个人计算机开关电源电路解析
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按:这是在职时,研究开关电源教学时的另一篇解析。第一篇对机器人电源的解析引起了不少朋友的兴趣,再把这篇发出来供同行参考。 研究个人PC电源,必须从开关电源芯片开始。这里是一个PTP-2038电源的实际应用的例子,其分析思路对电源的维修具有普遍意义。 第一部分:TL494芯片 这是一个应用极为广泛的控制器件,在个人PC电源中,很多使用的都是这个芯片。它是由TI公司生产的。 一.芯片管脚定义 TL494是16脚芯片。
图1:TL494管脚排列 1脚/同相输入:误差放大器1同相输入端。 2脚/反相输入:误差放大器1反相输入端。 3脚/补偿/PWM比较输入:接RC网络,以提高稳定性。 4脚/死区时间控制:输入0-4VDC电压,控制占空比在0-45%之间变化。同时该因脚也可以作为软启动端,使脉宽在启动时逐步上升到预定值。 5脚/CT:振荡器外接定时电阻。 6脚/RT:振荡器外接定时电容。振荡频率:f=1/RTCT。 7脚/GND:电源地。 8脚/C1:输出1集电极。 9脚/E1:输出1发射极。 10脚/E2:输出2发射极。 11脚/C2:输出2集电极。 12脚/Vcc:芯片电源正。7-40VDC。 13脚/输出控制:输出方式控制,该脚接地时,两个输出同步,用于驱动单端电路。接高电(píng)时,两个输出管交替导通,可以用于驱动桥式、推挽式电路的两个开关管。 14脚/VREF:5VDC电压基准输出。 15脚/反相输入:误差放大器2反相输入端。 16脚/同相输入:误差放大器2同相输入端。 二.基本特性 1.具有两个完整的脉宽调制控制电路,是PWM芯片。 2.两个误差放大器。一个用于反馈控制,一个可以定义为过流保护等保护控制。 3.带5VDC基准电源。 4.死区时间可以调节。 5.输出级电流500mA。 6.输出控制可以用于推挽、半桥或单端控制。 7.具备欠压封锁功能。 三.结构原理 图2给出了TL494的内部原理框图。
图2:TL494内部原理框图 芯片内部电路包括振荡器、两个误差比较器、5VDC基准电源、死区时间比较器、欠压封锁电路、PWM比较器、输出电路等。 1.振荡器: 提供开关电源必须的振荡控制信号,频率由外部RT、CT决定。这两个元件接在对应端与地之间。取值范围:RT:5-100k,CT:0.001-0.1uF。 振荡频率:f=1/RTCT。 形成的信号为锯齿波。最大频率可以达到500kHz。 2.死区时间比较器: 这一部分用于通过0-4VDC电压来调整占空比。当4脚预加电压抬高时,与振荡锯齿波比较的结果,将使得D触发器CK端保持高电(píng)的时间加宽。该电(píng)同时经过反相,使输出晶体管基极为低,锁死输出。4脚电位越高,死区时间越宽,占空比越小。 由于预加了0.12VDC,所以,限制了死区时间最小不能小于4%,即单管工作时最大占空比96%,推挽输出时最大占空比为48%。
图3:死区时间比较器单独起作用时的波形 图3给出了死区时间比较器单独作用时的工作相关波形。 3.PWM比较器及其调节过程: 由两个误差放大器输出及3脚(PWM比较输入)控制。 当3端电压加到3.5VDC时,基本可以使占空比达到0,作用和4脚类似。但此脚真正的作用是外接RC网络,用做误差放大器的相位补偿。 常规情况下,在误差放大器输出抬高时,增加死区时间,缩小占空比;反之,占空比增加。作用过程和4脚的死区控制相同,从而实现反馈的PWM调节。0.7VDC的电压垫高了锯齿波,使得PWM调节后的死区时间相对变窄。 如果把3脚比做4脚,则PWM比较器的作用波形和图3类似。然而,该比较器的占空比调节,要在死区时间比较器的限制范围内起作用。 单管工作方式时,VCK直接控制输出,输出开关频率与振荡器相同。当13脚电位为高时,封锁被取消,触发器的Q、Q非端分别控制两个输出管轮流导通,频率是单管方式的一半。 4.5VDC基准电源: 这个5VDC基准电源用于提供芯片需要的偏置电流。如13脚接高电(píng)时,及误差放大器等可以使用它。基准电源精度5%,电流能力10mA,温度范围0-70度。 5.误差放大器: 两个误差放大器用于电源电压反馈和过流保护。 这两个放大器以或的关系,同时接到PWM比较器同相输入端。反馈信号比较后的输出,送PWM比较器,以和锯齿波比较,进行PWM调节。 由于放大器是开环的,增益达到95dB。加之输出点3被引出,使用时,设计者可以根据需要灵活使用。 6.UC封锁电路: 用于欠压封锁,当Vcc低于4.9VDC,或者内部电源低于3.5VDC时,CK端被钳位为高电(píng),从而使输出封锁,达到保护作用。 7.输出电路: 输出电路有两个输出晶体管,单管电流500mA。其工作状态由13脚(输出控制)来决定。 当13脚接低电(píng)时,通过与门封锁了D触发器翻转信号输出,此时两个晶体管状态由PWM比较器及死区时间比较器直接控制,二者完全同步,用于控制单管开关电源。当然,此时两个输出也允许并联使用,以获得较大的驱动电流。 当13脚接高电(píng)时,D触发器起作用,两个晶体管轮流导通,用于驱动推挽或桥式变换器。 第二部分:个人计算机电源电路 与一般开关电源相同,个人计算机电源也分为输入电路、变换器、输出电路及控制电路四个主体部分。 传统的计算机电源电路使用两个GTR作为功率开关器件,构成半桥电路拓补。控制电路与变换器,变换器与输出电路都采用了变压器隔离。 图4是一个典型的计算机电源的原理图。
一.输入电路
图5:个人计算机电源的输入电路 输入电路从220VAC电源接入,经过C1、R1、T1、C4、T6、C2、C3等过滤环节,以抑制高频谐波干扰及浪涌。T1、T6还有降压作用。 4管全波桥进行整流,输出直流电压。经过T(píng)波,送变换器电路。 C5、C6的中间引出线用于变换器半桥开关电路的公用主通路,C5、C6、R2、R3同时提供半桥开关交替工作时必须的电流通道。这一部分实际属于后面的变换器电路。 NTCR1为负温度系数热敏电阻,用于温度补偿。压敏电阻Z1、过流电阻Z2分别用于过压、过流保护。 上部开关230/115V用于230V和115V进口电源转换。 二.变换器电路
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