一.开关电源的工作方式

    开关电源按控制原理来分类,有以下4种工作方式:

    (1)脉冲宽度调制(简称PWM,即脉宽调制)式:其特点是开关周期为恒定値,通过调节脉冲宽度来改变占空比, 实现稳压日的。其核心是PWM控制器。脉宽调制式开关电源的应用最为普遍,其占空比调节范围大, PWM还可以和主系统的时钟保持同步。

    (2)脉冲频率调制(简称PFM,即脉频调制)式:其特点是占空比为恒定値,通过调节开关频率来实现稳压目的。其核心是PFM控制器。脉频调制式开关电源特别适合于使携式设各,它能在低占空比、低频的条件下,降低控制芯片的静态电流。

    (3)脉冲密度调制(简称PDM,即脉密调制)式:其特点是脉冲宽度为恒定値, 通过调节脉冲数实现稳压目的。它采用零电压技本, 能显著降低功率开关管的损耗。

    (4)混合调制式:它是(1)、(2)两种方式的组合。开关周期和脉冲宽度都不固定,均可调节。它包含了PWM控制器和PFM控制器。

    以上4种工作方式统称为“时间比率控制”(简称TRC)方式,其中以 PWM控制器应用最广。

    需要指出的是,PWM控制器既可作为一片独立的集成电路使用(例如UC3842型脉宽调制控制器),亦可被集成在开关稳压器中(例如LM2596型开关稳压器集成电路),或集成在开关电源中(例如TOP271型单片开关电源集成电路),其中,开关稳压器属于DC/DC变換器,开关电源一般为AC/DC变換器。

    开关电源的电路比较复杂,其基本构成如图1-4-1所示,主要由以下5部分构成:①输入整流滤波器: 包括从交流电到输入整流滤波器的电路;②功率开关管VT及高频变压器T;③控制电路(PWM控制器),含振荡器、基准电压源(U_REF)、误差放大器和PWM比较器,控制电路能产生脉宽调制信号,其占空比受反馈电路的控制; ④输出整流滤波器; ⑤反馈电路。除此之外,还需增加偏置电路、保护电路等,其中, PWM 控制器为开关电源的核心。

图1-4-1  开关电源基本原理

二.脉宽调制控制器基本原理

    脉宽调制式开关电源的工作原理如图1-4-2所示,220V交流电u首先经过整流滤波电路,变成直流电压U_I再由功率开关管VT斩波、高频变压器T降压,得到高频矩形波电压,最后通过整流滤波后获得所需要的直流输出电压U_O,PWM控制器能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号,控制功率开关管的通、断状态、进而调节输出电压的高低,达到稳压日的,锯齿波发生器用于提供时钟信号,利用取样电阻、误差放大器和PWM比较器形成闭环调节系统,输出电压U_O经 R₁、R₂取样后,送至误差放大器的反相输入端,与加在同相输入端的基准电压U_REF进行比较, 得到误差电压U_r,再用U_r的幅度去控制PWM比较器输出的脉冲宽度, 最后经过功率放大和降压式输出电路使U_O保持不变,U_J为锯齿波发生器的输出信号。

图1-4-2  脉宽调制式开关电源的工作原理

    需要指出,取样电压通常是接误差放大器的反相输入端,但也有的接同相输入端,这与误差放大器另一端所输入的锯齿波电压极性有关,一般情況下当输入的锯齿波电压为正极性时,取样电压接反相输入端;输入的锯齿波电压为负极性时,取样电压接同相输入端(下同)。

    令直流输入电压为U_I, 开关式稳压器的效率为η,占空比为D,则功率开关管的脉冲幅度 U_p=ηU_I,可得到公式

UO=ηDUI        (1-4-1)

    这表明当η、U_I一定时,只要改变占空比,即可自动调节U_O的值, 当U_O由于某种原因而升高时, U_r↓→D↓→U_O↓,反之,若UU_O降低,则U_r↑→D↑→U_O↑, 这就是自动稳压的原理,自动稳压过程的波形如图1-4-3(a)、(b)所示,图中, U_J表示锯齒波发生器的输出电压,U_r是误差电压, U_PWM代表PWM比较器的输出电压,由图可見,当U_O降低时,U_r↓→D↓→U_O↓;反之, 若U_O因某种原因而升高,则U_r↑→D↑→U_O↑。

图1-4-3  自动稳压过程的渡形图

三.单片开关电源的构成和基本原理

    单片开关电源的构成如图1-4-4所示,该图也是单片开关电源印制板的典型布局示意图。

图1-4-4  单片开关电源的构成

    单片开关电源的基本原理如图1-4-5所示,主要由以下7部分构成:①输入整流滤波器,包括整流桥BR和输入滤波电容器C₁;②单片开关电源(TOPSwitch-II系列产品),内含功率开关管(MOSFET)和控制器(含振荡器、基准电压源、误差放大器和PWM比较器),MOSFET的漏极、源极和控制端分别为D、S和C;③漏极钳位保护电路(VD_Z1、VD₁);④高频变压器(T);⑤输出整流滤波器(VD₂、C₂);⑥光耦反馈电路(稳压管VD_Z2、电阻R及光耦合器);⑦偏置电路(VD₃、C₃),给光耦合器的光敏三极管提供偏压。

图1-4-5  单片开关电源的基本原理

    85~265V交流电经过输入整流滤波后获得直流高压,接至高频变压器一次绕组的一端,一次绕组的另一端接MOSFET的漏极D,漏极钳位保护电路由瞬态电压抑制器VD_z1(TVS)、阻塞二极管VD₁组成,当MOSFET关断时可将高频变压器漏感产生的尖峰电压限制在安全范国以内,对 MOSFET的漏极起到保护作用, 二次绕组的输出电压经过VD₂整流,再经过C₂滤波后获得直流输出电压U_O,为满足高频整流的需要,VD₂应使用超快恢复二极管或肖特基二极管。

    该电源采用配稳压管的光耦反馈电路,由VD_z2提供参考电压U_z2,当输出电压U_O发生波动时,在光耦合器内部的LED上可获得误差电压,因此,该电路相当于给TOPSwitch-II增加了一个外部误差放大器,再与内部误差放大器配合使用,即可对U_O进行精细地调整,电阻R用于设定控制环路的增益,设耦合器中LED的正向压降为U_F,R两端的压降为U_R,输出电压由下式确定

UO= Uz2十UF十UR    (1-4-2)

    现将其稳压原理分析如下:当由于果种原因致使>U_O↑,U_O > U_z2十U_F十U_R. 时,所产生的误差电压U'_r = U_O - (U_z2十U_F十U_R)就令LED上的电流I_F↑,经过光耦合器使接收管的发射极电流I_E↑,进而使TOPSwitch-II的控制端电流I_C↑,占空比D↓,导致U_O↓,从而实现了稳压目的,反之, U_O↓→I_F↓→I_E↓→I_C↓→D↑→U_O↑,同样能起到稳压作用。