时间,即下降Vfb的上升斜率,使输出有满足的时间上升到正常值。

A、增大反响电容(C9),能够将Vfb的上升斜率下降,如图所示,由D线变成A线。但是反响电容太大会影响正常作业情况,下降反响速度,使输出纹波变大。所以此电容不能改变太大。

B、由于A方法有缺少,将一个电容(C7)串连稳压管(D6,3.3V)并联到反响脚。此法不会影响正常作业,如B线所示,当Vfb<3.3V时,稳压管不会导通,分流。上升3.3V时,稳压管进入稳压情况,电容C7开端充电分流,减小后续Vfb的上升斜率。C。在431的K-A端并联一个电容(C11),电源发起时,C11电压较低,并由光耦二极管和431的偏置电阻R10进行充电。这样光耦就有较大电流转过,使光耦光敏管阻抗较低而分流,Vfb将缓慢上升,如C线所示。R10×C11影响充电时间,也就影响输出的上升时间。

留意点:

①增加反响脚电容(包括稳压管串电容),对处理超大容性负载问题作用较小;

②增大峰值电流限流点I_limit,一同也增加了稳态下的OCP点。需求在容性负载,输入情况下查看变压器是否会丰满;

③假设要坚持限流点,须使R10×C11更大,但在超大容性负载(10000uF)情况下,或许会增加5Vsb的上升时间逾越20mS,此法需求查看动态照应是否受太大影响;

④431的偏置电阻R10太小,431并联的C11要更大;

⑤为了保证上升时间,增大OCP点和增大R10×C11方法或许要一同运用。

十、空载、轻载输出反跳

1、现象:

在输出空载或轻载时,关闭输入电压,输出(如5V)或许会呈现如下图所示的电压反跳的波形。

2、原因:

输入关掉时,5V输出将会下降,Vcc也跟着下降,IC间断作业,但是空载或轻载时,巨大的PC电源大电容电压并不能快速下降,仍然能够给高压发起脚供应较大的电流使得IC从头发起,5V又从头输出,反跳。

3、处理方法:

在发起脚串入较大的限流电阻,使得大电容电压下降到仍然比较高的时分也缺少以供应满足的发起电流给IC。将发起接到整流桥前,发起不受大电容电压影响。输入电压关断时,发起脚电压能够灵敏下降。

 

上述是5种经典开关电源结构的优缺点对比、开关电源调试时最常见的10大问题。现如今,开关电源运用越来越广泛,高频化是现在开关电源技术开展的首要方向之一,也是高频开关整流器开展的首要趋势之一。但随着开关频率的前进,功率器件的开关损耗将成比例地增加。所以在开关颇率较高时,需采纳十分有用的“软化”方法,尽或许下降器件的开关损耗。现在比较盛行的方法是选用有源软开关技术,如谐振技术、准谐振(或多谐振)技术、ZCS-PWM(或ZVS-PWM)技术及ZCT-PWM(或ZVT-PWM)技术等。另一种较实用的方法是选用无源无耗软开关技术,即选用无源器件(L,C,D等)构成独特的(专利的)电路网络,对功率开关完结无损耗级冲。


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