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并聯(lián)型推挽式開關(guān)電源電路
2022-06-20

并聯(lián)型全橋式開關(guān)電源電路 全橋式開關(guān)電源比半橋式開關(guān)電源的開關(guān)管增加了一倍，這樣就使得導(dǎo)通開關(guān)管上所流過的電流全部通過開關(guān)變壓器傳輸給負(fù)載，使開關(guān)管集電極峰值電壓和電流均降低了一半，從根本上彌補(bǔ)了半橋式開關(guān)電源電路存在的不足，因此在中、大功率輸出的場合，全橋式開關(guān)電源得到了廣泛的應(yīng)用（前面介紹的推挽式和半橋式一般用于中小功率輸出的場合）。 1．自激全橋式開關(guān)電源電路 并聯(lián)型自激全橋式開關(guān)電源一般很少應(yīng)用，這里不作介紹。 2．他激全橋式開關(guān)電源電路 并聯(lián)型他激全橋式開關(guān)電源電路基本電路如圖5-21所示。 對(duì)比圖5-18和圖5-21可以看出，全橋式開關(guān)電源的變換器實(shí)際上是由兩個(gè)半橋式開關(guān)電源的變換器組合而成，因此，二者的工作原理也是基本一致的。 電路工作時(shí)，在PWM控制芯片的控制下，VTI、VT4同時(shí)截止，VT2、VT3同時(shí)導(dǎo)通，且VT1、VT4導(dǎo)通時(shí)，VT2、VT3截止，也就是說，VT1、VT4與VT2、VT3是交替導(dǎo)通的，使開關(guān)變壓器T-次繞組形成方波電壓，經(jīng)T耦合和整波濾波后，形成所需的直流電壓。改變開關(guān)管的脈沖占空比，可以改變VT1、VT4和VT2、VT3的導(dǎo)通與截止時(shí)間，從而改變了開關(guān)變壓器T的儲(chǔ)能，也就改變了輸出的電壓值。 并聯(lián)型推挽式開關(guān)電源電路 并聯(lián)型推挽式開關(guān)電源分為自激式和他激式，其中，他激式應(yīng)用較多。下面簡要介紹這兩種類型的推挽式開關(guān)電源的識(shí)圖要點(diǎn)。 1．并聯(lián)型自激推挽式開關(guān)電源電路 （1）基本電路 并聯(lián)型自激推挽式開關(guān)電源電路是1955年由美國人羅耶（ Royer）首先發(fā)明和設(shè)計(jì)出來的，故又稱為羅耶變換器，其基本電路如圖5-8所示。 當(dāng)接通輸入直流電源電壓Ui后，就會(huì)在分壓器電阻R1上產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓通過開關(guān)變壓器T的Nbl和Nb2兩個(gè)繞組分別加到兩個(gè)功率開關(guān)管VTI和VT2的基極上。由于電路不可能完全對(duì)稱，所以總能使其中的一個(gè)功率開關(guān)管首先導(dǎo)通。假若是功率開關(guān)管VTI首先導(dǎo)通，那么功率開關(guān)管VTI集電極的電流厶1就會(huì)流過開關(guān)變壓器一次繞組Npl，使開關(guān)變壓器T的磁芯磁化，同時(shí)也使其他的繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。在基極繞組Nb2上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢使功率開關(guān)管VT2的基極處于負(fù)電位，使其反向偏置而維持在截止?fàn)顟B(tài)；在另一個(gè)基極繞組Nbl上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢則使功率開關(guān)管VT1的集電極電流進(jìn)一步增加，這是一個(gè)正反饋的過程。其最后的結(jié)果是使功率開關(guān)管VT1很快就達(dá)到飽和導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)，幾乎全部的輸入直流電源電壓U1被加到開關(guān)變壓器T的繞組Npl上，同時(shí)，開關(guān)變壓器T的磁通量變化率接近于零，因此，開關(guān)變壓器T的所有繞組上的感應(yīng)電動(dòng)勢也接近于零。由于繞組Nbl兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢接近于零，于是功率開關(guān)管VT1的基極電流減小，集電極電流開始下降，從而使所有繞組上的感應(yīng)電動(dòng)勢反向，緊接著磁芯的磁通脫離飽和狀態(tài)，這就發(fā)生了跟前面一樣的雪崩過程，促使功率開關(guān)管VT1很快進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，功率開關(guān)管VT2很快進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)。這時(shí)幾乎全部的輸入直流電源電壓Ui又被加到開關(guān)變壓器T的繞組Np2上，使開關(guān)變壓器T磁芯的磁通直線下降，很快就達(dá)到了反向的磁飽和值。此時(shí)基極繞組Nb2上的感應(yīng)電動(dòng)勢下降，再次引起正反饋，使功率開關(guān)管VT2脫離飽和狀態(tài)，然后轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)，而功率開關(guān)管VT1又轉(zhuǎn)換到飽和導(dǎo)通狀態(tài)。上述過程周而復(fù)始，這樣就在兩個(gè)功率開關(guān)管VT1和VT2的集電極形成了周期性的方波電壓，從而在開關(guān)變壓器T的二次繞組Ns上形成了周期性的方波電壓。將該繞組Nsl、Ns2上所形成的周期性的方波電壓，經(jīng)過整流和濾波后，就形成了開關(guān)電源的直流輸出電壓值，這就是自激型推挽式開關(guān)電源電路的工作過程。 （2）應(yīng)用電路 圖5-9所示是并聯(lián)型自激推挽式開關(guān)電源的一種實(shí)際應(yīng)用電路，該電源電路的主要性能如下。 ①輸入直流電源電壓為28V。 ②輸出直流電壓為：A路10V，B路20V。 ③輸出功率為120W。 ④輸出紋波電壓兩路均小于lOOmV。 ⑤工作頻率為2kHz。 ⑥轉(zhuǎn)換效率為80%。 ⑦具有開關(guān)電源停振自動(dòng)保護(hù)功能。 當(dāng)接入28V直流輸入電源電壓時(shí)，啟動(dòng)電阻R和電容C2很快給兩只功率開關(guān)管VT1和VT2其中的任意一只提供正向偏置電壓，促使該功率開關(guān)管導(dǎo)通，與該功率開關(guān)管基極相連的開關(guān)變壓器反饋繞組就會(huì)給另一只功率開關(guān)管提供反向偏置電壓，使其維持截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)開關(guān)電源電路中的開關(guān)變壓器T磁芯的磁通變化到正的飽和值附近時(shí)，電路的工作狀態(tài)開始翻轉(zhuǎn)，很快使原來處于導(dǎo)通狀態(tài)的功率開關(guān)管變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，而原來處于截止?fàn)顟B(tài)的功率開關(guān)管此時(shí)則翻轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)變壓器T中磁芯的磁通變化到負(fù)的飽和值時(shí)，又要發(fā)生功率開關(guān)管工作狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)。這樣就會(huì)在開關(guān)變壓器T的一次繞組中產(chǎn)生交替變化的方波電壓信號(hào)，此方波電壓信號(hào)被耦合到它的二次繞組中，在經(jīng)過整流、濾波后成為所需要的直流供電電壓。 電路中的電容器C3、C4和開關(guān)變壓器二次側(cè)的電感L1、L2是為了減小開關(guān)電源電路的噪聲和輸出電壓中的紋波電壓而設(shè)置的。 （3）改進(jìn)型電路 上面的自激推挽式開關(guān)電源還存在一定的缺點(diǎn)，主要是開關(guān)管集電極峰值電流較高、電路容易產(chǎn)生不平衡、對(duì)磁性材料要求較嚴(yán)、對(duì)開關(guān)管耐壓值要求較高等，為了克服這些缺點(diǎn)，又發(fā)明了自激推挽式雙變壓器開關(guān)電源，其基本電路如圖5-10所示。 自激推挽式雙變壓器開關(guān)電源電路用一個(gè)體積較小的工作在飽和狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)變壓器T1來控制功率開關(guān)管工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，而使用一個(gè)體積較大的工作在線性狀態(tài)的開關(guān)變壓器T2來進(jìn)行電壓的變換和功率的傳輸。由于采用了獨(dú)立的飽和驅(qū)動(dòng)變壓器，因此開關(guān)電源電路的工作特性就有了很大的改善。 電路的工作過程是，在接通電源后，由于電路總是存在著不平衡，假定功率開關(guān)管VT1首先導(dǎo)通，它的集電極電壓就會(huì)降低，在輸出開關(guān)變壓器T2的一次繞組Npl兩端就會(huì)產(chǎn)生電壓，一次繞組Np2的兩端也會(huì)相應(yīng)地產(chǎn)生感應(yīng)電壓。繞組Npl、Np2上所產(chǎn)生的電壓值之和全部加到由驅(qū)動(dòng)變壓器T1的一次繞組與反饋電阻Rf組成的串聯(lián)電路兩端。驅(qū)動(dòng)變壓器T1的二次繞組Nb2上所產(chǎn)生的電壓把功率開關(guān)管VT2的基極置成反向偏置，使其保持截止?fàn)顟B(tài)；驅(qū)動(dòng)變壓器T1的二次繞組Nbl上所產(chǎn)生的電壓把功率開關(guān)管VT1的基極置成正向偏置，使其很快達(dá)到飽和導(dǎo)通狀態(tài)。 驅(qū)動(dòng)變壓器T1磁化電流的增加就會(huì)導(dǎo)致T1的飽和。一旦T1達(dá)到飽和，一次繞組Nf中的電流很快增加，因此反饋電阻Rf兩端的電壓降也就會(huì)增加。這樣，繞組Nf上的電壓降就會(huì)減小，于是與驅(qū)動(dòng)變壓器T1二次繞組相連的功率開關(guān)管的激勵(lì)電壓也會(huì)相應(yīng)減小，原來處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)的功率開關(guān)管VT1集電極電流開始減小，逐漸退出飽和區(qū)。因此，所有繞組上的感應(yīng)電壓全部反向。功率開關(guān)管VT2開始導(dǎo)通，功率開關(guān)管VT1將很快進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。功率開關(guān)管VT2的飽和導(dǎo)通狀態(tài)將一直維持到驅(qū)動(dòng)變壓器T1的磁通達(dá)到負(fù)的飽和值為止。這時(shí)兩只功率開關(guān)管VTI和VT2的工作狀態(tài)將又會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使功率開關(guān)管VT2截止，功率開關(guān)管VT1重新導(dǎo)通。如此重復(fù)上述過程，電路形成自激振蕩狀態(tài)，這就是自激推挽式雙變壓器開關(guān)電源電路的工作過程。 2．并聯(lián)型他激推挽式開關(guān)電源電路 并聯(lián)型他激推挽式開關(guān)電源電路與自激推挽式開關(guān)電源電路主要有以下兩點(diǎn)區(qū)別。 一是自激推挽式開關(guān)電源電路中的功率開關(guān)管和開關(guān)變壓器要作為振蕩電路的器件而參與其振蕩工作，振蕩器的工作頻率和占空比均與功率開關(guān)管和開關(guān)變壓器的技術(shù)參數(shù)有關(guān)。而他激推挽式開關(guān)電源電路中的功率開關(guān)管和開關(guān)變壓器只作為功率變換電路，不參與振蕩電路的工作，振蕩器的工作頻率和占空比均與功率開關(guān)管和開關(guān)變壓器的技術(shù)參數(shù)無關(guān)。 二是他激推挽式開關(guān)電源電路中具有專門的PWM（或PFM）振蕩、驅(qū)動(dòng)和控制電路，該振蕩、驅(qū)動(dòng)和控制電路一般均由一個(gè)集成電路來承擔(dān)，而自激推挽式開關(guān)電源電路中卻沒有這些電路。 （1）基本電路 圖5-11所示是并聯(lián)型他激推挽式開關(guān)電源的基本電路。 電路工作時(shí)，在PWM控制芯片的控制下，推挽電路中的兩個(gè)開關(guān)管VT1和VT2交替導(dǎo)通，在一次繞組L1和L2兩端分別形成方波電壓，此方波電壓信號(hào)被耦合到T的二次繞組中，在經(jīng)過整流、濾波后成為所需要的直流供電電壓。改變輸入到VTI、VT2開關(guān)脈沖的占空比，可以改變VT1、VT2導(dǎo)通與截止時(shí)間，從而改變了開關(guān)變壓器T的儲(chǔ)能，也就改變了輸出的電壓值。需要注意的是，當(dāng)VTI和VT2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，相當(dāng)于開關(guān)變壓器一次繞組短路，因此應(yīng)避免兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通。 （2）雙管共態(tài)導(dǎo)通問題 兩個(gè)功率開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象也稱為共態(tài)導(dǎo)通現(xiàn)象。這種現(xiàn)象一旦發(fā)生，就會(huì)將功率開關(guān)管全部擊穿而損壞，給用戶造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。他激推挽式開關(guān)電源電路中所存在的雙管共態(tài)導(dǎo)通問題在后面將要講到的橋式開關(guān)電源電路中也同樣存在，因此，在電路中一般都設(shè)有相應(yīng)的電路來解決這一問題，無論是識(shí)圖還是維修，此類器件都應(yīng)引起我們足夠重視。下面對(duì)雙管共態(tài)導(dǎo)通問題進(jìn)行簡要的介紹和分析。 在他激推挽式開關(guān)電源電路中，一只功率開關(guān)管在正向驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下處于導(dǎo)通狀態(tài)，而另一只在反向關(guān)斷脈沖作用下處于關(guān)斷狀態(tài)，雖然失去了正向驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，但由于存儲(chǔ)時(shí)間的作用仍然停留在導(dǎo)通狀態(tài)，這就產(chǎn)生了雙管同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象，俗稱“共態(tài)導(dǎo)通”。在上面基本電路的分析中可以看到，當(dāng)雙管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)就會(huì)出現(xiàn)開關(guān)變壓器一次側(cè)兩個(gè)對(duì)稱的繞組一個(gè)給磁芯正向勵(lì)磁，另一個(gè)給磁芯反向勵(lì)磁，相互抵消。這樣一來，一則開關(guān)變壓器的二次側(cè)無感應(yīng)電壓產(chǎn)生，輸出端無直流電壓輸出：二則開關(guān)變壓器一次側(cè)的兩個(gè)對(duì)稱繞組相當(dāng)于兩根短路線，將輸入直流電源電壓直接短路到兩只功率開關(guān)管的集電極和發(fā)射極之間，使集電極峰值電流急劇增加，嚴(yán)重時(shí)兩只功率開關(guān)管同時(shí)電流擊穿而被損壞。產(chǎn)生雙管共態(tài)導(dǎo)通現(xiàn)象的電路及各點(diǎn)的波形如圖5-12所示。 從圖中還可以看出，產(chǎn)生雙管共態(tài)導(dǎo)通的原因除了功率開關(guān)管所存在的存儲(chǔ)時(shí)間以外， 還包括驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升沿和下降沿延遲時(shí)間過長。 為了避免雙管共態(tài)導(dǎo)通現(xiàn)象的發(fā)生，電路中都設(shè)有相應(yīng)的元器件進(jìn)行防范，其電路形式也較多，下面只簡要介紹兩種。 圖5-13所示是加入了RC延時(shí)導(dǎo)通電路的他激推挽式開關(guān)電源。 電路中，兩個(gè)電容器CI和C2分別接于每個(gè)功率開關(guān)管的基極與地之間，使輸入驅(qū)動(dòng)方波信號(hào)的正向上升沿因積聚電荷而延遲開啟時(shí)間。輸入電阻R1（R2）和二極管VDl （VD2）并聯(lián)，對(duì)于輸入驅(qū)動(dòng)正向上升信號(hào)來說，二極管VDl （VD2）是反向偏置的，RC延遲電路起作用。對(duì)于輸入驅(qū)動(dòng)跳變信號(hào)來說，二極管VDl （VD2）正向偏置與電阻R1 （R2）分流，使電容C1 （C2）快速放電，并從功率開關(guān)管基極抽取較大的反向電流。 圖5-14所示是另一種形式的RC延遲導(dǎo)通電路。 和上一種RC延時(shí)導(dǎo)通電路相比，電路中增加了一只開關(guān)變壓器T1，它為兩個(gè)功率開關(guān)管基極電路提供反向的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，也為基極放電提供了簡易的通路。開關(guān)變壓器T1二次側(cè)的兩個(gè)輸出電壓為相位錯(cuò)開的、對(duì)地正負(fù)相間的雙向脈沖信號(hào)電壓。加入此部分電路后，性能更好，可靠性更高。 （3）他激推挽式開關(guān)電源電路中的PWM電路 他激推挽式開關(guān)電源電路中的PWM電路一般采用專用的PWM集成電路，稱為PWM控制芯片，內(nèi)部包括PWM發(fā)生器、PWM驅(qū)動(dòng)器、PWM控制器等電路，并且采用雙端驅(qū)動(dòng)輸出形式（相位相差180。）。另外，具有雙端驅(qū)動(dòng)輸出的這些PWM控制芯片不但能構(gòu)成他激推挽式開關(guān)電源電路，還能構(gòu)成其他類型的雙端式開關(guān)電源，如半橋式、全橋式等開關(guān)電源電路。目前，PWM控制芯片形式多樣，下面以應(yīng)用較多的UC3525A為例進(jìn)行說明。 UC3525A是一系列的電壓控制模式的PWM控制與驅(qū)動(dòng)器集成電路。其內(nèi)部電路如圖5-15所示，引腳功能如表5-3所示。與UC3525A功能基本一致的還有UC1525A、UC2525A、UC3527A等。 使用該集成電路芯片構(gòu)成的開關(guān)電源不但具有良好的性能，而且還具有外圍元器件少、調(diào)試和安裝簡單等優(yōu)點(diǎn)。連接于Ct端和Discharge端的電阻可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的死區(qū)時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，該器件僅需要一個(gè)外部定時(shí)電容就可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。UC3525A還具有欠壓封鎖輸出的功能，這種功能是通過其內(nèi)部的一個(gè)欠壓封鎖電路來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)輸入電壓大于2.5V之前，欠壓鎖定電路即開始工作，直到輸入電壓等于8V。而當(dāng)輸入電壓從8V降至7.5V時(shí)，欠壓鎖定電路則又開始恢復(fù)工作。另外該芯片內(nèi)部還具有一個(gè)PWM觸發(fā)器，該P(yáng)WM觸發(fā)器的主要功能是當(dāng)內(nèi)部的PWM脈沖信號(hào)不管是由于什么原因而被關(guān)閉時(shí)，都能將輸出端關(guān)閉而維持一段時(shí)間，并且該觸發(fā)器在內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)的每一個(gè)周期內(nèi)都要被復(fù)位一次。該芯片的輸出級(jí)被設(shè)計(jì)為圖騰柱輸出方式，具有輸出和吸收200mA的輸出驅(qū)動(dòng)能力。 圖5-16所示是由UC3525A構(gòu)成的他激推挽式開關(guān)電源電路。 工作時(shí)，輸入電壓Ui經(jīng)開關(guān)變壓器T的兩個(gè)繞組分別加到兩只開關(guān)管VT1、VT2的集電極，同時(shí)，Ui還經(jīng)R9、R10限流后，為PWM控制芯片UC3525A的⒀、⑥腳提供工作電壓：UC3525A工作后，從⑾、⒁腳輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)RC延遲電路（R11、C9和R12、C10）延遲后，分別加到開關(guān)管VT1、VT2的基極，在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，使兩個(gè)開關(guān)管VT1和VT2交替導(dǎo)通，在VT1、VT2的集電極產(chǎn)生方波信號(hào)，此方波電壓信號(hào)被耦合到T的二次繞組中，在經(jīng)過整流、濾波后成為所需要的直流供電電壓Uo。 當(dāng)輸出的直流電壓Uo升高時(shí)，則流過光電耦合器IC2中發(fā)光二極管的電流增大，其發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)，則光敏三極管導(dǎo)通加強(qiáng)，使UC3525A的①腳電壓下降，經(jīng)UC3525A內(nèi)部電路檢測后，控制⑾、⒁腳輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖占空比減小，開關(guān)管VTI、VT2提前截止，使開關(guān)電源的輸出電壓下降到正常值；反之，當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，經(jīng)上述穩(wěn)壓電路的負(fù)反饋?zhàn)饔茫_關(guān)管VT1、VT2導(dǎo)通時(shí)間變長，輸出電壓上升到正常值。

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