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1、SPS線路架構與工作原理 SWITCHING POWER SUPPLY 羊艷軍 2008/10,一.開關電源基礎概述,電源:只要能供給我們電能的裝置,稱為電源.,電源就其轉換開形式可分為線性電源和非線性電源(即開關電源),開關電源:用半導體功率器件作為開關,將一種電源形態周期性地轉換為另一種電源形態,且在轉換時用自動控制閉環穩定輸出並有保護環節,則稱為開關電源. SPS與LINER的優缺點比較:,二. SPS分類,(一). 按電力電子的習慣分類: 1. AC TO DC 2. DC TO DC 3. DC TO AC 4. AC TO AC,(二). 按傳輸能量分類,1. 反激式(返馳式:Fl
2、yback Converter) 2. 正激式(順向式:Forward Converter) 3. 推挽式(Push Pull Converter) 4. 半橋式(Half Bridge Converter) 5. 全橋式(Full Bridge Converter),(三). 按配線型態分類,1. 升壓型 2. 降壓型 3. 升降壓型,三. SPS共通方框原理圖,AC input,EMI濾 波電路,高壓整流 濾波電路,隔離 變壓器,低壓整流 濾波電路,DC output,開關管,回授 控制電路,PWM邏輯 控制電路,四.开关电源主要組成部分:,包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、变换器、输出
3、整流滤波器、控制电路、保护电路。,1.输入电网滤波器：消除来自电网，如电动机的启动、电器的开关、雷击等产生的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。通常所講的電磁和射頻干擾，簡稱EMI 2.输入整流滤波器：将电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流电压。 3.变换器：是开关电源的关键部分。它把直流电压变换成高频交流电压，并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。 4.控制电路：检测输出直流电压，并将其与基准电压比较，进行放大。调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。 5.保护电路：当开关电源发生过电压、过电流短路时，保护电路使开关电源停止工作以保护负载和电源本身。
4、6.输出整流滤波器：将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干扰,1. EMI濾波電路,L,N,FG,FUSE,NF1,CX2,CX3,CY2,CY1,NF2,NTC,ZNR,EMI:電磁干擾防制濾波電路(Electronic Magnetic Interference),ZNR:壓敏電阻,又名突波吸收器.主要吸收異常高壓尖峰波,並防 雷擊.,FUSE:輸入故障及維護電源之保護.,NTC:負溫度系數之熱敏電阻,抑制瞬時開機之浪涌電流.,CX1,CX2,CX3,NFL1,NFL2組成低頻濾波器.抑制線路中差模 諧波信號.CY1,CY2抑制線對地之共模諧波信
5、號.,附: EMI既能防止電網之異常信號影響電源,又能防止電源產生 諧波信號污染電網.,+,+,_,_,C1,C2,R1,R2,2. 高壓整流濾波電路,SW,115V/230V,D1,D2,D3,D4,u1,V0,+,_,元件功能說明: D1,D2,D3,D4構成橋式整流電路. SW為115V/230V轉換開關, 當u1為低壓時,SW閉合;u1為高壓時,SW斷開.C1,C2為倍壓濾 波大電容.R1,R2在功率開關管截止時,起放電作用.,工作原理: 若SW置115V,此時SW閉合,當u1在正半周時,D1整流,C1充電 至1.414U約為160V.當u1在負半周時,D4整流,C2充電至1.414U
6、 約為160V,故在115V時V0=VC1+VC2=320V. 若SW置230V,此時SW斷開,當u1在正半周時,D1,D3整流,C1, C2分別充電至1.414U.當u1在負半周時,D2,D4整流,C1,C2也 充電至1.414U.故在230時V0=VC1+VC2=320V.,3. 隔離變壓器及開關管,工作原理,1.T1的初級繞組和次級繞組的同名端相反,為返馳式變壓器. 2. 在Q1導通期間,T1初級有電流流過,變壓器儲能. 3. 當Q1管截止時,T1次級產生電流 ,經D1整流後輸出電壓,4. 低壓整流濾波電路,工作原理,1. C1,C2,L1構成型濾波器 2. 當開關管OFF時,T1次級儲
7、存的能量通過D1整流後輸出,經C1,C2,L1濾波後將交流成分降到最低,給終端提供更乾淨的電壓. 3. 當開關管ON時,變壓器不能提供能量給終端,此時只能靠C1,C2,L1本身儲存的能量來維持輸出.,5. 回授控制線路,工作原理,1. 當次級輸出電壓偏高時,流經R1的電流會增大,也即流過PC1的發光二極管的Id 比較大.通過光偶合的作用,感應到PC1的初級部分,此時PC1的I c也會增大,這時就會將IC 3842 Pin2的電位拉下來,IC 3842內部就會調整Duty,使開關管的導通時間減少,經變壓器傳送給次級的能量也會減少,這樣就可以使輸出電壓回饋到正常. 2. 當次級輸出電壓偏低時,流經
8、R1的電流就會減少甚至沒有,這時PC1的I c很小甚至沒有,故IC 3842 Pin2的電位會提高,IC內部就會將Duty拉大,使開關管的導通時間加長,經變壓器傳送給次級的能量更多,這樣就可以使輸出電壓提高到正常電壓.,6. PWM邏輯控制電路,工作原理,1. AC ON後,經啟動電阻R1提供15V的電壓給IC 3842,IC開始工作.Pin6輸出一個Pulse驅動Q1導通.由於IC是定頻的,因此Q1會定頻的開和關. 2. IC Pin1,Pin2,Pin3為回授控制腳,Pin1電壓低於1V OR Pin3電壓高於1V時IC會自動保護,停止工作.,五. 反激式SPS,1. 線路架構,2. 工作
9、原理,1. 當Q1 ON時,T1初級線圈有電流流過,開始儲能,此時次級線圈因為同名端和初級相反而電流被D3擋主無法流通. 2. 當Q1 OFF時,T1 初級線圈極性反轉,次級線圈極性也跟著反轉,此時D3正向偏置,開始有電流流過,產生電壓輸出給終端 3. V2=(n2/n1) (Ton/T off ) V1 V1: 輸入電壓 V2:輸出電壓 n1:初級匝數 n2:次級匝數,六. 正激式SPS,1. 線路架構,2. 工作原理,1.當Q1 ON時,T1 初級線圈有電流流過,開始儲能,同時D3正偏導通有電流流過,開始有電壓輸出. 2.當Q1 Off時,T1 初級線圈儲存的能量反偏後經D4正偏導通有電流
10、流過,再次有電壓輸出. 3. V2=(n2/n1) (Ton/T ) V1,七. RIPPLE/NOISE 之定議,1. Ripple 即連波,直流電壓輸出之脈動成份(交流成份).,2. Noise 即連波上的干擾信號(噪信).,八. RIPPLE/NOISE 的類型,1. Switching ripple/noise,以Forward converter電路為例,如圖所示:,(1) C就是Switching ripple , 其頻率就是 A開關管(or Mosfet) 切換頻率( fs ).,一般釆說,Switching ripple 的大小約為,5mv20mv左右,用示波器或 AET的,2
11、0MHz 頻寬可量測到Switching ripple.,( 2 ) D 就是Switching noise , 若將其信號放大,可發現其頻率大約在15MHz18MHz,甚至更高.,Spec中規定量測Ripple/noise 時,外加鉭質,電容和 0.1uF Cap. 是用來濾除Switching,Noise .,由此可知, 如果ATE治具中電容的位置放得不恰當,則所量測的Ripple/noise 值將,不一樣.,2 . Line Ripple, Line Ripple 即輸入的交流電壓之Ripple .如圖所示:,正常Line Ripple是可以被接受的.,當輸出為Full load 時 ,
12、 Boost Converter 無法保持很穩定的Bulk電壓輸出,會有一個Line Ripple 在Bulk電壓上, 此Line Ripple 就會反映到DC輸出端,被ATE或示波器量測出來.,以 Boost Converter 電路為例 :,3 . Oscillation Ripple,介于 Line Frequency 与Switching frequency 之間,都稱為Oscillation .如圖:,在設計中,Oscillation 是不允許其存在的 ,有可能在某些情況下會使Vp-p超出其Limit 值.,九. Ripple Noise 的來源及其特征.,1.電源中的Switchi
13、ng ripple/noise: 是由開關切換頻率 而來 ,其頻率為切換開關切換頻率 .,2. Line Ripple : 是由輸入線電壓而來的,其頻率為輸入頻率 之2倍 .,3. Oscillation Ripple : 是電路回授不穩定而來 , 波形大小不一.,4. Fan電路干擾引起,其波形存有干擾信號,十. RIPPLE NOISE 不良分析方法, 若是ATE Ripple/Noise不良,必須用示波器確定Ripple/Noise 不良是否,為治具問題還是机台本身問題.,* 若是治具問題 , 則CHECK :,1. ATE 治具端外加電容是否不對或已損坏.,2 . 外加電容位置是否恰當
14、或連線是否有問題.,* 若是机台本身有問題 , 則判斷其來源屬何种 ?,1.,若是Switching Ripple 問題 , 則CHECK,A.輸出電容ESR值是否有問題 ?,B.輸出電容容量是否太小?,C.其它輸出元件中是否有問題?,Yes,Yes,Yes,找 ESR值小的輸出電容,可加大輸出電容容量,No,No,找其它原因,2.,若是Switching Noise, 則CHECK,主Q 是否受到干擾 ? Check Vgs 和 Vds 波形 .,輸出整流二极管或其Snubber circuit 是否異常 ?,Yes,Yes,變更整流二极体或Snubber circuit .,主Q之G极或D
15、极加磁環.,3.,若是Oscillation 引起 Ripple , 則Check :,加大二次側的輸出電容 或用ESR 值低的電容 .,調整回授電路 (最有效之方法),Yes,Yes,4 .若是由 Fan 引起, 則去掉 Fan ,Check Ripple/noise 是否正常?,Yes - 則在FAN 兩端加一顆電解電容濾波.,5 .,若是Line Ripple 如圖, 則Check :,+12V Output Spec:200mv max,(1) 看是否一次側能量傳送不夠 , 可Check PWM IC Isense 點波形 .,(2) 是否為EMI 部分干擾 ,可將Y Cap.加磁 環或主Q加磁環.,(3) 加大一次側之Bulk Cap. 容量 ,是否有改善 ?,(4) 調整二次側回授電路 , 拉高低頻增益 .,( 5)看是否与輸入線電壓頻率有關 ?,我們學習的目的是:,把它用在實際的工作中去!,Thinking,
