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整管、變壓器輔助繞組構成正反饋通路，實現自激振蕩，再借助反饋信號穩定電壓輸出。由于調整管兼作振蕩管，所以無須專設振蕩器，故所用的元器件較少，電路簡單，成本低，在一定程度上簡化了電路。由于自激式電源適配器經濟實用，目前仍有較多的電子設備采用自激式電源適配器，如手機充電器、打印機、自動化儀器儀表、電視機和顯示器等。

電源適配器廠家玖琪實業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成、原理和特征波形，在此基礎上，以幾種電子設備的實例電路為載體，結合關鍵點的電壓或波形，一一解析它們的工作原理，希望引領讀者進入電源適配器的萬千世界。

自激式電源適配器的工作原理

現在所有由市電供電的AC-DC設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，控制開關變壓器一次繞組存儲輸入電源的能量，通過二次繞組進行能量釋放。顯然，電源適配器的輸入與輸出是通過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度均可達到很高，這一特點對用電安全尤為重要。

1．自激式電源適配器的定義
開關管的激勵脈沖是由變壓器輔助繞組與開關管構成的正反饋環路自激振蕩產生的，被稱為自激式電源適配器。由于自激式電源適配器的調整管兼作振蕩管，因此無須專設振蕩器。除非特別說明，本書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。

2．自激式電源適配器的特點
①自激式電源適配器的結構簡單，生產制造成本低廉。
②自激式電源適配器的脈沖信號是自激振蕩產生的，是一種非固定頻率的轉換電路，隨輸入電壓和負載的變化而變化，輕載時開關頻率較高或間歇振蕩，滿載時頻率會自動降低。
③自激式電源適配器在占空比D發生改變時，開關管的IC與UCE相對值發生變化，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功能，一旦負載過重，必然破壞反饋條件，振蕩將因損耗過大而減少或間歇振蕩，因此保護電路比較簡單，這是自激式電源適配器的一大優點。
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載電流的變化而變化，在高功率、大電流工作時穩定性差，故僅適宜60W以下的小功率場合。由于許多辦公設備、手機充電器和儀器儀表等都在這個功率范圍之下，故自激式電源適配器的使用相當普遍。

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是輸入交流電壓經整流的直流電壓；CI是整流電壓的濾波電容；是功率開關管VT的啟動電阻；RB、CB與變壓器輔助繞組構成VT的振蕩電路；T是開關變壓器，一次繞組用于儲能及一、二次繞組之間的能量耦合，輔助繞組產生正反饋信號；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給負載RL供電。

初始上電時，電阻給VT提供啟動電流開始導通。VT一旦導通，變壓器T一次繞組因有電流流過而發生自感，自感電動勢（或自感電壓）U1的方向為“上正下負”，阻止電流的增大；另一方面，一次繞組與二次繞組、輔助繞組發生互感。根據變壓器T同名端符號（圓黑點）可知，二次繞組感應動勢U2的方向為“上負下正”，二極管VD反偏截止；輔助繞組感應動勢UA的方向也為“上正下負”，加速VT導通。
當VT趨向于截止時，一次繞組因電流減小而發生自感，同時，一次繞組與二次繞組、輔助繞組發生互感。所有繞組的電壓極性反轉，一次繞組自感電動勢的方向阻止電流的減小（此時一次繞組自感電動勢U1與電源電壓UI順向疊加），二次繞組感應電動勢的方向使二極管VD正偏，輔助繞組感應電動勢UA的方向加速VT截止。
關鍵節點電壓和支路電流波形如圖3-2所示。在VT導通（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載。在VT從導通到截止轉換瞬間，變壓器一、二次繞組依次出現峰值電流I1P、I2P(3)（見圖（a）、（b））。一、二次繞組均為脈沖電壓，且相位相反（見圖（c）、（d））。UF為整流二極管導通壓降，U2的正脈沖等于輸出直流UO與UF的疊加。

tOFF結束時，變壓器一次繞組感應電動勢自由振蕩返回到零。VT基極連接的輔助繞組也稱正反饋繞組，因變壓器互感產生正反饋信號控制功率管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關轉換電路，通過功率管周期性通、斷，將輸入的直流電壓變成脈沖電壓，經變壓器由一次耦合到二次，再經二極管整流與電容濾波供給負載。在這種電路中，由于功率管起著開關及振蕩的雙重作用，省去了控制電路，所以電路比較簡單。
圖為自激式電源適配器的分時等效電路。L1、L2分別為一、二次繞組的電感。圖（a）為tON期間開關管VT導通，T一次繞組兩端所加電壓為UI；tON即將結束時，一次繞組的電流達到峰值，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中無電流，故變壓器一、二次繞組無相互作用。二次側濾波電容CO單獨放電、電壓降低，供給負載輸出電流iO。CO的選擇應保證在提供負載電流的同時能滿足輸出電壓的紋波和壓降的要求。
圖（b）為tOFF期間開關管VT截止，T一次繞組沒有電流，故圖中未畫出。這期間，一次繞組吸收的能量轉移到二次側，整流二極管VD導通，一邊給電容CO充電、電壓升高，一邊給負載供電，變壓器釋能、電感消磁。
tON向tOFF轉化瞬間，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，若變壓器一次側的能量全部轉移到二次側，則