朋友！带你一起玩开关电源功放如何！！之一；反激电源

heyong163b · 发表于 2013-2-9 12:22

本帖最后由 heyong163b 于 2013-2-10 19:38 编辑

文化程度低，专业技能差，错误、错别字多请砖家们砖下留情。

   原本想在春节前弄完的，但因好多天上不了本网站，再加上PCB还没回来就回家过年了，只好先把原理、设计图纸等先传上来，实际制作调试待初六上班后再补上。

本站有很多谈用开关电源做功放电源的话题，有说好的，有说不好的。各形各样五花八门，自认为已入门，深深体会到有义务，也很有必要与大家一起来揭解开她的面纱。只
要你有一丁点焊机经验，我就能教会你做功率放大器专用开关电源。

开关电源设计如按标准方式来设计的确十分麻烦，一大堆各式各样的计算公式让我等一看到就头痛，就算照公式套出来了也很难了解到其精髓。这也许是高频电路的魅力吧。

通过一年多的实地学习，反复做了几个类型的电路，对开关电源了解到了些皮毛，文中我将以最白话的方式给大家讲述其工作原理，设计、制作，关键、要点、各元器件的
用途、选取方法等。实际做开关电源不会比做2030功放难，比做胆机就轻松多了。

一；开关电源基本原理，未来发展放向及潜力
开关电源是未来能源变换、传输技术的主要发展方向，其主要技术来源于脉冲宽度调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)，以脉冲宽度和频率调整改变单位时间内的波形占空比
例，脉冲本身可通过电磁实现电能变换，同时因占空比可调而实现高精度稳压。因其波形是以开关形式出现（即0，1方波），没有正弦波的中间过度阶段，按一周波计算，在同
一时间内它传输的电能量比正弦波翻一番，更因开关管始终都只工作在0或1即全断全开，全断时当然没有损耗，全开即开关管全导通，只有C,E饱和压降存在损耗，即开关管始
终在最小损耗区域内工作。不存在模拟电路C,E极几伏至几十伏的自身损耗从而实现高效率，还有一个重点是它的工作频率越高，功率密度就越大，以传统变压器设计是铜线的
线径最大按3A/1平方毫米来做，开关电源如工作在60KHz时则按最保守的6A来设计，大部分在8-10A/1平方毫米，导磁材料大小大家都看到了我就不讲了。当然还有滤波电解
电容，因工作频率高，其真实容量与工作在100Hz时完全是两码子事，这个差有多少估计很多同志应该能算得出来。高效率、高密度功率、超小型器件是开关电源最大的特点。

开关电源目前只处于起步阶段（行业占有率不足百万分之一，按世界能源总功率计算）。这意味作啥子呢？以电力行业水利发电为例，传统的变换方式正直接用到的功率只
有发电厂发电量的30-60%，大部分能量都在翻来覆去的高低压转换、传输中损耗掉了，假如将开关电源系列技术用于该行业（不会超过10年），就以目前中国的总发电量不变
的情况下相当于无形中增加了3个葛洲坝水电站（没法计算，不算数哈）。

随着技术的不断进步，超小型、超大功率开关电源技术、器件的不断更新，就目前的尖端技术让我等也目瞪口呆。

智能化能源供应及传输方式将首先代替传统的电力变换、传输方式，以目前最先进的高铁为例，电力传输方式仍用传统的传输方式供电，不能不说是一个与时代不同步的败
笔，它是高铁故障最多维护最大的方面之一，谈未来电能传输不得不谈开关电源其中的一个技术（当然还在不断更新中），它就是RF(射频)开关电源的一个分枝。也称无线电能
传输，说到这里很多同志可能就知道我要说啥子了。太深奥了，我就不谈了哈！磁悬浮也属无线电动传输的一种，但它仍属传统的模拟形式，除高功率损耗外与现代智能化的基
础也不兼容。

认识了她你就就知道她是如何的妙不可言，可以去任意想象她的发展空间了，想怎么玩就怎么玩。PDA、手机等充电不用插头、线只是小儿科啦，我们离不开的汽车再过些
年估计汽油会涨到100元/升（美元哈！不对，估计多年后美元不如人民币了），电动汽车肯定是唯一的选择啦！试想一下，当你出门驾车时不再用去看油还有多少，电瓶电量如
何，把加油、充电站点通通抛到九霄云外那该是一件多么惬意的事情。特别是那些一天加几次天然气--可怜的的士司机们。这就是未来智能化能源供应的传输方式。首先应用的
是充电汽车，其后应该是高铁了。高度智能化来源于目前全方位通讯系统的普及（实际应用与手机一样，只付服务费），如免费智能交通（好像国内大部分城市都以普及），车
上的电瓶电量还有多少当然可以做系统检测啦，加上无线电能传输，驾驶员根本不用去考虑这些。是不是很神呢？！但这一切都离不开最基础的开关电源技术。

   你说一下，音响发烧与开关电源发烧哪个更有玩头，这就是我玩音响几十年改玩开关电源的原因。其实最初玩开关电源也是为了将她引入功放。

                     这家伙就会吹牛，把我都弄到云里雾里了，会不会做开关电源呀！还不开始正题。

   二；开关电源的总类；
这里我就以最常见的几种简单描述；

1：反激式开关电源，它是目前应用最多，电路最简单、性能一般，成本最低的一个种类，由于电路特性，它一般只用在一百瓦以下的产品，当然也有做1000瓦的，但其性
能、成本就不如选其它类型的了。本文我将以此类型开始，以后陆续推出500-3000W甲机专用半桥电源。

2；正激，可靠性高，输出功率相对于反激更高。
以上两种也分单端与推挽之分，这里我就不多说了，跟功放一样（明显不负责任）。

3；半桥；双管，输出功率大，90%的电脑都是用它。应用最广，适合3000W内的开关电源及PWM调宽、PFM调频电机牵引，如民用变频空调，电动自行车、电动汽车调
速等，她的变化品种也较多，如LLC谐振半桥等。效率更高，干扰更小。

4；全桥；4个管子分别处理一个周波的四个角，力大无比，常用在几千瓦乃至数十千瓦的超大功率开关电源，PWM调宽、PFM调频电机牵引等场所。高铁机车的核心部分就
用是这玩意（瞎掰）。主要以工业控制、电、弧、超声波焊机等。半桥、全桥电源都属正激。

按用途分又有隔离型和非隔离型，有升压、降压型，有AC to DC ，DC to DC ,AC to AC，DC to AC等。
还有很多就不介绍了！

三；除了开关电源外还有一个东东有必要说一下，那就是PFC，是英文“Power Factor Correction”的缩写，意思是“功率因数校正”。

电能传输、使用过程中有很多的损耗类型，有前面谈到的高低压变换、传输过程的线性损耗，还有相当一部分非线性“损耗”，我为啥子要把她引号起来呢？因为这部分
损耗不一定真正没了，它可以人为地被转换或控制在理想的程度。

啥叫功率因数？高中物理好像有讲，这里我也用最白话的方法给没弄明白的同志讲一下，功率因素是交变电源的一个产物，最简单的理解方式就是电流、电压因非线性负
载相位发生了变化，在一个周波里的电压、电流曲线移位差所带来的功率损失，电池、电瓶没这个问题哈，传统影响功率因数的主要是感、容性负载（容性电流超前、感性电
流滞后），以感性如变压器、电机，日光灯等为主，直接用电力电容其加以补偿即可矫正。我们常看见电线杆上或变压器旁一个圆圆的玩意就是它了，早期40W日光灯整流
器上并联的4.75uF电容功能相同，如取消不影响使用，但因其非线性，非带功率因素的电度表没法准确记数。但开关电源因它的特殊性其损耗及对电网污染方式、强度是不
可能用传统的方式去矫正的，这就发明了PFC电路，凡加了PFC的开关电源我们就可以把它理解为一个纯粹的电阻负载。其结果比变压器来得更好，中高级产品都有加，当然
也是国际绿色产品认证必须的。

估计大家都明白了PFC与我们玩开关电源功放没任何关系，只会增加成本！！（这家伙太反动了，没公德）说的更白一点PFC就是在公共场所不准抽烟。

开关电源用于功放代替工频变压器是肯定的，数字功率放大器代替模拟功放当然也是必然，估计再过些年将禁止使用工频变压器，就现目前国际绿色产品认证中有很多产
品已开始禁止使用工频变压器了。更多的产品其要求之苛刻、工频变压器根本就不可能达不到。其间有人放不下传统绝对是正常表现，多年前你花了十多W买的一套模拟Hi-Fi
系统到现在肯定还是无与伦比的，但CD碟片真的越来越难买了。多年来我几乎没再买过真正的24K金碟。谁能说胆机就不比晶体管机好。说模拟功放好过数字功放的人肯定占
多数。庸人痛偏聪明人的事例累见不鲜。但世界在发展，技术在日新月异的进步，我们曾不相信的很多东西都在慢慢变成现实。

四；开工；
我将利用春节假其间以逐步更新的方式完成这套方案，所有器件均用大路货来做，想发烧的烧友请绕行，其间的原件制作、主要指标测试均以图片、动态视频的形式展现给
大家，宗旨是以最简化的方式让有心的同志们搞懂开关电源，并做出自己的开关电源功放，有更高水平的大侠们千万别拍砖，要想学到高新技术的同志们可以在这里入门后再去
读研究生。想干啥干啥去，我只是个刚入门的小学生、开关电源发烧友。高深的理论技术咱没有。

在供应商给的几大箱样品里找到了几片TI的TPA3123D2数字功放芯片，就是它了。做BTL推小书架箱做多媒体功放绝对有余。电源就用风行近10年的UC3842按反激开关
电源来做。

功率预估；TPA3123D2 BTL可做到50W/8R，效率看资料能上90%，呀！如PCB用双面板的话不要散热器好像能搞定。利用PCB铜皮散热，即电源功率理论上超过100W
即可搞定。其实TPA3123 BTL不可能输出50W。用UC3842是再好不过了。

1：开关电源的构思，根据经验得知，正宗音响用电源往往是以功放最大输出功率+损耗来设计电源的，实际用时100W的功放不肯能开到50W，最常用是10W左右，充足的能源
储备是高质量音频的终极来源。

在开工前我想首先给大家讲明一个误区，很多人认为开关电源不如传统变压器的原因是过载能力差，更专业一点的还知道因稳压原因的负反馈环路瞬态响应等差等，其实这些
都是错误的，原因很简单，目前市面上出售的开关电源几乎没有专为音响设计的，开关电源有一个好处，就是输出功率大小可以自己设置，50W的成品如你了解它的原理后你可以
把它设置成100W，150W用于功放也不成问题，关键在平均功率的大小，因市面所有开关电源大都是给恒流负载用的，任何时间内其功+耗为80%-100%，长期这样的满功率
电源肯定受不了，所以生产厂商为了提高产品的可靠性事先已将电源输出功率给固定了，因属恒流供电，其反馈回路也是按低瞬态响应设计采样控制以提高可靠性，超过就保护，
根本没必要搞啥子高瞬态响应。音响用电源肯定不是这样，乙类平均音乐功率最多只占电源功率的30%（音乐功率不是正弦波的测试功率哈），100W功放只用10W放音电源的平
均功率就更小了，你说把50W开关电源弄成150W做音响电源奇怪吗？再说说你买的50W工业用开关电源，它的保护点就设置在51W处，给功放供电能行吗？不软脚才怪。其实
开关电源的过载能力远比我们想象的要大的多，想更深了解当然不止是我说的这样简单。

还有一个要说明的是电源内阻，变压器内阻与其功率有关，而我们玩的功率放大器对电源内阻的要求越低越好，不能不承认选大功率变压器的同时还有能得到更低电源内阻的原
因，开关电源在这方面就远比变压器好，不同功率大小的开关电源其内阻变化不大，稳压型更是如此，我们甚至可以把它设置成“负阻”，变压器在大功率输出时会出现电压降，这
很正常，开关电源则可以把它设置成电压升（与电源的功率大小无关）。你说这正常吗？按传统的说法这是不是负阻？（强盗逻辑）

   前面我讲了过载能力，现在我再谈下电源的驱动能力，这个名词在音响中很少用，在我看来这对音响非常重要，50Hz整流后为100Hz到滤波电容，即电容（所谓的大水塘）每
秒有100次充放电机会，但功放工作在20-20KHz，中间是不是电容有绝大部分无能为力的时候呢？大家可以算算有多少时间这个大水塘没有起作用，相反，当功放在X一频率时需要
较大的“动力”，但我们寄予希望的大水塘刚好在充电，这个结果我就不在讲了哈，免得大家回去把。。。。。！

   开关电源因工作频率远高于音频最高的20KHz，稳压的环路调整密度几乎所有的开关电源芯片都能达到逐周调整，这个周不是市电的50周哈，是指开关频率的单个周波调整。以
100KHz为例，功放就算最高的20KHz时每周也有多次调整率。开关电源不需要大水塘，原因很简单，因电容的容量与其工作频率有关。当然也没有讨厌的交流声。

   确定了，UC3842反激按120W设计，也就是说平均功率120W，但我们把她设置为300W来应付TPA3123D2功放的动态范围，其使用与模拟电源用于本电路的300W工频变
压器供电完全相同，不同的是电源内阻可以是0R或-（高精度稳压）。估计电源长期工作没有温度。

   开关电源原理图如图一

该电路为传统经典电路，千锤百炼，经久不衰。提供PROTEL SCH电子档

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本电源设计要求；
输入电压；AC 80-265V，50-60Hz，DC110-420V（不分极性），即全电压工作环境。
开关频率；58-65KHz
输出平均连续功率120W，任意输出电压（超过15%换高频变压器）。动态功率300W。
空载功耗；不大于3W。
效率；初步定在85%，低压110V输入时不低于82%。
稳压；高精度稳压 1%，超过250W后不大于2 %。
输出纹波；本机24V电压输出纹波控制在60mV内
全功能保护；输入过压、欠压，浪涌冲击，输出短路，过流(超过12.5A)、温度（超过C90度）全自动停止工作，（有软启动，本机不用），故障排除自动恢复。保护模式为间隙打
嗝。十年不坏。

不设PFC是为了不给初学者增加制作难度。学会了要记住加哈！直接接在220V输入接线柱上就行了，不分极性。

电路介绍；UC3842为8PIN DIP直插和 SOP8贴片封装，详细参数请下载UC3842中文资料.pdf

1）；输入电路；

   JZ1为市电80-265V AC或110-420V DC（PFC）输入端，不分极性，L1与4个X，Y电容组成供模滤波电路，它的作用是不让机内干扰进入电网，同时也防止市电干扰进入
本机。
   R2是由负温度系数热敏电阻构成的浪涌吸收，主要用途是防止通电瞬间因大电容充电引起的大电流损坏输入电路。

2）；整机工作电源回路；
   整流后的直流电一路进入高频变压器给MOSFET开关管，另一路通过R3降压后提供给主芯片一个启动电源，这个电源与本机芯片供电电路并联，当电路被启动后高频变压器
开始工作，各绕组有电压产生，绕组C接替R3给IC供电。整机进入正常工作状态。

3）；震荡电路；由IC R/CPIN与外接R21、C20组成，改变不同的值可得到不同的开关频率。

4）；开关电路；IC O/P PIN为开关信号驱动输出，D1，R8组成缓冲，主要用途是磨去驱动信号上的凌角（滤波），已减小开关电路工作时产生次生干扰（EMI），当然也会减弱
驱动能力。

5）；开关变压器；与传统变压器原理相同，反激电源最少有三个绕组，原边与电源与开关电路形成主回路，供电绕组负责给IC供电，副边为电压输出。

6）；整流滤波；由于反激电源的特点，用最简单的半波整流即可完全索取已变换的电能，这也是反激电源成本低最主要的原因。普通LCπ型滤波电路就可以满足要纹波要求。

7）；反馈回路；这部分是开关电源可靠工作，提高各方面性能的重点，各类型开关电源其反馈电路基本相同。它们主要由采样，基准电源，原、副边隔离的光耦电路组成，基准电
源的主要用途是提供一个极其稳定（排除温度等外来影响）的电压源与被采样的信号进行比较放大后通过光耦隔离传送给主芯片做相应控制处理。

本机采样电路分两部分，R5在这里有两个用途，一是给光耦提供电能（不同输出电压参数不同，得根据光耦参数来确定），另外一个用途则是给基准电源提供整机直流输出最
前端的峰值电压反馈信息，这个峰值与开关电源主开关频率基本同步，是实现主芯片逐周控制最基本的反馈信号，有很多开关电源将R5直接连接在输出端，或者根本就没有LCπ型
滤波而直接电容输出，凡这种电路结构的就基本放弃了主芯片逐周负反馈控制的功能。市面上大部分反激电源属此类（纯直流反馈）。R9是稳压采样端，进入由TL431组成的基准
电源可编程端与R5采样信号混合，在这里还有一个R20、C17组成的RC网络，很多人包括部分开关电源设计人员并没有搞懂他们的用途，因从很多的所谓“名牌”产品中就可以看
出这个端倪，电路相同，但参数设置不合理，其结果同样是放弃逐周控制功能。这个网络的主要用途其实就是精确控制R5，R9混合信号的比例、整型、微调，R8则主要控制线性范
围的用途（保证整个控制范围内线性平直）。
反馈控制信号通过光耦被送至芯片comp端，R24,C19滤除尖峰信号后进入芯片做控制信号源。

8）；保护电路；任何高级的电路如没有绝对高的可靠性就没有任何意义，开关电源更是如此，它几乎预计了所有可能出现的问题并可靠加以相应的保护，
本机大部分保护功能由IC自己完成，但需要准确的外围原件配置，入输入过、欠压，Vcc PIN 内部有检测装置，但外部原件参数起关键作用，过流、短路保护也同样由IC自己
完成。本芯片不带温度控制，我在IC供电回路串入了PTC温控继电器RT1，当温度超过C90度它断开，IC电源只有R3提供，它与C8构成了一低频震荡，即打嗝工作状态。

这里主要介绍输出功率限制，即超过功率保护。它是由MOSFET管S极电阻R17与C15组成，当单周波进入IC IS端的电压超过一定值时芯片进入保护状态。为了避免吴动加人了
C15做峰值滤波。但该电容不能太大，否则就起不到保护作用了（与频率有管）。调好后其功率误差可以做到10%比例起控。过流、短路保护，在这里还有一个电路可以实现过流、
短路保护，R15,他除了能检测市电输入电压外也能检测本机输出的负载过载情况，当输出功率无限增加时，开关电路会加大占空比保持输出电压不变。但因IC供电电流不变，该电压
必然上升，上升的高度就能体现输出功率的大小，这也是一个非常精确的过载信号。本机原来图有标明，但实际应用没装。基本原来先介绍到这里，具体待调试时根据需求做更为详细
解答。

数字功放原理图如二；数字功放的原理在本帖就不多讲了哈。

2；电路主要原件选择及制作；

   这一步估计很多同志会打退堂鼓了，我当初也是这样，原件制作的确是件很麻烦的事情，要达到各数据的准确无误单从想像上去理解就能让你出一身臭汗，我当时的做法是撤成品来
对照作做，但一通电不是放烟花就是不能带载，想在网上找点啥适合我等水平的现成资料真的很难，对业余玩家更难的是还必须有必要的仪器设备。

真是这样吗？我一度怀疑自己能否进入这个门槛。细想一下开关电源地特点，输入电压宽。。。。，这就意味着设计误差可以很大，关键是怎样弄清关键点，以开关变压器设计为例，
说句大家都不相信的话。变压器参数你可随便设，别人原边用40圈你可以用15圈，别人副边用12圈你可只用4圈。这个设计误差大于70%，这在任何产品设计里它肯定都不可能达到母的
，在相同的频率下是否都能正常“工作”呢？回答是肯定可以。这就是开关电源设计的随意性，很多同志看我把正常“工作”二字用引号起来似乎就不能正常工作了，其实它同样能达到我
们目的---先进门再说其他的。

以3842反激电源设计制作的关键点只有一个，输出电压与反馈电压（IC供电电压）的准确性，这个所谓地准确性是为了满足IC的正常工作范围，还是以开关变压器为例，原边多少圈
先别管，220V你绕20圈也行，60圈也可以，要做出第一个电源关键点不在哪里。前面我讲过了，3842有除温度以外的所有保护功能，这些保护功能全在市电输入、反馈电压输入端，稍
有不对电路就没法正常工作，很多想玩开关电源的人都是被这些保护功能拒之门外的。一旦你了解了这些，真的是你想咋弄都能成功。

反馈电压与输出电压的关系；我们很多玩家在弄反激电源时老是把注意力集中到输出上去了，对反馈电压可能到最终彻底玩完时也没有去测试过。从芯片DataSheet上可以看出，IC
正常工作电压是12-30V，超出或低于都不能正常工作。其实这个电压范围已经很宽了，50%设计误差都能满足。反馈绕组与副边绕组同属变压器次级绕组。理论上电压变化相同，以24V
输出按4圈设计为例，每圈6V电压，反馈绕组2圈刚好12V，此时再做带载试验，只要满载反馈电压不超过30V均正常。如担心芯片工作电压太高你加个几R或十几R的电阻降压也行，但必
须保证空载工作正常。当然你也可以把副边设计成6或20圈。以输出电压为参考点按每圈伏数设计反馈绕组IC最低工作电压12V就OK了。这里完全不用考虑原边220V的原以固定圈数。这
就是绝大部分反激式开关电源地关键点。是不是很随意呢？要高水准要求肯定不是这样简单啦。

   开关变压器还有一个重点的是注意各绕组间的相位关系。

1）；原件选择；
在本电路中暂不考虑成本，主要以强过载能力方面为出发点。开关管选TO-220封装的20N60MOSFET管20A/600V，零售价不超过10元，120W输出大都用8N60 = 8A/600V，2
元左右。整流管用MBRF30100 30A/100V两个共阳双肖特基管并联，3元/支。还有一个就是开关变压器了。反激电源对铁芯的利用率是最差的一种，这里选PQ3530 PC40铁芯，理论做
反激在160W左右（其他类型300W以上）。PQ是铁芯的形态，3530是铁芯宽度是35MM，高度是30MM，PC40是材质，PC40是质量居中的产品。价格带骨架3-5元/套就有卖，加上铜
线不超过10元，这就是本机主要元件了。其它原件的价格大家看原理图应该能计算得出来。

单端反激电源开关变压器与单端音频放大器变压器一样，因有单向直流存在容易引起铁芯磁饱和，所以必须加气隙，这也是反激电源铁心利用率低的主要原因，磁饱和的原理大部分同志应
该都知道，一旦出现变压器原边电感量为零、就相当于220V电压短路。这是开关电源炸机的主要原因。当这一情况出现时，任何高级保护系统都没用。引起磁芯饱和的原因主要有两个，一是
气隙太小，另一个是温度太高，PC40材料最高不能超过120度，此时的温度用手是不能摸了。反激电源开关变压器气隙在没有仪器检测的情况下越大越保险，所损失的是最大功率输出。在没
有参照的前提下以0.5-1mm就可以了，最准确的参数你别想在哪里能找到，也不是那个公式能准确计算出来的，这与不同的电路结构，原件参数、甚至PCB排版、实际工作条件数据有关，这
得靠你在电路工作基本正常的基础上针对各个参数要求反复调整到最佳值。

                  要出去拜年了，晚上继续。。。

未完待续