开关电源电路分析.docx
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开关电源电路分析
彩电实用开关电源电路分析
在本文中分析常见的TA四片机芯（即东芝Ⅱ型机芯）的开关电源电路。
该电路结构非常典型，应用广泛。
例如，早期的北京牌14英寸、18英寸彩电就采用这种类型的电路。
目前，长虹生产的新型彩电2191（21英寸）、2591（25英寸）也采用这种这种电路。
一、电路基本结构
图1东芝四片机开关电路的原理方框图
图1所示是该开关电源的原理方框图。
这是一个并联型自激振荡式开关电源。
220V交流电经D801～D804四个整流二极管组成的桥式整流器整流后，负极端通过一个限流电阻R801接地。
正极通过C802、C807滤波后（这是一个由电容组成П型滤波电路）。
输出300V左右的直流电压（该电压为波动的直流电压）。
Q801是开关管（NPN型三极管）。
Np是开关变压器的初级绕组。
一端与输入回路，另一端与Q801的集电极相连。
Ns是开关变压器的次级绕组（这是一个有三个抽头的次级绕组，其中第③脚接地），D815、C818和D816、C820分别组成两个半波整流滤波电路。
为负载（指电视机的其它电路）提供114V和24V两种稳定的直流电压。
请注意变压器的同名端。
R803、R804和L801、R807、R809（R809未画出，是Q801基极与地之间的分压电阻）组成启动电路，在电源开启时给开关管提供启动电流。
开关变压器的正反馈绕组Nd（实际上这也是一个次级绕组）和D807～D809、R808、C811组成一个激励电路。
Nd绕组的同名端与激励电路相连，为开关管提供正反馈。
另一端通过R805（这也是一个限流电阻）接地。
Q802、Q803组成一个脉冲宽度调制器，控制开关管饱和、截止工作时间。
开关变压器的负反馈绕组Ng（同名端接地）、R812、D812和Q805、D822组成保护电路，为开关电源提供过压和过流（输出电压过高和输出电流过大）保护功能。
负反馈绕组（取样绕组）Ng、稳压二极管D814（提供基准电压）和取样电位器R851、Q804组成误差放大电路。
去控制Q802和Q803组成的脉冲宽度调制器的工作状态。
间接地控制开关管的饱和、截止工作时间。
起到稳定输出电压的作用。
二、电路及工作原理
图2（最后一页）所示为东芝Ⅱ型机芯的开关稳压电源的电路图。
该电路由输入回路、开关振荡电路、脉宽调制电路、误差放大电路、保护电路、输出回路等六个功能电路组成。
1、输入回路
图3所示为东芝Ⅱ型机芯的开关稳压电源的输入回路。
P801是电源插头，S801是电视机开关。
P580的①、②端是接插件。
F801是交流保险丝，其作用是保护因开关电源内某个元件损坏，而造成的短路。
T803、和C830、C831组成第一级馈线低通滤波器，T801和C801组成第二级馈线低通滤波器。
图中所示的是平衡L型。
把开关电源与交流电网隔离开来，目的：
一是为了滤除掉低频交流电中的高频干扰脉冲。
二是防止开关电源中的高频脉冲干扰交流电网。
图3输入回路
901是消磁线圈，这个线圈是绕在显像管壁上面的，R890是正温度系数热敏电阻。
这两个元件组成一个开机自动消磁电路。
用于消除显像管金属部件的剩磁。
以免造成电视图像的彩色失真。
由D801～D804四个二极管组成桥式整流器，C803～C806组成高频旁路电容。
C802和C807组成一个П型滤波电路，另外，C802还是交直流地之间构成回路的电容，接地端与馈线低通滤波器的电容接地端连在一起。
其接地符号特殊以识区别。
C807是一个容量为120uF、耐压为400V的电解电容（体积较大）。
220V的交流电经整流滤波后，变成约为300V左右的直流电压。
因此，电视机开机后，C802两端电压为300V左右。
电阻R801是限流电阻，阻值较小但瓦数较大，当电流超过额定功率时，电阻会损坏而造成电路的断路。
起到一定的过流保护作用。
2、开关管振荡电路
图4所示为东芝Ⅱ型机芯的开关稳压电源的开关管振荡电路。
300V的直流电压一方面通过开关变压器T802的初级绕组⑴－⑿端给开关管Q801集电极供电，另一方面又通过启动电阻R803、R804，流经L801和R807并联端并与R809分压，为Q801基极提供一个正向偏置电压。
使其导通并进入放大状态。
当开关管Q801的集电极电流流过T802的初级绕组Np时，产生自感电动势，其极性为⑴端为正、⑿端为负。
因此在次级绕组（激励绕组）Nd也产生互感电动势，极性为⑩（同名端）端为正、⑨端为负。
⑩端的电压经D809、C811、R808、R807送至Q801的基极形成正反馈。
该正反馈过程如下所示：
Q801的基极电位上升→基极电流增加→集电极电流增加
激励绕组的互感电动势上升←初级绕组的自感电动势上升←
结果使Q801迅速进入饱和状态。
集电极电流不再增加，T802的初级绕组电流变化率为零，初级绕组的自感电动势降为零。
激励绕组的互感电动势也降为零。
那么给Q801提供的正反馈就消失了。
经一段时间后，Q801退出饱和状态进入放大状态。
此时流经变压器初级绕组的电流开始减小，各绕组产生的感应电动势极性翻转，极性为⑴端为负、⑿端为正、⑩（同名端）端为负、⑨端为正。
基极电流减小又导致集电极电流减小。
从而形成一个反向的正反馈。
该正反馈如下所示：
Q801的基极电流减小集电极电流减小
激励绕组的互感电动势反向上升←初级绕组的自感电动势反向上升←
结果使Q801迅速进入截止状态。
Q801进入截止状态后，流过开关变压器绕组的电流降为零。
变压器绕组产生的感应电动势也逐渐降为零。
16
C807
124
R803
L801R804D8093
C809Q80110
L807R807R808
L806R809C8119
R802R805
D805
图4开关管自激振荡电路
然后，开关管在启动电路提供电流的情况下，又从截止状态重新进入放大状态。
开关变压器的感应电动势的极性，变成⑴端为正、⑿端为负。
因此在次级绕组（激励绕组）Nd也产生感应电动势，极性为⑩（同名端）端为正、⑨端为负。
⑩端正电压又通过C811、D809和R808正反馈网络，以及L804、R807、R809重新使Q801导通。
如此周而复始。
开关管这种振荡工作方式，是间歇振荡器（为自激式）。
正反馈回路由开关变压器次级绕组和电容C811、R808和D809组成。
对于这类变压器并联型自激式开关电源。
有如下特点：
（1）都有一个启动网络，作用是开机时，为开关管基极提供一个启动电流。
通常由电阻串联电路或RC串联电路构成。
（2）都有一个正反馈网络，为开关管自激振荡提供一个正反馈（这与正弦波振荡器中的正反馈作用是一样的）。
通常由RC串联电路或RD、RDC（D是二极管）串并联电路构成。
（3）开关管工作在间歇振荡方式下。
附加元件及电路说明：
（1）在Q801的集电极与地之间接有电容C827，以及发射极与地之间接的电感L806（高频阻流圈），是用来抑制开关管振荡过程中产生的高次谐波干扰。
（2）由C809、L807和R802、D805构成一个削波电路。
以避免开关管从饱和到截止时，开关变压器初级绕组中产生的过高反峰脉冲电压击穿开关管。
3、输出回路
图5所示为东芝Ⅱ型机芯的开关稳压电源的输出回路。
（1）114V直流输出电路：
增加了L802和L803两个电感，它们与C818组成一个T型滤波电路。
另外，L805和C817组成一个串联谐振电路，目的是为了抑制掉直流电压中的高频分量。
（2）
24V直流输出电路：
增加了L804和R607、R606，它们组成一个L型的RL滤波电路。
另外，C819并联在D816两端。
抑制掉来自开关电源的高频振荡干扰。
图5输出回路
4、脉冲宽度控制电路
图6所示为东芝Ⅱ型机芯的开关稳压电源的脉宽调制电路。
这个开关电源的开关管振荡频率，是由正反馈网络的元件数值决定的。
基本上是固定不变的（另外有一种开关电源的开关管的振荡频率受行扫描频率控制）。
为能保持输出电压不变，需要一个控制电路，来控制开关管振荡过程。
当振荡频率不变时，就只有对开关管的饱和和截止时间进行控制。
即对脉冲宽度进行控制。
由R806、Q802和Q803组成复合管工作电路，它们也工作在开关工作状态。
当Q803基极和Q802的发射极为高电位时，两个三极管同时导通并进入饱和状态。
如果不满足上述两条件，则两个三极管处于截止状态。
这个电路与C821、D810、D807、D808和R810、R811构成了脉冲宽度控制电路。
其具体工作过程如下所示。
16
C807
R808D809124
C81110
C821
R810D807D808
R808D810
R811R805
Q8028
Q803R812
7
C813R814
图6脉冲宽度调制电路
当开机时，300V直流电压经R810、R811、C813、R812、R814到地（Ng绕组的⑧、⑦端），对C813充电，使C813的极性为左正、右负。
C813左端的正电压加到Q803的基极。
使Q803基极为高电位。
当Q801处于从截止到饱和状态期间，开关变压器的正反馈绕组的⑨端为负电位，Q802、Q803因此处于截止工作状态。
当Q801处于从饱和到截止状态期间，开关变压器的正反馈绕组⑨端为正电位，⑨端的正电压使D810导通，并对C821充电，C821极性为下正上负。
充电后的C821下端正电压通过电阻R806加到Q803的集电极，Q803导通并饱和。
Q803饱和后造成Q802基极电位被箝位在0.3V左右，因此低于其发射极电位，所以Q802也导通并饱和（符合PNP型三极管导通条件）。
Q802导通后其发射极电位接近集电极的零电位，这将C821下端的正电位箝位到地电位。
又因C821上端电压低于下端电压，致使C821上端形成负电压，该负电压使D808、D807导通，使流向Q801基极的电流被分流（使用两个二极管的目的，是使Q801基极电位到⑩端电位有一个1.4V的压降，这样可防止Q801截止过深），从上述分析可以得出：
Q802、Q803的饱和导通不仅可以加速Q801进入截止状态。
而且可使Q801继续保持截止状态，不会进入放大和饱和状态。
此时，取样绕组Ng的⑧电压为正、⑦端为负，这个正电压经R812、R814分压后，对C813充电，使C813的极性变为右正、左负。
随着C813左端电压的下降到一定程度，使Q802、Q803又重新进入截止状态。
Q801又重新导通并进入饱和状态。
从上面分析可知，开关管Q801和Q802、Q803组成的复合管的开关工作状态是相反的。
因此，只要控制Q802和Q803的饱和和截止时间，就可控制Q801的截止和饱和工作持续时间。
达到控制脉冲宽度的目的。
5、误差放大电路
图7所示为东芝Ⅱ型机芯的开关稳压电源的误差放大电路。
误差放大电路由取样绕组Ng（⑧、⑦端）和D811、R820、C815、Q804（误差放大管）、R817、R818、R851（可调电位器）、R815、R816组成。
取样绕组上的感应电动势与初级绕组上的感应电动势成正比，这个感应电压经D811整流、R820和C815滤波后，成为直流电压，这个电压大小与114V输出电压成正比，正常值为21V左右。
D814和R815组成基准电压电路，D814工作在击穿状态，压降为7.5V（型号为O5Z7.5Y）。
这就是说提供给Q804发射极的电压大小，正常值为21－7.5＝13.5V。
R817、R851和R818组成取样电路，21V直流电压经三个电阻分压后得到的误差电压加到Q804的基极。
调节R851使Q804基极电位也为13.5V左右。
使Q804截止，误差放大电路不起作用。
（C814为防止Q804自激的中和电容）。
去Q803基极
8
D814
R817O5Z7.5Y7
C815R820D811
C814
Q804R815
R851C813
R818R816
图7误差放大电路
当输出电压升高时，相应地在取样绕组Ng上的感应电压也会升高。
Ng上感应电压经整流滤波后形成的直流电压也会升高。
D814上的电压降不会随着输入电压的升高而升高，基本上是固定不变的。
所以升高的电压都转移到R815上，这样就使得Q804发射极电压升高，同样，经取样电路取出的电压也会升高，但升高的幅度不会超过射极电压的升高幅度，Q804因射极反偏、集电极正偏而导通，因此有电流流经Q804射极、集电极、R816到Q803基极和C813。
且感应电压越高，Q804导通程度加大，射极电流也相应增大，这使得C813的左端电位升高，Q803基极电压升高，基极电流增大，导通时间加长，随之Q802的导通时间也加长，导致开关管Q801截止时间加长，输出电压下降，保持电压稳定。
当输出电压下降时，整流滤波后的直流电压也下降，Q804导通程度下降，发射极电流减小，集电极电压下降，Q803基极电压下降，Q803、Q802导通时间缩短，开关管Q801截止时间缩短，输出升高，从而保持输出电压稳定。
误差放大电路只能在小范围内稳定输出电压。
当输出电压的波动范围过大时，误差放大电路也会失去作用。
输出电压过低基本上不会造成元件的损坏。
但当输出电压过高时，会造成元件的损坏。
这时需要另一种电路来控制输出电压。
6、保护电路
开关电源的保护电路主要有过压保护电路和过流保护电路两种。
下面分别进行说明。
300V10
R803
C821D8109
8
至Q801基极R804
至Q802发射极R8057
D820
R823C826Q805D822R826
R812
R814D812R824
C825
图8过压保护电路
（1）过流保护
主要是利用开关变压器激励绕组进行。
由于负载短路，造成电流过大时，开关变压器激励绕组产生的正反馈电压会急剧下降，从而使开关管和开关变压器激励绕组形成的正反馈不能正常进行，开关管处于截止状态，从而达到过流保护目的。
（2）过压保护
图8所示为东芝Ⅱ型机芯的开关稳压电源的过压保护电路。
由反馈绕组Nd、取样绕组Ng、R812、R814（这两个电阻组成分压电路）、D812、D820、Q805（可控硅）、D822（稳压二极管）、R825等元件组成。
在正常状态下，可控硅Q805和齐纳二极管D822均处于截止状态。
当误差放大器Q804或脉宽调整管Q803、Q802等电路发生故障时，造成开关管导通时间过长，输出电压急剧上升，或因负载开路造成输出电压急剧升高（自激式开关电源是不能空载的，因为存储在开关变压器的磁能得不到释放，会产生较高的感应电动势。
击穿开关管引起短路故障）。
只要电压超过175V，保护电路就会动作。
动作过程如下：
当取样绕组的感应电动势急剧加大时，⑧端正电压经R812、R814分压后，通过R825加到D822的负端的电压也会升高。
当升高到超过D822的击穿电压6.2V时，D822导通，并将这个电压加到可控硅的控制极，使可控硅Q805导通。
Q805的正端电位被箝位到地电位。
另外，取样绕组的⑧端正电压经D820整流后对C826充电，且在Q805导通之前已充有6V左右的电压，极性为左负右正。
当Q805导通后，C826开始经放Q805到地放电，本来流向Q801基极的电流全部流向R823、C826、Q805到地。
致使Q801无基极电流。
与此同时，在可控硅导通后将其正端箝位到地时，二极管D820正偏导通，这样便将Q802射极也箝位到地，C821上的负电压加到开关管基极使开关管截止，初级绕组无电流流过，因而无感应电动势。
相应地，次级输出绕组也无感应电压，输出电压为零。
从而完成过压保护任务。
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