DH321是仙童公司(Fairchild)开发的最新单片低功耗离线式开关电源集成电路。电源电压输出控制方式是电流型脉宽调制(PWM)。有“绿色芯片”之称。其内部集成有击穿电压为650V的“敏感型”场效应功率开关管、高压启动电流源、固定频率振荡器、内部偏置电路、软启动电路、脉冲前沿闭锁电路、过压保护电路、欠压保护电路、过载保护电路、异常过流保护、过热保护电路、自动重启动电路等。由其构成的开关电源具有适应市电范围宽、效率高、功耗低、电磁辐射小、电路简洁等优点。它特别适合制作成本低、微型化的小功率开关电源。应用十分广泛。下面以一款广州产e-Haier牌961型DVD机开关电源为例,对其原理进行分析。附图为该机开关电源原理图。
一、电源的启动及输出过程
交流220V市电经电源开关SW1和保险管F1送到由L1和C3组成的具有双向滤波特性的电源滤波器。
该滤波器既可滤除电网中的高频干扰信号,又可抑制本机开关电源产生的高频开关干扰信号对电网的污染。经过滤波后的220V交流电经D1~D4组成的桥式整流电路整流及C4滤波后,产生300V左右的直流电压。
整流滤波后得到的300V直流电压一路经过开关变压器初级①~②绕组加到IC1的⑥、⑦、⑧脚内部的“敏感型”场效应开关管漏极:另一路直接加到IC1的⑤脚,通过内部高压启动电流源对IC1②脚外接电容C6充电。随着充电的进行,②脚电压上升,大约15ms后(由于DH321内部集成有电源软启动电路,该时间为内部软启动电路的电源启动延迟时间),当②脚电压上升到大于12V时,高压电流源的供电立即自行切断。内部各功能电路开始正常工作。此时开关管进入正常开关状态。电路起振后,改由开关变压器③-④绕组产生的感应脉冲电压经D6整流,R2限流及C6滤波后所产生的约14V直流电压为IC1②脚供电。只要②脚电压不低于8V。电路就将锁定在正常工作状态。当②脚电压低于8V时,高压启动电流源的供电立即接通。为IC1②脚外接电容充电,只有当②脚电压回升到大于12V时,IC1内部自动重启动电路作用。实现电源的自动重启动(由于IC1内部集成了高压启动电流源,因而无需外加启动电路,简化了外围电路)。
电源工作后,开关变压器两个次级绕组上会不断产生高频脉冲电压,⑥-⑦绕组上的脉冲电压经D8整流,C10滤波后,输出12V直流电压。⑤-⑥绕组上的脉冲电压经D9整流,经C11、L2、C13、C14组成的π型滤波器滤波后,输出5V直流电压。
二、稳压过程
稳压电路主要由IC1、光电耦合器IC2(PC817)、基准电路ZD1(3.9V)组成。稳压过程如下:当因某种原因导致输出电压升高时,5V输出电压也会升高。由于ZD1两端电压为固定的3.9V,因此,光敏二极管两端电压会相应升高,光敏二极管发光增强,光敏三极管导通增强而内阻减小,流过IC2的④~③脚的电流增。大,即流经IC1的③脚电流增大。因IC1内部集成有电流型PWM(脉冲宽度调制)控制器,IC1的③脚内电路对反馈电流特别敏感。IC1内部脉宽控制电路通过脉宽调整,使开关管导通时间变短,开关变压器储能减少,输出电压降低,从而达到稳定输出电压的目的;输出电压降低时其稳压控制与上述过程相反。
三、保护电路
1、过压保护 当电网电压升高或稳压控制电路失控造成输出电压过高时,开关变压器③~④绕组上的电压幅度也会相应升高,经D6整流,C6滤波后加到IC1②脚的电压也相应升高。当②脚电压幅度超过19V时,IC1内部过压保护电路启动,开关管截止,实现过压保护。
2、欠压保护当电源输入电压过低时,开关变压器③-④绕组上的感应脉冲电压幅度也将随着降低,经D6整流,C6滤波后加到IC1②脚的电压也相应降低。当②脚电压低于8V时,IC1内部欠压保护电路启动,使电源功率开关管截止,起到了欠压保护的目的。一旦出现欠压保护。IC1内部高压启动电流源将接通,为IC1②脚外接电容充电,只有当②脚电压回升到12V时,在IC1内部自动重启动电路作用下整个电源电路才能重新恢复正常工作。
3、过栽保护这是一种延迟型保护电路,可以避免瞬间过载引起保护电路误动作。当因过载引起DH321内部脉冲宽度控制器(PWM)输入端电压达到3V时,内部脉冲宽度控制器(PWM)输入端将被切断,此时内部一个5μA电流源给IC1③脚外接电容C7充电,当C7两端电压充到6V时(该充电时间即为延迟过载保护时间)。内部电路关闭电源开关管的激动脉冲,电源开关管截止,实现过载保护。
4、过流保护电源的过流保护电路及电流取样检测电路均集成在IC1内部。当因某种原因致使流经IC1内部场效应开关管源极(SOURCE)的电流增大时,IC1内部场效应开关管源极取样检测电阻两端压降增大,当开关管源极电流增大到1.2A时,开关管源极取样检测电阻两端电压达到阈值电压,内部电压比较器动作,开关管的激励脉冲被关闭。开关管截止,电源停止输出。
5、过热保护IC1内部集成有过热检测器。当IC1内部温度达到140℃时,过热保护电路动作,开关管的激励脉冲被关闭,开关管截止,实现过热保护。
另外,由C5、R3、D5组成开关管漏极尖峰脉冲吸收电路,用来吸收IC1内部开关管在截止瞬间,开关变压器初级绕组上产生的尖峰脉冲,达到保护开关管的目的。
四、维修资料
DH321为8脚双列直插式(8DIP)封装,其引脚功能及实测数据详见表1。
表1 IC1(DH321)维修数据
引脚 | 符号 | 功能说明 | 电压/V | 在路电阻/KΩ(R×1挡) | |
红笔接地 | 黑笔接地 | ||||
1 | GND | 接地 | 0 | 0 | 0 |
2 | VCC | 电源 | 14.2 | 125 | 6 |
3 | Vfb | 反馈输入 | 1.02 | 150 | 8 |
4 | Ipk | 开关管极限电流调整端 | 空 | - | - |
5 | Vstr | 启动电压 | 300 | ∞ | 7 |
6,7,8 | Drain | 内部场效应开关管的漏极 | 300 | ∞ | 7 |
与DH321功能相同。能直接互换的还有几种其他型号的集成电路,详见表2。表中集成电路相互代换时要注意功率余量和使用条件,应用功率大的代功率小的,否则容易损坏。
表2:能直接互换的集成电路及参数
型号 | 交流输入230V(±15%)时的功率 | 交流输入85~265V时的功率 | 额定电流/A | 开关管击穿电压/V | 振荡频率/kHz | ||
封闭式电源(适配器) | 敞开式电源 | 封闭式电源(适配器) | 敞开式电源 | ||||
FSDL321(DL321) | 11W | 17W | 8W | 12W | 1.2 | 650 | 50 |
FSDH321(DH321) | 11W | 17W | 8W | 12W | 1.2 | 650 | 100 |
FSDL0165RN/RL(DL0165R) | 13W | 23W | 11W | 17W | 1 | 650 | 50 |
FSDM0265RN/RL(DM0265R) | 16W | 27W | 13W | 20W | 2 | 650 | 67 |
FSDH0265RN/RL(DH0265R) | 16W | 27W | 13W | 20W | 2 | 650 | 100 |
FSDL0365RN/RL(DL0365R) | 19W | 30W | 16W | 24W | 3 | 650 | 50 |
FSDM0365RN/RL(DM0365R) | 19W | 30W | 16W | 24W | 3 | 650 | 67 |