自激式電源適配器的工作原理

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自激式電源適配器的工作原理

自激式電源適配器利用調(diào)整管、變壓器輔助繞組構(gòu)成正反饋通路，實(shí)現(xiàn)自激振蕩，再借助反饋信號(hào)穩(wěn)定電壓輸出。由于調(diào)整管兼作振蕩管，所以無(wú)須專設(shè)振蕩器，故所用的元器件較少，電路簡(jiǎn)單，成本低，在一定程度上簡(jiǎn)化了電路。由于自激式電源適配器經(jīng)濟(jì)實(shí)用，目前仍有較多的電子設(shè)備采用自激式電源適配器，如手機(jī)充電器、打印機(jī)、自動(dòng)化儀器儀表、電視機(jī)和顯示器等。

電源適配器廠家玖琪實(shí)業(yè)為大家講述變壓器耦合型自激式電源適配器基本電路的構(gòu)成、原理和特征波形，在此基礎(chǔ)上，以幾種電子設(shè)備的實(shí)例電路為載體，結(jié)合關(guān)鍵點(diǎn)的電壓或波形，一一解析它們的工作原理，希望引領(lǐng)讀者進(jìn)入電源適配器的萬(wàn)千世界。

自激式電源適配器的工作原理

現(xiàn)在所有由市電供電的AC-DC設(shè)備幾乎全部采用變壓器耦合型電源適配器，也稱為隔離型電源適配器(2)。功率管周期性通、斷，控制開(kāi)關(guān)變壓器一次繞組存儲(chǔ)輸入電源的能量，通過(guò)二次繞組進(jìn)行能量釋放。顯然，電源適配器的輸入與輸出是通過(guò)變壓器的磁耦合傳遞能量的。由于變壓器繞組之間是絕緣的，因此一、二次繞組完全隔離，即“熱地”和“冷地”是絕緣的，且絕緣電阻和抗電強(qiáng)度均可達(dá)到很高，這一特點(diǎn)對(duì)用電安全尤為重要。

1．自激式電源適配器的定義
開(kāi)關(guān)管的激勵(lì)脈沖是由變壓器輔助繞組與開(kāi)關(guān)管構(gòu)成的正反饋環(huán)路自激振蕩產(chǎn)生的，被稱為自激式電源適配器。由于自激式電源適配器的調(diào)整管兼作振蕩管，因此無(wú)須專設(shè)振蕩器。除非特別說(shuō)明，本書(shū)講述的自激式電源適配器均是指自激式變壓器耦合型電源適配器。下面就介紹這方面的知識(shí)。

2．自激式電源適配器的特點(diǎn)
①自激式電源適配器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)制造成本低廉。
②自激式電源適配器的脈沖信號(hào)是自激振蕩產(chǎn)生的，是一種非固定頻率的轉(zhuǎn)換電路，隨輸入電壓和負(fù)載的變化而變化，輕載時(shí)開(kāi)關(guān)頻率較高或間歇振蕩，滿載時(shí)頻率會(huì)自動(dòng)降低。
③自激式電源適配器在占空比D發(fā)生改變時(shí)，開(kāi)關(guān)管的IC與UCE相對(duì)值發(fā)生變化，因此D變化范圍較小，一般小于50％。
④自激式電源適配器具備一定的自保護(hù)功能，一旦負(fù)載過(guò)重，必然破壞反饋條件，振蕩將因損耗過(guò)大而減少或間歇振蕩，因此保護(hù)電路比較簡(jiǎn)單，這是自激式電源適配器的一大優(yōu)點(diǎn)。
⑤自激式電源適配器的電流峰值高、紋波電流大，由于工作頻率隨輸入電壓和負(fù)載電流的變化而變化，在高功率、大電流工作時(shí)穩(wěn)定性差，故僅適宜60W以下的小功率場(chǎng)合。由于許多辦公設(shè)備、手機(jī)充電器和儀器儀表等都在這個(gè)功率范圍之下，故自激式電源適配器的使用相當(dāng)普遍。

自激式電源適配器的工作原理
圖為自激式電源適配器的基本電路。UI是輸入交流電壓經(jīng)整流的直流電壓；CI是整流電壓的濾波電容；是功率開(kāi)關(guān)管VT的啟動(dòng)電阻；RB、CB與變壓器輔助繞組構(gòu)成VT的振蕩電路；T是開(kāi)關(guān)變壓器，一次繞組用于儲(chǔ)能及一、二次繞組之間的能量耦合，輔助繞組產(chǎn)生正反饋信號(hào)；整流二極管VD和電解電容CO組成整流濾波電路，輸出平滑的直流電壓UO給負(fù)載RL供電。

初始上電時(shí)，電阻給VT提供啟動(dòng)電流開(kāi)始導(dǎo)通。VT一旦導(dǎo)通，變壓器T一次繞組因有電流流過(guò)而發(fā)生自感，自感電動(dòng)勢(shì)（或自感電壓）U1的方向?yàn)椤吧险仑?fù)”，阻止電流的增大；另一方面，一次繞組與二次繞組、輔助繞組發(fā)生互感。根據(jù)變壓器T同名端符號(hào)（圓黑點(diǎn)）可知，二次繞組感應(yīng)動(dòng)勢(shì)U2的方向?yàn)椤吧县?fù)下正”，二極管VD反偏截止；輔助繞組感應(yīng)動(dòng)勢(shì)UA的方向也為“上正下負(fù)”，加速VT導(dǎo)通。
當(dāng)VT趨向于截止時(shí)，一次繞組因電流減小而發(fā)生自感，同時(shí)，一次繞組與二次繞組、輔助繞組發(fā)生互感。所有繞組的電壓極性反轉(zhuǎn)，一次繞組自感電動(dòng)勢(shì)的方向阻止電流的減小（此時(shí)一次繞組自感電動(dòng)勢(shì)U1與電源電壓UI順向疊加），二次繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向使二極管VD正偏，輔助繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)UA的方向加速VT截止。
關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電壓和支路電流波形如圖3-2所示。在VT導(dǎo)通（tON）期間，變壓器T一次繞組從電源電壓UI蓄積能量；在VT截止（tOFF）期間，變壓器T蓄積的能量釋放給負(fù)載。在VT從導(dǎo)通到截止轉(zhuǎn)換瞬間，變壓器一、二次繞組依次出現(xiàn)峰值電流I1P、I2P(3)（見(jiàn)圖（a）、（b））。一、二次繞組均為脈沖電壓，且相位相反（見(jiàn)圖（c）、（d））。UF為整流二極管導(dǎo)通壓降，U2的正脈沖等于輸出直流UO與UF的疊加。

tOFF結(jié)束時(shí)，變壓器一次繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)自由振蕩返回到零。VT基極連接的輔助繞組也稱正反饋繞組，因變壓器互感產(chǎn)生正反饋信號(hào)控制功率管VT通、斷，即所謂自激振蕩。
由上述工作原理可知，自激式電源適配器是以功率管和變壓器為主要元件組成的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)功率管周期性通、斷，將輸入的直流電壓變成脈沖電壓，經(jīng)變壓器由一次耦合到二次，再經(jīng)二極管整流與電容濾波供給負(fù)載。在這種電路中，由于功率管起著開(kāi)關(guān)及振蕩的雙重作用，省去了控制電路，所以電路比較簡(jiǎn)單。
圖為自激式電源適配器的分時(shí)等效電路。L1、L2分別為一、二次繞組的電感。圖（a）為tON期間開(kāi)關(guān)管VT導(dǎo)通，T一次繞組兩端所加電壓為UI；tON即將結(jié)束時(shí)，一次繞組的電流達(dá)到峰值，即

式中，L1為一次繞組的電感量，電位為亨（H）。

這期間，變壓器T一次繞組從直流電源UI吸收能量為；整流二極管VD中無(wú)電流，故變壓器一、二次繞組無(wú)相互作用。二次側(cè)濾波電容CO單獨(dú)放電、電壓降低，供給負(fù)載輸出電流iO。CO的選擇應(yīng)保證在提供負(fù)載電流的同時(shí)能滿足輸出電壓的紋波和壓降的要求。
圖（b）為tOFF期間開(kāi)關(guān)管VT截止，T一次繞組沒(méi)有電流，故圖中未畫(huà)出。這期間，一次繞組吸收的能量轉(zhuǎn)移到二次側(cè)，整流二極管VD導(dǎo)通，一邊給電容CO充電、電壓升高，一邊給負(fù)載供電，變壓器釋能、電感消磁。
tON向tOFF轉(zhuǎn)化瞬間，一次與二次的安匝比守恒(5)，而不是像真正的變壓器一樣，電壓比守恒。因此，若變壓器一次側(cè)的能量全部轉(zhuǎn)移到二次側(cè)，則