自激振荡开关电源汇总

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1、自激振荡（RcC）开关电源中山市技师学院一、概述目前市场上销售的手机充电器，从电路结构和充电方式上可分为两大类：第一类是“机充式”充电器 另一类是“直充式”充电器（也叫座充）。所谓“机充式”充电器，就是电源进入手机后由充电管理 IC 控制预充电、恒流充电、恒压充电、电池状态检测、温度监控、充电结束低泄漏、充电状态指示等（比SL1051、 BQ241010/2/3等），输出电压一般在5.56.5V；而“直充式”充电器也叫万能充电器，直接对电池充电, 由于锂电池（充）满电压为4.2V,所以这类充电器输出电压一定要稍小或等于4.2V。手机充电器输出功率都比较小，一般在5W以下，国内厂商生产的充电器i

2、更是小到2-3W。为了节约成 本，国内许多厂商都采用RCC （Ringing Chock Converter）开关电源设计方案。RCC设计方案理论技术成 熟、电路结构简单、元器件常见、成本低廉，所以深受国内厂商青睐。然而，读者可能耳闻目睹许多充电 器质量事故频频发生，原因不是产品原理有问题，而是制造厂家为了追求利润使用了质量较差元件或二次 回收元件造成的；更有甚者部分厂商为了能在激烈的市场竞争环境下生存，不得不使出最下策只要能 输出电压，尽其所能地节省元件!另外，国内厂商生产的充电器初、次级通常没有设计光藕（反馈），因此输出电压很难控制，负载能力 较差，空载时输出电压偏高，带上负载后电压才正常

3、。从目前市场上流通的充电器来看，成本基本在 2-3 元之间。国外知名公司出于市场定位和维护自身品牌形象考量，一般采用集成电路设计方案，电路结构完 善、生产用料考究、产品可靠性高，成本通常是国内厂商的3-5倍，质量当然要好。由于手机充电器输出功率较小（对电网干扰小）、产品受体积所限（消费者审美要求和拼比心理把厂 家“逼上梁山”），无论国内厂商还是国外知名公司出品的手机充电器，输入侧电源滤波器（与EMC测试 有关的元器件）都一概省去，部分国内厂商更是把“热地”与“冷地”之间的安规电容（Y电容）也节省 掉了，所以，几乎没有任何一个厂家的手机充电器能通过EMC测试。既然通不过EMC测试，依照中国法律

4、就不能销售，因此厂家就打“擦边球”，把充电器定位为赠品，国家对电器赠品并没有强制安规要求。再则， 质量认证部门考虑到手机充电器输出功率小、对电网干扰小，在对手机作认证时对充电器“睁一只眼、闭 一只眼”，于是，不符合国家标准的手机充电器就堂而皇之地进入市场了。当然，对于用户来说这些元器 件的存在与否与充电的电性能几无关系，并不会影响消费者正常使用，只是与国家标准要求不符而已！RCC充电器电路结构简单，工作频率由输入电压与输出电流（自适应）改变,控制方式为频率调制（PFM）， 工作频率较高，如图1是RCC充电器原理框图。Vi是整流滤波后的直流电压，DC-DC变换器包括变压器和开关元件，输出电压Vo

5、经电阻Rl、R2分压采样与基准电压v比较，差值进入PFM2控制器，输出信号控制开关元件的导通/截止，从而调节输出电压。R本文介绍的几种RCC开关电源，由于图1中的部分环节就被省掉了，整机的可靠性大为降低。图（1） RCC充电器原理框图本文通过对几种不同RCC充电器电路关键节点波形的测试分析，简述它们的工作原理，依据电路结构 特点，提示读者正确辩识它们性能的优缺点，最后顺便讲述一些开关电源的通用电路知识，在此过程中体 验数字存储示波器在电子测量和原理分析中的应用。希望读者通过该文的阅读，对RCC充电器有一定认识, 若读者能在该文的指导下排除充电器的简单故障，乃读者之幸，笔者之幸甚也！二、RCC变

6、换器测试分析图2是深圳市某电子有限公司生产的“快速手机充电器”（厂家命名）产品规格：输入 AC180-240V 50/60Hz 0.1A输出 DC6.5V 500mA MAX2PFM是英文Pulse Frequenee Modulation缩写，脉冲频率调制之意，RCC变换器的工作方式，而集成式开关电源大都为PWM工作方式, pwm是英文Pulse Width Modulation缩写，脉冲宽度调制之意。图（2） 图3是东莞市某电子科技有限公司生产的万能手机充电器。 产品规格：输入 AC220V 100mA输出DC4.2V 18080 mA 适用于250-3000mAh （毫安时）电池图（3）

7、图4是中山市某电子有限公司给中山市小霸王电子公司配用的MP3/4/5充电器。产品规格：输入 AC110-250V 50/60Hz 0.1A输出 DC5V 300 mAKRk.%0QaDl图（4） 中山市小霸王电子公司MP3/4/5配用的充电器深圳市某电子有限公司生产的“快速手机充电器”完整电路如图5。为方便说明问题，图中专门标注了 P1-P6共六个测试点，其中P4最为关键。借助数字存储示波器，提取关键点的波形，帮助大家分析电路的工作方式，因此P4测试点波形会在多个图中出现，以期对比之用。市电经保险电阻R1输入（也叫熔断电阻，兼具电阻和保险丝的双重功能），经D1D4桥式整流、C1滤波后到开关变压

8、器。厂家在设计时保留C1的位置，但是实际生产时并没有安装，为了测试需要笔者加装之，如图2 （个头大点），轻载时P1点电压约300V （图6测量值为V322V ）。电阻R2阻值较大，给Q1提供启动电流（R2也叫起动电阻，系统一旦正常工作，R2不再起控制作用,断开它系统仍能正常工作）。刚上电时先由R2使Q1导通，变压器主绕组（-）产生自感电动势，极性“正负”辅助绕组（-）极性“正负”、经C3&R7支路加到Q1的基极,Q1迅速饱和导通，集电极电流线性增加一一正反馈效应（通俗地说就是一旦导通就让它狠狠地通）。此时次级绕组极性“负正”，整流二极管D8反偏截止，变压器主绕组蓄积能量。开关管Q1的集电极电流

9、i增加到接近峰值i时，变压器主绕组极性反转“正负”，辅助绕组“负C CP正”，Q1基极有反向偏置电流Q1截止一一正反馈效应（通俗地说就是一旦退出导通就快速地截止）。5此时次级绕组“正负” D8正偏导通，变压器主绕组蓄积的能量瞬间耦合到次级，由次级再释放 给负载。RCC 充电器属自激振荡开关电源，它无需激励电路就可自由振荡持续工作（工作方式类似无线电2009年第七期电子镇流器中VT1、VT2交替开关），正常工作时P2、P4点电压波形如图7。如果没有 C1电路仍然能正常工作，但是整流后的100Hz脉动直流周期性冲击Q1，使Q1工作于险恶的环境下，它的安全性能大打折扣。CH2 socmv M MOj

10、ubCHI / 210V3泗234!巾图（6） P1点电压波形图（7）1是P2点电压波形，2是P4点电压波形M 10,Cm? f-Jun-03 血相R4是一个非常关键的元件，P5点电压与Q1发射极电流成正比，电压越高Q1发射极电流越大，如图8信号CH1。CH2 SiffiV M S.00JU6f-Jun-09 軒:隔3期托鼻Hi1是P5点电压波形，2是P4点电压波形P5点电压波形图（8）图（9）光标?Y 削丫M 5叫加 f-Jun-03 仰:昭L眇啡 136mV mKmt-1 1專0用192mV图8显示在某负载下P5点电压峰值约为472mV （AV472mV），由此可知Q1发射极电流峰值约为6

11、9.4mA（472mV/6.8Q）。此时，还可以粗略计算出占空比D（ = t / T），方法如下：关掉通道CH2拉开波形，如图ON9,启用数字存储示波器测量功能，测量Q1导通时间t =1.52us,而开关频率f = 98.5KHz，即T = 10.15us，ON因此D二t /T沁13.2% 这个数值显示负载比较轻！ON理论分析：若以热地为参考点，当辅助绕组“正负”时P3电压为零（实际上约为-0.6V, D7的 箝位作用），当辅助绕组“正负”时P3电压为某个高电压，那么P3点电压状况究竟如何？实测P3点 电压波形如图10,图10显示P3点电压近似矩形波，低电平宽、高电平窄（占空比D小），高电平峰

12、值接近40V，该电压是辅助绕组自感电动势与电容C4电压的叠加。信源am幅度光标11.22VPH2M5WJUSCH2/4KniV 羽越购Hl光踊0,00VTpk JVppi吧丄IPxdMteCURSCfi*类型t L I I D L iiCHI 2Qi0Y罰 122V图（10）1是P3点电压波形，2是P4点电压波形需要说明一下：正常工作时P6点电压相当稳定，电压值约5.7V，该值等于D5反向击穿电压和Q2发射结之和。三、RCC变换器等效拓朴电路研究图5中辅助绕组整流方式和控制电路不太符合大家的欣赏习惯，它的的等效拓朴电路结构如图11 这个电路就是笔者之一葛中海于2004发表在贵刊年第七期的简易手

13、机镍氢电池充电器原理解析文中 讲过RCC变换器，有兴趣的读者可去查找它的完整电路。图（11）反馈绕组及相关电路等效拓朴结构图11反馈绕组及相关电路等效拓朴结构与图5工作原理基本相同，区别只是P3点电压波形如图10, 沿纵向向下平移一一因为图5开关管导通时P3点电压是反馈绕组感生电压与C4电压之加，而图11开关管 导通时P3点电压就是反馈绕组感生电压，如图12。需要说明的是这个电路Q1具有过流保护功能，当P5点电压升高0.7V以上Q2导通，拉低P4点电压保证Q1的安全运行。Teknw幅贋cunsofi类型CHI / 2OV1舲啊也光标10.00V光标2-480V9-Jun-C9 16:00H T

14、rlgPM Pos: OJOttte* 430V图（12）1是P3点电压波形，2是P4点电压波形图5中D7用于设置C4正极的直流电位，稳压值越大C4正极直流电位越高；由于初、次级之间没有反馈通路，次级输出电压就由D7稳压值和主、辅绕组参数而定，稳压值越大输出电压越高，反之亦反；而等 效拓朴电路中D7用于设置C4负极的直流电位，稳压值越大C4负极直流电位越低，同时输出电压越高，反 之亦反。顺便提示：同样负载下图12电路开关工作频率升高为106kHz （频率高乃效率高）。有些公司为了节省成本干脆把Q2去掉，在P4与地之间串入一只几千欧的电阻作为稳压管D7的限流电阻，电路结构进一步简化，如图13。需

15、要说明的是简化电路结构安全性、可靠性都降低了。由于本电路Q1不具有过流保护功能，所以当电路工作异常时，Q1和R4很容易同时烧断。图（13） 反馈绕组及相关电路等效拓朴结构图（简化）实测图13电路P3、P4点电压波形如图14。Tsk 八. QT-i3JdH Pos:：IT汀类型棍度般 SiOiV光丽0.30VI光标-5.Q1VM S.OOjlK卜Jun-閃张唧图（14）1是P3点电压波形，2是P4点电压波形M 1,0ta 1U-Jun-Q915:K图（15）轻载间歇振荡现象（原电路P3点电压波形）笔者实际的测试体验：同样负载下，开关管发热最小的是图11等效拓朴电路，图5和图 13差不多。需要说明

16、的是，当负载较轻时Q1的基极电流会相应减小，集电极电流峰值也减小，同时导通时B CP间t也随之变短，另外，输入电压的升高也会引起导通时间t变短。可以想象：当输入电压最高，输出ON ON功率最小时t也最短；若输入电压升高，输出电流又下降，它作为t最小值的输入电压与输出电流的界ON ON限时，就不能维持正常振荡，从而出现间歇振荡现象，见图15。该电路次级输出与初级没有反馈通路，所以输出电压不是绝对的稳定。实际上充电器设计时是以输入 电压220V时来考量的，若输入电压减小很多，输出电压也会适当下降，负载很重时输出电压也会下降。、其它电路认识图16东莞市某电子科技有限公司生产的万能手机充电器，该图反馈

17、绕组及相关电路采用图11等效拓 朴结构。厂家为了节约成本，只用一只高压二极管整流，虚线框内的器件是笔者补画上的，原电路板根本 没有设计上，见图3。端子J1和J2由导线接到面壳的两个弹片，作为电池的充电通路。U2是变色灯，外形如是透明的LED， 内部有3个发光二极管管芯，并配有单片机控制3个发光二极管单独或混合发光，并按一定时间规律循环 发光，有6、7种不同的发光颜色，是近几年新出的器件，本图由笔者自编符号。R7给Q3提供基极电流，Q3导通、输出电压由R16、R17分压后控制U2,而R7和U2组合又反过来调 控Q3基极电位。正常工作时U2的2脚为2.5V，因此Q3输出电压被调整到约4.3V（Q3

18、基极约4.9V），当 该电压由于某种原因升高（或降低）时，经R16、R17分压后控制U2,使U2吸纳的电流增大（或减小）， 由于R7的调压作用，使Q3输出电压保持稳定。再来分析本电路是如何充电的！初始观察Q4Q7及外围电阻R11R14，电路呈对称分布，连给电池充电的地线都没有，怎么能充电 呢？虽然电路呈对称分布，但参数不可能完全一致。假设Q4先导通（基极有电流通路：基极一R11-R13 fQ7发射结），发射极输出高电平，该电平立即促使Q6导通J1接地（若没有Q6, Q4和Q7基极都有偏置 电压，它们导通把Q3输出电压接地），Q4维持导通电路自锁！ J2为高电平。假设Q5先导通（基极有 电流通路

19、：基极fR14fR14Q6发射结），发射极输出高电平，该电平立即促使Q7导通J2接地（若没有 Q7, Q5和Q6基极都有偏置电压，它们导通把Q3输出电压接地），Q5维持导通电路自锁！ J1为高电平。上述分析认为端子J1和J2 “谁高谁低”完全是随机的，无论电路是哪种导通组合通路电流都很小。 当电池装入时情况将发生奇妙的变化J1和J2 “谁高谁低”完全由电池装入的极性而定！当J1接电池 正极、J2接电池负极，Q5、Q7组合导通给电池充电；当J1接电池负极、J2接电池正极，Q4、Q6组合导通 给电池充电，因此这种电路不存在因电池装反致坏之事，所以称万能充电器。U3变色灯工作方式如下：空载或负载较轻

20、时Q8发射结临界截止、输出电压较低，不足以驱动U3工作。 当负载较重时Q8发射结达0.7V以上，流过R8的电流约90mA100mA, Q8饱和导通、输出电压较高。给电 池充电的电流一部分来至R8，另一部分来自Q8发射结。图17是中山市小霸王电子公司MP3/4/5配用的充电器，USB接口输出、适合于小巧精致的袖珍电器 充电，该图反馈绕组及相关电路采用图13等效拓朴结构。厂家为了节约成本，只用一只高压二极管整流， 见图 4。另外，本电路初、次级虽有光耦反馈控制，但是次级电压取样和电压比较放大环节电路原理设计 有问题，所以输出电压也不稳定。需要说明的是，无论采用哪种电路拓朴结构，最常损坏的器主要都是

21、开关管、开关管发射极电阻和稳 压管，部分充电器开关管烧穿后引起保险电阻烧断，因此在检修时特别留意这几个位置的元器件。13001是小功率晶体管，电流放大倍数约20左右，TO92封装，可以代换它的小功率晶体管有XW6822 和BV68，如图5。R132001X3308.2f /4Q3 J8050D21N4148-=C3 472D R7820QI13001R162.4KR66.8E1m1TiR173.3KQ48550J13Q78050图（16） 东莞市某电子科技有限公司生产的万能手机充电器图（17）中山市小霸王电子公司MP3/4/5配用的充电器五、开关电源一般知识1反馈电路开关电源次级反馈控制电路一

22、般采用图 18 的电路结构，输出电压 Vcc 可以表示成Vcc = Vref x （1 +善）,其中Vref = 2.5V o TL431是这个电路的核心器件，R3和R4是采样电阻，由于TL431 基准端基本不取电流，R3、R4分压节点的电压为2.5V，若由于某种原因使输出升高，节点电压随之升高, TL431 导通增强、吸纳更多电流，于是光耦二极管发光增强，从而控制初级开关电路，使输出电压降低。 若输出降低反馈电路同样能自适应调整，使输出电压升高。关于这个电路的结构和参数选择，有更多的专 业知识和工作经验需要补充，但是，因篇幅所限，在此从略。图（18）开关电源标准反馈控制电路2. RCD吸收电

23、路参看图5, R8、C6和D6构成RCD吸收电路（电阻、电容和二极管），用以吸Q1截止时变压器主绕组 产生的反电动势。因为Q1截止时变压器主绕组产生的反电动势极性“负正”，该电压与电源同相串联 施加到开关管Q1的集电极，Q1集电计将承受很高的电压，增加RCD吸收电路可以适当减小峰值电压（原 理类似于三极管控制继电器，在继电器两端反并联二极管，三极管由导通f截止时，继电器线圈感生电动势由反并联二极管提供电流通路、释放能量）。既使有RCD吸收电路保护，在Q1刚截止时集电极的电压仍 然高达400V左右，见图7。若没有RCD吸收电路，Q1集电极电压更高这是Q1安全工作的一大隐患。许多国内厂商对RCD吸

24、收电路认识不足，个别厂商更认为它可有可无，如图2东莞市某电子科技有限 公司生产的万能手机充电器干脆把RCD吸收电路去掉了一一可以想象这个充电器安全工作状况如何了！既使国内部分厂商保留该电路，但是对它的参数选择也是一塌糊涂，比如电阻阻值偏大、功率偏小， 电容容量偏小、耐压偏低，很多厂商直接用1N4007，这哪儿成啊！ 1N4007是低速管，该处是高频信号，用高速管才行啊！对RCC手机充电器而言，RCD吸收电路经验参数如下：电阻47K82K，电容102-472/1000V,二极管: 高速管。3电源滤波器为了提高整个系统EMC抗干扰性能，大功率开关电源在电源输入一般会串入电源滤波器，如图19。其 中

25、Cl、C2用于抑制“共模干扰” C3、C4用于抑制“差模干扰” NTC是负温度系数的热敏电阻，可以减小上电瞬间大电流对C5的冲击，正常工作约10Q。图（19） 电源滤波器如图20是保定市四北电子有限公司出品的SKDX-0610A开关电源局部，该部分就是电源滤波器。图（20） 电源滤波器实物图为了减小输出电源的纹波，有的公司把次级整流后的单个电容滤波改为 型滤波器，电路如图 21。这 个电路结构同样适用于输入侧，如图5方框A位置，只是电容要换成高压型，在输出功率不大的情况下, 电解电容的容量一般取值几uF几十uF,电感的感量几uHF几uH。图22是丹阳市辰阳电子科技有限公司为夏新公司生产的TA7型手机充电器，设计者考虑到13001功率 太小，改为13003作为开关管，反馈电路采用18标准结构，稳定性和可靠性都比较高。从实物图可以看出该充电器设计精细、用料考究，比珠三角地区杂牌厂生产的充电器“真实”多了！图（21） 兀型滤波器安规电容图（22） 兀型滤波器实物另外，大家可能对整流图（1）次级整流二极管D5的位置觉得很别扭，很不符合大家的观察习惯，把它移动到虚线框 B 位置即可（原理上是等效的）。