Pg电子游戏平台：开关电源各模块原理实图讲解doc
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1、共 10 页 第 1 页防 雷 单 元 EMI电 路 整 流 、 滤 波 功 率 变 换 整 流 、 滤 波 输 出PFC单 元输 入 过 欠 压保 护 单 元 WM短 路 保 护取 样输 出 过 压 保 护控 制 器 限 流 保 护稳 压 环 路开 关 电 源 电 路 方 框 图输 入 滤 波 、 整 流 回 路 原 理 图CASENMOV2FDGC3F1L3L2C657RT1BGND4+L防 雷 单 元 整 流 、 滤 波电 磁 干 扰 滤 波 器 （ EMI）开关电源原理一、 开关电源的电路组成： 开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI） 、整流滤波电路、功率变换电路、PWM
2、控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。 开关电源的电路组成方框图如下：二、 输入电路的原理及常见电路：1、AC 输入整流滤波电路原理： 防雷电路：当有雷击，产生高压经电网导入电源时，由MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2 、F3、FDG1 组成的电路进行保护。当加在压敏电阻两端的电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，F1、F2、F3 会烧毁保护后级电路。 输入滤波电路：C1、L1、C2、C3 组成的双 型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰
3、，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。当电源开启瞬间，要对 C5 充电，由于瞬间电流大，加 RT1（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在 RT1 电阻上，一定时间后温度升高后 RT1 阻值减小（RT1 是负温系数元件） ，这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。 整流滤波电路：交流电压经 BRG1 整流后，经 C5 滤波后得到较为纯净的直流电压。若C5 容量变小，输出的交流纹波将增大。共 10 页 第 2 页C54C3HGNDL1A-DINB+2MOV1FGNDRT1C75Z2Q3LB64A8C+ZR4C235U861ZDC+6Q13T32R782、 DC 输入滤波
4、电路原理： 输入滤波电路：C1、L1、C2 组成的双 型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。C3、C4 为安规电容，L2、L3 为差模电感。 R1、R2 、 R3、Z1、C6 、Q1、Z2、R4、R5 、Q2、RT1 、C7 组成抗浪涌电路。在起机的瞬间，由于 C6 的存在 Q2 不导通，电流经 RT1 构成回路。当 C6 上的电压充至 Z1 的稳压值时 Q2 导通。如果 C8 漏电或后级电路短路现象，在起机的瞬间电流在 RT1 上产生的压降增大，Q1 导通使 Q2 没有栅极电压不导通，RT1 将会在很短的时间烧毁，
5、以保护后级电路。三、 功率变换电路：1、MOS 管的工作原理：目前应用最广泛的绝缘栅场效应管是 MOSFET（MOS 管） ，是利用半导体表面的电声效应进行工作的。也称为表面场效应器件。由于它的栅极处于不导电状态，所以输入电阻可以大大提高，最高可达 105 欧姆，MOS 管是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。2、常见的原理图：3、工作原理：R4、C3、R5、R6、C4、 D1、D2 组成缓冲器，和开关 MOS 管并接，使开关管电压应力减少，EMI 减少，不发生二次击穿。在开关管 Q1 关断时，变压器的原边线圈易产生尖峰电压和尖峰电流，这些元件组合一起，
7、降低开关管的开关速度。Z1 通常将 MOS 管的 GS 电压限制在 18V 以下，从而保护了 MOS 管。Q1 的栅极受控电压为锯形波，当其占空比越大时， Q1 导通时间越长，变压器所储存的能量也就越多；当 Q1 截止时，变压器通过 D1、D2、 R5、R4、C3 释放能量，同时也达到了磁场复位的目的，为变压器的下一次存储、传递能量做好了准备。IC 根据输出电压和电流时刻调整着脚锯形波占空比的大小，从而稳定了整机的输出电流和电压。 C4 和 R6 为尖峰电压吸收回路。 4、推挽式功率变换电路：Q1 和 Q2 将轮流导通。5、有驱动变压器的功率变换电路：T2 为驱动变压器，T1 为开关变压器，T
9、，其初极和次极的相位相反。D1 为整流二极管，R1、C1 为削尖峰电路。L1为续流电感，R2 为假负载，C4、L2、C5 组成 型滤波器。3、 同步整流电路：工作原理：当变压器次级上端为正时，电流经 C2、R5、R6、R7 使 Q2 导通，电路构成回路，Q2 为整流管。Q1 栅极由于处于反偏而截止。当变压器次级下端为正时，电流经 C3、R4、R2使 Q1 导通，Q1 为续流管。Q2 栅极由于处于反偏而截止。L2 为续流电感，C6、L1、C7 组成 型滤波器。R1、C1、R9、C4 为削尖峰电路。五、 稳压环路原理：1、反馈电路原理图：2、工作原理：当输出 U0 升高，经取样电阻 R7、R8、R
11、LEF43GNS负 载U384D图 1.3R2V+UC846TQ改变 U1脚输出占空比增大，U0 降低。周而复始，从而使输出电压保持稳定。调节 VR1 可改变输出电压值。 反馈环路是影响开关电源稳定性的重要电路。如反馈电阻电容错、漏、虚焊等，会产生自激振荡，故障现象为：波形异常，空、满载振荡，输出电压不稳定等。六、短路保护电路： 1、在输出端短路的情况下，PWM 控制电路能够把输出电流限制在一个安全范围内，它可以用多种方法来实现限流电路，当功率限流在短路时不起作用时，只有另增设一部分电路。2、短路保护电路通常有两种，左图是小功率短路保护电路，其原理简述如下： 当输出电路短路，输出电压消失，光耦
12、 OT1 不导通，UC3842脚电压上升至 5V 左右，R1 与 R2 的分压超过 TL431 基准，使之导通，UC3842脚 VCC 电位被拉低，IC 停止工作。UC3842 停止工作后脚电位消失，TL431 不导通 UC3842脚电位上升，UC3842 重新启动，周而复始。当短路现象消失后，电路可以自动恢复成正常工作状态。3、右图是中功率短路保护电路，其原理简述如下：当输出短路，UC3842脚电压上升,U1 脚电位高于脚时，比较器翻转脚输出高电位，给C1 充电，当 C1 两端电压超过脚基准电压时U1脚输出低电位，UC3842脚低于 1V，UCC3842停止工作，输出电压为 0V，周而复始，
13、当短路消失后电路正常工作。R2、C1 是充放电时间常数，阻值不对时短路保护不起作用。4、 左图是常见的限流、短路保护电路。其工作原理简述如下：当输出电路短路或过流，变压器原边电流增大，R3两端电压降增大，脚电压升高，UC3842脚输出占空比逐渐增大，脚电压超过 1V 时，UC3842 关闭无输出。5、右图是用电流互感器取样电流的保护电路，有着功耗小，但成本高和电路较为复杂，其工作原理简述如下：输出电路短路或电流过大，TR1 次级线圈感应的电压就越高，当 UC3842脚超过 1 伏，UC3842停止工作，周而复始，当短路或过载消失，电路自行恢复。七、输出端限流保护：左图是常见的输出端限流保护电路
14、，其工作原理简述如下：当输出电流过大时，RS（锰铜丝）两端共 10 页 第 6 页SCRUo1Z3243R7Q18C2VEF6ZOTUUoR63C27VEF1QU84ZOTo1Z7234OTUC8o图 A图 BRUC3842图 AQVc7113Q图 BUVref2oOTZUC3842OTVcDoRR电压上升，U1脚电压高于脚基准电压，U1脚输出高电压，Q1 导通，光耦发生光电效应，UC3842脚电压降低，输出电压降低，从而达到输出过载限流的目的。八、输出过压保护电路的原理： 输出过压保护电路的作用是：当输出电压超过设计值时，把输出电压限定在一安全值的范围内。当开关电源内部稳压环路出现故障或者由
15、于用户操作不当引起输出过压现象时，过压保护电路进行保护以防止损坏后级用电设备。应用最为普遍的过压保护电路有如下几种：1、可控硅触发保护电路： 如左图，当 Uo1 输出升高，稳压管（Z 3）击穿导通，可控硅（SCR1）的控制端得到触发电压，因此可控硅导通。 Uo2 电压对地短路，过流保护电路或短路保护电路就会工作，停止整个电源电路的工作。当输出过压现象排除，可控硅的控制端触发电压通过 R 对地泄放，可控硅恢复断开状态。2、光电耦合保护电路：如右图，当 Uo 有过压现象时，稳压管击穿导通，经光耦（OT2）R6 到地产生电流流过，光电耦合器的发光二极管发光，从而使光电耦合器的光敏三极管导通。Q1 基
16、极得电导通，3842 的脚电降低，使 IC 关闭，停止整个电源的工作，Uo 为零，周而复始， 。3、输出限压保护电路：输出限压保护电路如下图，当输出电压升高，稳压管导通光耦导通，Q1 基极有驱动电压而道通，UC3842电压升高，输出降低，稳压管不导通， UC3842电压降低，输出电压升高。周而复始，输出电压将稳定在一范围内（取决于稳压管的稳压值） 。4、输出过压锁死电路：共 10 页 第 7 页C43HGNDL1ANB2MOV GNDZ1Q32L4C7+2FC56R2R4PF控 制 器控 制 信 号(UC845)DR87来 自 整 流 滤 波R12或 PFC控 制 器D210C29UB-+D1
17、653+Vref-UA4CVc去 WM控 制 器8:L90图 A 的工作原理是，当输出电压 Uo 升高，稳压管导通，光耦导通，Q2 基极得电导通，由于 Q2 的导通 Q1 基极电压降低也导通，Vcc 电压经 R1、Q1、R2 使 Q2 始终导通，UC3842脚始终是高电平而停止工作。在图 B 中，U O 升高 U1脚电压升高，脚输出高电平，由于D1、R1 的存在，U1脚始终输出高电平 Q1 始终导通， UC3842脚始终是低电平而停止工作。九、功率因数校正电路（PFC）：1、原理示意图：2、工作原理：输入电压经 L1、L2、L3 等组成的 EMI 滤波器，BRG1 整流一路送 PFC 电感，另
18、一路经R1、R2 分压后送入 PFC 控制器作为输入电压的取样，用以调整控制信号的占空比，即改变 Q1的导通和关断时间，稳定 PFC 输出电压。L4 是 PFC 电感，它在 Q1 导通时储存能量，在 Q1 关断时施放能量。D1 是启动二极管。D2 是 PFC 整流二极管， C6、C7 滤波。PFC 电压一路送后级电路，另一路经 R3、R4 分压后送入 PFC 控制器作为 PFC 输出电压的取样，用以调整控制信号的占空比，稳定 PFC 输出电压。十、输入过欠压保护：1、 原理图：共 10 页 第 8 页OT1AGND INPUTOUTPU3Q4RLY-AR28R276542ZD764D8R0SB
19、TF13QR9Q27C4R165D21R13UBA487AGNDSSC31R09Z1V652UTL4+-+-电 池 管 理 原 理 图92、 工作原理： AC 输入和 DC 输入的开关电源的输入过欠压保护原理大致相同。保护电路的取样电压均来自输入滤波后的电压。 取样电压分为两路，一路经 R1、R2、R3、R4 分压后输入比较器 3 脚，如取样电压高于 2脚基准电压，比较器 1 脚输出高电平去控制主控制器使其关断，电源无输出。另一路经R7、R8、R9、R10 分压后输入比较器 6 脚，如取样电压低于 5 脚基准电压，比较器 7 脚输出高电平去控制主控制器使其关断，电源无输出。十一、电池管理： 1
20、、 电池管理原理图：虚线框 A 内的零件组成电池启动和关断电路；虚线框 B 为电池充电线性稳压电路；虚线框 C为电子开关电路；虚线框 D 为电池充电电流限制电路。2、电池启动原理：输入电压由 INPUT 和 AGND 端输入，分为三路。第一路经 D7 直接送后级和电池启动、关断电路。R28 、 R27、R26 分压后的电压使 U3 导通（此电压在设计时已计算好了，正常工作时高于 2.5V） ，光藕 OT1 导通。R25 为 U3 提供工作电压，R23、R24 为光藕的限流及保护电阻。光藕导通后电源经 R22、OT1、D9 给 Q4 提供基极偏置电压，Q4 导通，R21 为 Q4 的下偏置电阻。
21、继电器 RLY1-A 的线圈中有电流流过，继电器触点 RLY1-B 吸合，将电池 BAT 接入电路中。D4 为阻止在 Q4 关断时继电器线圈产生的电动势影响后级电路，D5 为防止在 Q4 关断时继电器线圈产生的电动势损坏 Q4，将继电器线、电池充电稳压原理：在通电的初期，由于 Q3 没有偏置而不导通，D3 的正端无电压。电源经 R1 降压 Z1 稳压后给U1 和 U2 提供工作电压。R2、U1 组成基准电压， R13、R4、R5、R6、VR1 组成电池电压检测电路，当 U2脚检测电压低于脚电压时，其 脚输出高电平，经 R14 给 Q2 提供偏置电压，Q2 导通、Q3 也跟着
22、导通，电源经 Q3、D3、继电器触点 RLY1-B、F1 给电池 BAT 充电。当 U2脚检测电压高于脚电压时，其脚输出低电平， Q2 失去偏置电压而截止，Q3 截止，D3 的正端无电压，其负极电压下降，U2脚检测电压也跟着下降，当 U2脚检测电压低于脚电压时，其脚输出高电平，Q2、Q3 导通继续充电，如此周而复始，使 D3 的负端电压维持在某一设定值。调节 VR1 可以改变充电电压值。4、电池充电限流原理：在充电的过程中，电流经 Q3、RLY1-B、F1、BAT、R20 回到地（AGND） 。在电池充电的初限 流 点0IBUUS电 池 回 路 等 效 电 路 充 电 电 流 与 电 池 电
23、压 关 系 图rATR2EVCGND共 10 页 第 9 页GNDU2Q1R87ZB7653R4TL+-13INPUT-+A0FANOUTFANOUT-14CO2C期，因电池电压比较低，流经 Q3、RLY1-B、F1、BAT、R20 的电流就会增大，那么在 R20 上产生的压降就会增大(R20 为电流取样电阻)。电阻 R20 的上端 S 点经 R11 连接到 U2B 的同相输入端脚，U2B 的反相输入端脚有一固定参考电压，当 R20 上的压降超过参考电压时，U2 脚输出高电平，经 D2、R15 给 Q1 提供偏置电压，Q1 因此导通。Q1 导通后 Q2 因失去基极电压而截止，将使线 回路中就没有电流流过，R20 上的压降消失，U2脚输出低电平，Q1 截止，Q2、Q3 导通继续充电，如此周而复始，就将充电电流限制在某一设定值范围内。调节 R10、R11 可改变限流点。5、电池欠压关断原理： 当输入电压没有时，电池电压经 D6 给后级和电池启动、关断电路供电。当电池电压下降，U3脚电压也跟着下降，在电池电压下降至设计关断点时（也就是 U3脚电压低于 2.5V 时） ，U3 不导通，OT1 不发生光电藕合，Q4 无偏置而截止，继电器 RLY1-A 的线圈中没有电流流过，继电器触点 RLY1-B 断开，将电池 BAT 从电路中断
25、开，防止电池过放电而损坏。改变R26、 R27 的阻值，可以改变电池欠压关断时的电压值。十二、智能风扇散热： 1、在开关电源中，对电源进行散热的方式有很多种，智能散热就是其中之一。它是随电源工作 时的温度高低，来调节散热风扇的工作电压而改变风力大小，达到最佳散热效果。有着节能的目的。其原理图如下： 2、工作原理：输入电压由 INPUT 端（1213V）输入，R6 为 U2 提供工作电压，R7、R8 阻值相同，分压后为 TL431 提供触发电压，使 A 点的基准电压在+5V ；RT1 为负温度系数热敏电阻，经R1、R2 分压加在 U1 的反相输入端 脚。R5 为输出电压取样电阻，与 R4 分压后
26、加在 U1 的同相输入端脚；Q1 为电子开关管；风扇电压由 FANOUT 端输出。在刚通电的时候，由于 Q1 还没导通，C 点无电压， U1 的脚电压高于脚，因此 U1脚输出低电平，Z1 击穿导通，Q1 导通，C 点有电压输出；应 Q1 的发射极接输入电压端，因此C 点电压约等于输入电压，经 R5 与 R4 分压后加在 U1 的同相输入端脚，使脚电压高于脚电压，U1脚输出高电平，Z1 不导通，Q1 不导通，C 点无电压输出；使脚电压又低于脚电压，U1脚又输出低电平，如此反复最终使 C 电压稳定在某一值（因脚电压不变）；也就是说 C 点的电压是随 B 点的电压变化而变化的。开关电源工作的初期（或
28、压也跟着升高，风扇因工作电压升高而转速加快、风力加大。当机内温度下降后，热敏电阻内阻逐渐增大，B 点电压下降，C 点的输出电压也降低，风扇因工作电压低而转速变慢、风力小。当 B 点电压（温度）升高到一定程度时，U1 脚电压高于脚基准电压，U1脚输出高电平，一路经 D1、R13 返回到 B 点，使 U1脚始终输出高电平（也就是自锁）；另一路经 D2 输出到过温保护电路，实现过温保护功能。十三、均流技术： 1、在通讯设备或其它用电设备中，为了使系统不间断的工作，对供电系统的要求就很高。除了 要求电源本身的性能要稳定外，另一种方法就是采用 1+1 备分的方式，就是一台设备用两台电源并联供电，当其中的
29、一台损坏，另外一台可继续给系统供电。在正常工作时，每台电源提供的能量相等，也就是它们输出的电压、电流基本一致。为了使每台电源输出的电压、电流基本一致，就要用到均流技术。原理如下图所示：均流电路原理图2、工作原理：U1A、R1R7、C1 C5、 VR1 组成电流取样电压放大器；U1B 、D1 组成电压跟随器；R10 为均流电压输出电阻；R11R14、U2A、C6C10 组成平衡电压比较器；R15 R17、 Q1 为电子开关； R30R33 、C17、C18、U2B 组成过流保护电路；R19 28、D2 、D3、D4、C12C14、Q2 是电源的输出电压稳压环路，其中D2、D3、R19R21 为输
30、出电压取样电路。D6 为输出隔离二极管。电源在工作时，由电流环或锰铜丝检测的电流取样电压由+IS、-IS 加入 U1A 组成的电压放大器进行放大，经 R5、R6、R7、VR1 分压后分两路输出，一路送入 U1B 电压跟随器，D1起隔离作用，防止均流母线上的电压变化对前级电路产生影响，另一路送过流保护电路。经过电压跟随器后的电流取样电压又分为两路，一路经 R10 输出作为均流信号电压 JL+，另一路经 R11 送入 U2A 组成的平衡电压比较器与 U2脚的参考电压进行比较，当 U2脚电压高于脚电压，其输出高电平，Q1 基极得电导通，将 R17、R18 并入输出电压取样电路，使输出电压升高，输出电压升高后输出电流就会减小，检测的电流取样电压也就降低，均流信号电压 JL+降低，U2 脚电压低于脚电压，其 输出低电平，Q1 截止，R17、R18 从输出电压取样电路中退出，输出电压降低。如此循环，最终使输出电压、电流保持稳定。如右图，当两台电源并机工作时，其输出端是并接在一起的，均流信号线也连接在一起。现在假设电源 A 的输出电流 Io1 大于电源 B 的输出电流 Io2，在两台电源内部的电并 机 均 流 示 意 图Io12U均 流 母 线 负 载GND+电 源 B电 源 AJL
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