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，實現(xiàn)自激振蕩，再借助反饋信號穩(wěn)定電壓輸出。由于調(diào)整管兼作振蕩管，所以無須專設(shè)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(jīng)濟(jì)實用，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)、自動化儀器儀表、電視機(jī)和顯示器等。

電源適配器廠家玖琪實業(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，控制開關(guān)變壓器一次繞組存儲輸入電源的能量，通過二次繞組進(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)對用電安全尤為重要。

1．自激式電源適配器的定義
開關(guān)管的激勵脈沖是由變壓器輔助繞組與開關(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，因此無須專設(shè)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(diǎn)
①自激式電源適配器的結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)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(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，輕載時開關(guān)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(fā)生改變時，開關(guān)管的IC與UCE相對值發(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(hù)電路比較簡單，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、大電流工作時穩(wěn)定性差，故僅適宜60W以下的小功率場合。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；是功率開關(guān)管VT的啟動電阻；RB、CB與變壓器輔助繞組構(gòu)成VT的振蕩電路；T是開關(guān)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(chǎn)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(fù)載RL供電。

初始上電時，電阻給VT提供啟動電流開始導(dǎo)通。VT一旦導(dǎo)通，變壓器T一次繞組因有電流流過而發(fā)生自感，自感電動勢（或自感電壓）U1的方向為“上正下負(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（圓黑點(diǎn)）可知，二次繞組感應(yīng)動勢U2的方向為“上負(fù)下正”，二極管VD反偏截止；輔助繞組感應(yīng)動勢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，一次繞組因電流減小而發(fā)生自感，同時，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(yīng)電動勢的方向使二極管VD正偏，輔助繞組感應(yīng)電動勢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(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，變壓器一次繞組感應(yīng)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(chǎn)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(guān)轉(zhuǎn)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(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，由于功率管起著開關(guān)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(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，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中無電流，故變壓器一、二次繞組無相互作用。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)載電流的同時能滿足輸出電壓的紋波和壓降的要求。
圖（b）為tOFF期間開關(guān)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(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