自激振荡开关电源分析(共17页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上自激振荡（RCC）开关电源中山市技师学院 一、概述目前市场上销售的手机充电器，从电路结构和充电方式上可分为两大类：第一类是“机充式”充电器，另一类是“直充式”充电器（也叫座充）。所谓“机充式”充电器，就是电源进入手机后由充电管理IC控制预充电、恒流充电、恒压充电、电池状态检测、温度监控、充电结束低泄漏、充电状态指示等（比SL1051、BQ/2/3等），输出电压一般在5.56.5V；而“直充式”充电器也叫万能充电器，直接对电池充电，由于锂电池（充）满电压为4.2V，所以这类充电器输出电压一定要稍小或等于4.2V。手机充电器输出功率都比较小，一般在5W以下，国内厂商生产的充电器由于许多国外知名公司的手机充电几乎都由国内厂商代工，所以该处应理解为国内厂商生产的自主品牌的内销充电器，下同。更是小到2-3W。为了节约成本，国内许多厂商都采用RCC（Ringing Chock Converter）开关电源设计方案。RCC设计方案理论技术成熟、电路结构简单、元器件常见、成本低廉，所以深受国内厂商青睐。然而，读者可能耳闻目睹许多充电器质量事故频频发生，原因不是产品原理有问题，而是制造厂家为了追求利润使用了质量较差元件或二次回收元件造成的；更有甚者部分厂商为了能在激烈的市场竞争环境下生存，不得不使出最下策只要能输出电压，尽其所能地节省元件!另外，国内厂商生产的充电器初、次级通常没有设计光藕（反馈），因此输出电压很难控制，负载能力较差，空载时输出电压偏高，带上负载后电压才正常。从目前市场上流通的充电器来看，成本基本在2-3元之间。国外知名公司出于市场定位和维护自身品牌形象考量，一般采用集成电路设计方案，电路结构完善、生产用料考究、产品可靠性高，成本通常是国内厂商的3-5倍，质量当然要好。由于手机充电器输出功率较小（对电网干扰小）、产品受体积所限（消费者审美要求和拼比心理把厂家“逼上梁山”），无论国内厂商还是国外知名公司出品的手机充电器，输入侧电源滤波器（与EMC测试有关的元器件）都一概省去，部分国内厂商更是把“热地”与“冷地”之间的安规电容（Y电容）也节省掉了，所以，几乎没有任何一个厂家的手机充电器能通过EMC测试。既然通不过EMC测试，依照中国法律就不能销售，因此厂家就打“擦边球”，把充电器定位为赠品，国家对电器赠品并没有强制安规要求。再则，质量认证部门考虑到手机充电器输出功率小、对电网干扰小，在对手机作认证时对充电器“睁一只眼、闭一只眼”，于是，不符合国家标准的手机充电器就堂而皇之地进入市场了。当然，对于用户来说这些元器件的存在与否与充电的电性能几无关系，并不会影响消费者正常使用，只是与国家标准要求不符而已！RCC充电器电路结构简单，工作频率由输入电压与输出电流（自适应）改变，控制方式为频率调制（PFM），工作频率较高，如图1是RCC充电器原理框图。是整流滤波后的直流电压，DC-DC变换器包括变压器和开关元件，输出电压经电阻R1、R2分压采样与基准电压比较，差值进入PFMPFM是英文Pulse Frequence Modulation缩写，脉冲频率调制之意，RCC变换器的工作方式，而集成式开关电源大都为PWM工作方式，PWM是英文Pulse Width Modulation缩写，脉冲宽度调制之意。控制器，输出信号控制开关元件的导通/截止，从而调节输出电压。本文介绍的几种RCC开关电源，由于图1中的部分环节就被省掉了，整机的可靠性大为降低。图（1） RCC充电器原理框图本文通过对几种不同RCC充电器电路关键节点波形的测试分析，简述它们的工作原理，依据电路结构特点，提示读者正确辩识它们性能的优缺点，最后顺便讲述一些开关电源的通用电路知识，在此过程中体验数字存储示波器在电子测量和原理分析中的应用。希望读者通过该文的阅读，对RCC充电器有一定认识，若读者能在该文的指导下排除充电器的简单故障，乃读者之幸，笔者之幸甚也！二、RCC变换器测试分析图2是深圳市某电子有限公司生产的“快速手机充电器”（厂家命名）。产品规格：输入 AC180-240V 50/60Hz 0.1A 输出 DC6.5V 500mA MAX图（2）图3是东莞市某电子科技有限公司生产的万能手机充电器。产品规格：输入 AC220V 100mA 输出 DC4.2V 180±80 mA 适用于250-3000mAh（毫安时）电池 图（3）图4是中山市某电子有限公司给中山市小霸王电子公司配用的MP3/4/5充电器。产品规格：输入 AC110-250V 50/60Hz 0.1A 输出 DC5V 300 mA 图（4） 中山市小霸王电子公司MP3/4/5配用的充电器深圳市某电子有限公司生产的“快速手机充电器”完整电路如图5。为方便说明问题，图中专门标注了P1-P6共六个测试点，其中P4最为关键。借助数字存储示波器，提取关键点的波形，帮助大家分析电路的工作方式，因此P4测试点波形会在多个图中出现，以期对比之用。市电经保险电阻R1输入（也叫熔断电阻，兼具电阻和保险丝的双重功能），经D1D4桥式整流、C1滤波后到开关变压器。厂家在设计时保留C1的位置，但是实际生产时并没有安装，为了测试需要笔者加装之，如图2（个头大点），轻载时P1点电压约300V（图6测量值为）。电阻R2阻值较大，给Q1提供启动电流（R2也叫起动电阻，系统一旦正常工作，R2不再起控制作用，断开它系统仍能正常工作）。刚上电时先由R2使Q1导通，变压器主绕组（-）产生自感电动势，极性“正负”，辅助绕组（-）极性“正负”、经C3&R7支路加到Q1的基极,Q1迅速饱和导通，集电极电流线性增加正反馈效应（通俗地说就是一旦导通就让它狠狠地通）。此时次级绕组极性“负正”，整流二极管D8反偏截止，变压器主绕组蓄积能量。开关管Q1的集电极电流增加到接近峰值时，变压器主绕组极性反转“正负”，辅助绕组“负正”，Q1基极有反向偏置电流Q1截止正反馈效应（通俗地说就是一旦退出导通就快速地截止）。专心-专注-专业图（5） 深圳市某电子有限公司生产的“快速手机充电器”此时次级绕组“正负”，D8正偏导通，变压器主绕组蓄积的能量瞬间耦合到次级，由次级再释放给负载。RCC充电器属自激振荡开关电源，它无需激励电路就可自由振荡持续工作（工作方式类似无线电2009年第七期电子镇流器中VT1、VT2交替开关），正常工作时P2、P4点电压波形如图7。如果没有C1电路仍然能正常工作，但是整流后的100Hz脉动直流周期性冲击Q1，使Q1工作于险恶的环境下，它的安全性能大打折扣。 图（6） P1点电压波形 图（7） 1是P2点电压波形，2是P4点电压波形R4是一个非常关键的元件，P5点电压与Q1发射极电流成正比，电压越高Q1发射极电流越大，如图8信号CH1。 图（8） 1是P5点电压波形，2是P4点电压波形 图（9） P5点电压波形图8显示在某负载下P5点电压峰值约为472mV ()，由此可知Q1发射极电流峰值约为69.4mA（472mV/6.8）。此时，还可以粗略计算出占空比D（=/），方法如下：关掉通道CH2拉开波形，如图9，启用数字存储示波器测量功能，测量Q1导通时间=1.52us，而开关频率，即，因此这个数值显示负载比较轻！理论分析：若以热地为参考点，当辅助绕组“正负”时P3电压为零（实际上约为-0.6V，D7的箝位作用），当辅助绕组“正负”时P3电压为某个高电压，那么P3点电压状况究竟如何？实测P3点电压波形如图10，图10显示P3点电压近似矩形波，低电平宽、高电平窄（占空比D小），高电平峰值接近40V，该电压是辅助绕组自感电动势与电容C4电压的叠加。图（10） 1是P3点电压波形，2是P4点电压波形需要说明一下：正常工作时P6点电压相当稳定，电压值约5.7V，该值等于D5反向击穿电压和Q2发射结之和。三、RCC变换器等效拓朴电路研究图5中辅助绕组整流方式和控制电路不太符合大家的欣赏习惯，它的的等效拓朴电路结构如图11这个电路就是笔者之一葛中海于2004发表在贵刊年第七期的简易手机镍氢电池充电器原理解析文中讲过RCC变换器，有兴趣的读者可去查找它的完整电路。图（11） 反馈绕组及相关电路等效拓朴结构图11反馈绕组及相关电路等效拓朴结构与图5工作原理基本相同，区别只是P3点电压波形如图10，沿纵向向下平移因为图5开关管导通时P3点电压是反馈绕组感生电压与C4电压之加，而图11开关管导通时P3点电压就是反馈绕组感生电压，如图12。需要说明的是这个电路Q1具有过流保护功能，当P5点电压升高0.7V以上Q2导通， 拉低P4点电压保证Q1的安全运行。图（12） 1是P3点电压波形，2是P4点电压波形图5中D7用于设置C4正极的直流电位，稳压值越大C4正极直流电位越高；由于初、次级之间没有反馈通路，次级输出电压就由D7稳压值和主、辅绕组参数而定，稳压值越大输出电压越高，反之亦反；而等效拓朴电路中D7用于设置C4负极的直流电位，稳压值越大C4负极直流电位越低，同时输出电压越高，反之亦反。顺便提示：同样负载下图12电路开关工作频率升高为106kHz（频率高乃效率高）。有些公司为了节省成本干脆把Q2去掉，在P4与地之间串入一只几千欧的电阻作为稳压管D7的限流电阻，电路结构进一步简化，如图13。需要说明的是简化电路结构安全性、可靠性都降低了。由于本电路Q1不具有过流保护功能，所以当电路工作异常时，Q1和R4很容易同时烧断。图（13） 反馈绕组及相关电路等效拓朴结构图（简化）实测图13电路P3、P4点电压波形如图14。 图（14） 1是P3点电压波形，2是P4点电压波形 图（15） 轻载间歇振荡现象（原电路P3点电压波形）笔者实际的测试体验：同样负载下，开关管发热最小的是图11等效拓朴电路，图5和图13差不多。需要说明的是，当负载较轻时Q1的基极电流会相应减小，集电极电流峰值也减小，同时导通时间也随之变短，另外，输入电压的升高也会引起导通时间变短。可以想象：当输入电压最高，输出功率最小时也最短；若输入电压升高，输出电流又下降，它作为最小值的输入电压与输出电流的界限时，就不能维持正常振荡，从而出现间歇振荡现象，见图15。该电路次级输出与初级没有反馈通路，所以输出电压不是绝对的稳定。实际上充电器设计时是以输入电压220V时来考量的，若输入电压减小很多，输出电压也会适当下降，负载很重时输出电压也会下降。四、其它电路认识图16东莞市某电子科技有限公司生产的万能手机充电器，该图反馈绕组及相关电路采用图11等效拓朴结构。厂家为了节约成本，只用一只高压二极管整流，虚线框内的器件是笔者补画上的，原电路板根本没有设计上，见图3。端子J1和J2由导线接到面壳的两个弹片，作为电池的充电通路。U2是变色灯，外形如是透明的LED，内部有3个发光二极管管芯，并配有单片机控制3个发光二极管单独或混合发光，并按一定时间规律循环发光，有6、7种不同的发光颜色，是近几年新出的器件，本图由笔者自编符号。R7给Q3提供基极电流，Q3导通、输出电压由R16、R17分压后控制U2，而 R7 和U2组合又反过来调控Q3基极电位。正常工作时U2的2脚为2.5V，因此Q3输出电压被调整到约4.3V（Q3基极约4.9V），当该电压由于某种原因升高（或降低）时，经R16、R17分压后控制U2，使U2吸纳的电流增大（或减小），由于R7的调压作用，使Q3输出电压保持稳定。再来分析本电路是如何充电的！初始观察Q4Q7及外围电阻R11R14，电路呈对称分布，连给电池充电的地线都没有，怎么能充电呢？虽然电路呈对称分布，但参数不可能完全一致。假设Q4先导通（基极有电流通路：基极R11R13Q7发射结），发射极输出高电平，该电平立即促使Q6导通J1接地（若没有Q6，Q4和Q7基极都有偏置电压，它们导通把Q3输出电压接地），Q4维持导通电路自锁！J2为高电平。假设Q5先导通（基极有电流通路：基极R14R14Q6发射结），发射极输出高电平，该电平立即促使Q7导通J2接地（若没有Q7，Q5和Q6基极都有偏置电压，它们导通把Q3输出电压接地），Q5维持导通电路自锁！J1为高电平。上述分析认为端子J1和J2“谁高谁低”完全是随机的，无论电路是哪种导通组合通路电流都很小。当电池装入时情况将发生奇妙的变化J1和J2“谁高谁低”完全由电池装入的极性而定！当J1接电池正极、J2接电池负极，Q5、Q7组合导通给电池充电；当J1接电池负极、J2接电池正极，Q4、Q6组合导通给电池充电，因此这种电路不存在因电池装反致坏之事，所以称万能充电器。U3变色灯工作方式如下：空载或负载较轻时Q8发射结临界截止、输出电压较低，不足以驱动U3工作。当负载较重时Q8发射结达0.7V以上，流过R8的电流约90mA100mA，Q8饱和导通、输出电压较高。给电池充电的电流一部分来至R8，另一部分来自Q8发射结。图17是中山市小霸王电子公司MP3/4/5配用的充电器，USB接口输出、适合于小巧精致的袖珍电器充电，该图反馈绕组及相关电路采用图13等效拓朴结构。厂家为了节约成本，只用一只高压二极管整流，见图4。另外，本电路初、次级虽有光耦反馈控制，但是次级电压取样和电压比较放大环节电路原理设计有问题，所以输出电压也不稳定。需要说明的是，无论采用哪种电路拓朴结构，最常损坏的器主要都是开关管、开关管发射极电阻和稳压管，部分充电器开关管烧穿后引起保险电阻烧断，因此在检修时特别留意这几个位置的元器件。13001是小功率晶体管，电流放大倍数约20左右，TO92封装，可以代换它的小功率晶体管有XW6822和BV68，如图5。图（16） 东莞市某电子科技有限公司生产的万能手机充电器图（17） 中山市小霸王电子公司MP3/4/5配用的充电器五、开关电源一般知识1反馈电路开关电源次级反馈控制电路一般采用图18的电路结构，输出电压可以表示成，其中。TL431是这个电路的核心器件， R3和R4是采样电阻，由于TL431基准端基本不取电流，R3、R4分压节点的电压为2.5V，若由于某种原因使输出升高，节点电压随之升高， TL431导通增强、吸纳更多电流，于是光耦二极管发光增强，从而控制初级开关电路，使输出电压降低。若输出降低反馈电路同样能自适应调整，使输出电压升高。关于这个电路的结构和参数选择，有更多的专业知识和工作经验需要补充，但是，因篇幅所限，在此从略。图（18）开关电源标准反馈控制电路2RCD吸收电路参看图5，R8、C6和D6 构成RCD吸收电路（电阻、电容和二极管），用以吸Q1截止时变压器主绕组产生的反电动势。因为Q1截止时变压器主绕组产生的反电动势极性“负正”，该电压与电源同相串联施加到开关管Q1的集电极，Q1集电计将承受很高的电压，增加 RCD吸收电路可以适当减小峰值电压（原理类似于三极管控制继电器，在继电器两端反并联二极管，三极管由导通截止时，继电器线圈感生电动势由反并联二极管提供电流通路、释放能量）。既使有RCD吸收电路保护，在Q1刚截止时集电极的电压仍然高达400V左右，见图7。若没有RCD吸收电路，Q1集电极电压更高这是Q1安全工作的一大隐患。许多国内厂商对RCD吸收电路认识不足，个别厂商更认为它可有可无，如图2东莞市某电子科技有限公司生产的万能手机充电器干脆把RCD吸收电路去掉了可以想象这个充电器安全工作状况如何了！既使国内部分厂商保留该电路，但是对它的参数选择也是一塌糊涂，比如电阻阻值偏大、功率偏小，电容容量偏小、耐压偏低，很多厂商直接用1N4007，这哪儿成啊！1N4007是低速管，该处是高频信号，用高速管才行啊！对RCC手机充电器而言，RCD吸收电路经验参数如下：电阻47K82K，电容102-472/1000V，二极管：高速管。3电源滤波器 为了提高整个系统EMC抗干扰性能，大功率开关电源在电源输入一般会串入电源滤波器，如图19。其中C1、C2用于抑制“共模干扰”，C3、C4用于抑制“差模干扰”，NTC是负温度系数的热敏电阻，可以减小上电瞬间大电流对C5的冲击，正常工作约10。图（19） 电源滤波器如图20是保定市四北电子有限公司出品的SKDX-0610A开关电源局部，该部分就是电源滤波器。图（20） 电源滤波器实物图为了减小输出电源的纹波，有的公司把次级整流后的单个电容滤波改为型滤波器，电路如图21。这个电路结构同样适用于输入侧，如图5方框A位置，只是电容要换成高压型，在输出功率不大的情况下，电解电容的容量一般取值几uF几十uF，电感的感量几uHF十几uH。图22是丹阳市辰阳电子科技有限公司为夏新公司生产的TA7型手机充电器，设计者考虑到13001功率太小，改为13003作为开关管，反馈电路采用18标准结构，稳定性和可靠性都比较高。从实物图可以看出该充电器设计精细、用料考究，比珠三角地区杂牌厂生产的充电器“真实”多了！ 图（21） 型滤波器图（22） 型滤波器实物另外，大家可能对整流图（1）次级整流二极管D5的位置觉得很别扭，很不符合大家的观察习惯，把它移动到虚线框B位置即可（原理上是等效的）。