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(勘误帖)对称半桥开关电源的自激启动

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发表于 2021-10-15 11:42:06 | 显示全部楼层 |阅读模式

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     对于由类TL494组成的对称半桥开关电源,其启动也是一个重要部分,网上也有各种版本的分析,下面出个数码之家版本的,之前一贴(KA7500B构成的"明纬"开关电源S-120-12原理及电路分析(有误待勘) https://www.mydigit.cn/thread-277428-1-1.html
也没有说清楚,虽然@qrut大婶补了一刀,也是三言讲精髓,不便初学者理解,原帖不能编辑了,另起一帖详细分析下, 望各路大婶多提宝贵意见:tongue:
     为方便分析,先上个等效电路图
001 半桥启动等效图.PNG

一、理论分析
电路说明:T2为激励变压器,只画出了副边绕组;T1为输出变压器,只画了原边绕组。
半桥电路电路中的隔直电容C7,有的电路中是没有的。本电路中没有C7也可以正常启动。C7的作用是消除半桥电路中可能在高频变压器中出现的直流偏磁。但是,C7取值过小,对电路的正常运行还是有影响的。
两个概念:一是电感两端的电流不能突变,二是电容两端的电压不能突变。
本电路的对称半桥电路,上桥由R4、R7、R6组成Q1的b级直流偏压;下半桥由R8、R11、R10组成Q2的直流偏压。上电后,随着整流滤波后的电压上升,由于元件参数的差异及外在因素影响,总有一组直流偏压先到达启动条件,使开关管Q1或Q2进入弱导通状态,这是不稳定的起点。这时也存在有Q1与Q2同时导通的瞬间,但,由于时间极短,电流很小,不足以击穿开关管。其实,在两个开关管轮流导通与截止的轮换时,都会有个同时导通的微小瞬间,所以,在TL494接管电路工作之前的自激状态,开关变压器会叫、开关管会发热。而TL494接管后,由于“死区”的存在,世界就会变安静。
进入正题:
002 半桥自激启动分析.png
分析时,以上半周电流方向为参考正,就是设定Q1导通时电流方向为正,此时自感电压和互感电压也为正。

分五个时间段进行分析,前沿(上冲)、平顶(峰顶)、后沿(下降)、平底(谷底)。以Q1先导通为例,不考虑C7的存在。电路启动后,不在考虑启动电阻R4和R8的存在。
0、微弱的电流流向是:+B→A→C→N3⑨⑦→T1→C6→“地”。这时在线圈N3上(电感两端的电流不能突变)将产生(抵抗电流增大的)自感电压,同名端为“+”, 线圈N1和线圈N2上产生互感电压,同名端为“+”。N1的电压,通过C8(电容两端的电压不能突变,上电的时刻其电压为“0”,相当于短路,N1的互感电压直接加到Q1的BE结上)加速Q1导通,使其迅速进行饱和状态;N2的电压通过C9加速Q2截止。电路中C点的电位上升到+B。这是一个极短的瞬间完成的,形成一个脉冲的上升沿。
1、当Q1进入饱和状态、Q2进入截止状态后。由于T1、T2的存在,回路中的电流几乎将以线性增加。此过程中,N3自感电压不变(由Ul=L*(di/dt)可知,电压极性不变,大小几乎不变)。互感N1、N2的电压也不变。N1的电压对C8进行充电,电压与电容极性一致,是正极性电压;N2的电压对C9进行反极性充电。电路中C点的电位保持在+B。这是一个电流i_N3线性增加的过程。
2、随着i_N3的增加,当T2的N3磁饱和时,i_N3将脱离线性方式,急剧增加到一个极大点而不再增加(说明ⅰ),这时,回路电流消失。N3中没有电流,N3自感电压消失,N1、N2的互感也消失。C8、C9停止充电。下一时刻进入换路,N3释放磁能,产生一个与原极性相反的电动势(也可理解为说明ⅲ),图中,同名端为“-”。N1和N2上产生互感电压,同名端为“-”。N1的电压,通过C8(相当于一个电压源)加速Q1截止,使其迅速进行饱和状态;N2的电压通过C9加速Q2导通。回路电流方向为:+B→C5→T1→N3⑦⑨→C→B→“地”。电路中C点的电位下降到“地”。这是一个极短的瞬间完成的,形成一个脉冲的下降沿。
说明:ⅰ、有芯电感磁饱和后电感值随着电流的增加而下降,趋于一个定值,这将导致其电流剧烈增加,也趋于一个定值。ⅱ、回路中,如果是T1先饱和,电流的剧增也会导致N3饱和。ⅲ、N3的电流突然变为“0”后,根据换路时刻电感两端的电流不能突变,其会产生一个与原电动势相反的电动势,以继续延续原来的电流。ⅳ电路的换路是由电感的感应电动势的交变产生的,其实就是流过电感的电流决定的。本电路中是流过N3的电流变化引起的,可以是N3的磁饱和、也可以是C7的充电终了。
3、当Q1进入截止状态、Q2进入饱和状态后。回路中的电流又几乎将以(反向)线性增加。此过程中,N3自感电压不变。互感N1、N2的电压也不变。N2的电压对C9进行充电,电压与电容极性一致,是正极性电压;N1的电压C8对进行反极性充电。电路中C点的电位保持在“地”。这是一个电流i_N3增大的过程。
4、随着i_N3增大,N3又一次磁饱和,回路电流消失。N3中没有电流,N3自感电压消失,N1、N2的互感也消失。C8、C9停止充电。下一时刻进行换路,N3产生一个与原极性相反的电动势,同名端为“+”。N1和N2上产生互感电压,同名端为“+”。N1的电压,通过C8加速Q1导通,使其迅速进行饱和状态;N2的电压通过C9加速Q2截止。回路电流方向为:+B→A→C→N3⑨⑦→T1→C6→“地”。电路中C点的电位上升到+B。这是一个极短的瞬间完成的,形成一个脉冲的上升沿。

此后依次为1→2→3→4→1→2→……

各时刻归纳如下:
各时刻.png

二、仿真情况
由于各种原因,没有在实际电路上进行测试,先用仿真看一下
电路
100 FZ半桥启动仿真图.PNG
各测试点
各测试点.png
下面是各点的波形图,以回路中的电流为参考正,不考虑C7的存在。
1、线圈N3的自感电压,电流线性增加,自感电压不变
101 电流与N3自感电压.png
2、线圈N1的互感电压,与自感电压一致
102 电流与N1互感电压.png
3、上开关管Q1的b极电压,导通后,被钳位在0.6V左右
103 电流与Q1的b极电压.png
4、电容C8两端的电压
104 电流与C8电压.png
5、上开关管Q1的ce间电压,导通后,电压为“0”,截止时,电压为+B,因为此时Q2导通了。
105 电流与Q1的CE电压.png
6、中间点到地的电压,就是下开关管Q2的ce间电压
106 电流与C点到地的电压.png

与分析相吻合,下面是各点参考电流的波形
100 电流与各点电压ok.png
仿真是一种理想的状态,只能作为理论依据,实际电路有各种因素影响,会与仿真有差别。

给自己挖个坑,以后填吧:titter:
祝各位坛友们周末快乐!!


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 楼主| 发表于 2021-10-15 11:42:41 | 显示全部楼层
本帖最后由 jf201006 于 2021-10-16 15:14 编辑

这是一个坑 打算放实际电路的波形抓紧时间对电路进行测量,先确定测量点
image.png


在主板上进行标注
主板测试点(反).jpg
主板测试点(正).jpg


本次使用的电流采样电阻
电阻.jpg


探头是减10倍衰减的
电压.jpg
电压J.jpg


匆匆测量
00.jpg


测量结果
1、C7小是间歇自激振荡,无C7就是连续自激振荡
01 001 间歇0.jpg


2、回路中的电流与线圈N3自感
02 电流与N3自感0.jpg


3、回路电流与线圈N1互感
03 电流与N1互感0.jpg


4、回路电流与上开关管b极电压Vb
04 电流与上管Vb0.jpg


5、电流与上加速电容C8的电压Vc8
05 电流与电容电压Vc80.jpg


6、回路电流与上开关管Q1的ce间电压Vce
06 上管Vce0.jpg


8、回路电流与下开关管Q2的ce间电压Vce
07 下管Vce0.jpg


仿真一下电流与N3自感
电容104
03 10.JPG
电容155
02 15.JPG
无C7
01 D.JPG


不知电流采样电阻对测量有无影响,再测量一下没有电流采样电阻的情况
W00.jpg


1、 电流 自感N3与N1互感
W03 电流与N1互感0.jpg


2、电流 自感N3与上开关管Vb
W04 电流与上管Vb0.jpg


3、电流 自感N3与加速电容Vc8
W05 电流与电容电压Vc80.jpg


4、电流 自感N3与上管Vce
W06 上管Vce0.jpg


可见,影响不大。
实际测量图中,误将C7的1.5u标为了105。
不论是仿真还是实测,在没有C7的情况下,都没有出现电流剧增,但电路确实换路了。
当C7减小时振荡频率增加,应该是C7的电充满导致电路换路的。

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 楼主| 发表于 2021-10-15 11:43:18 | 显示全部楼层
本帖最后由 jf201006 于 2021-10-16 20:32 编辑

这也是一个坑:titter:因为测试用的12V电源修过,后测试中烧过元件,就找了一个没有修过的5V电源再测量一下
00.jpg


主控使用TL494
03.jpg


主板全貌,已将隔开辅助电源并做了一个300欧姆的负载,将2.2U的C7电容短路,串入1.3欧姆的电流采样电阻
01.jpg


测量结果如下:
1、电流与N3自感
04 电流与自感N3.jpg


2、电流与N1互感
05 电流与互感N1.jpg


3、04 电流与上管Vb
06 电流与上管Vb.jpg


4、05 电流与电容电压Vc8
07 电流与电容C8.jpg


5、电流与上管Vce
08 电流与上管Vce.jpg

与前面用12V电源测试结果相差不大。
总觉着这个波形不是想像中的,是实际电路的分布参数引起的,还是自己分析的还有遗漏?


折腾了一天的半桥电路,累了,就这么着吧:titter:

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发表于 2021-10-15 15:11:29 | 显示全部楼层
赶紧端个小板凳前排听大婶讲课

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qrut + 6 熱心會員
jf201006 + 6 但愿能在帖子编辑有效期内完成电路的测量。.

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发表于 2021-10-15 16:25:57 | 显示全部楼层
本帖最后由 简燕 于 2021-10-15 16:34 编辑

仿真电路里,把C7短路掉后,接替C7的是C5和C6.
如果把C5和C6换成150V电压源,C7就必须有.
根据最后一张仿真的波形图(电流电压参考图),N3的电流电压显示,T2的磁芯没有出现饱和的现象.

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jf201006 + 6 精彩回帖 是的,这是仿真,元件是理想模型.

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发表于 2021-10-15 16:33:06 | 显示全部楼层
ljlun 发表于 2021-10-15 15:11
赶紧端个小板凳前排听大婶讲课

算我一个在后排~

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jf201006 + 6 歡迎探討

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 楼主| 发表于 2021-10-15 16:35:55 | 显示全部楼层
qrut 发表于 2021-10-15 16:33
算我一个在后排~

大婶取笑我来了:cry::cry:
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发表于 2021-10-15 16:40:19 | 显示全部楼层

真的 老兄讲的细致入微,非常值得学习:praise:

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jf201006 + 6 多多指教

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 楼主| 发表于 2021-10-15 16:47:40 | 显示全部楼层
qrut 发表于 2021-10-15 16:40
真的 老兄讲的细致入微,非常值得学习

现在还是纸上谈兵,过几天实测一下电路才能下定论。
先挖好坑,逼自己来填,就怕误导别人:titter:

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 楼主| 发表于 2021-10-15 18:21:41 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
本帖最后由 jf201006 于 2021-10-15 18:23 编辑
简燕 发表于 2021-10-15 16:25
仿真电路里,把C7短路掉后,接替C7的是C5和C6.
如果把C5和C6换成150V电压源,C7就必须有.
根据最后一张仿真的 ...


牛人,观察很仔细。在第一张N3自感波形可见,电流没有剧增。不知是不是我仿真的器件有问题。因为没有合适的T2模型,所以用了两个其他模型代替。
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发表于 2021-10-16 15:33:47 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
明伟24v开关电源现在公版仿制的也多

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jf201006 + 6 我很贊同

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 楼主| 发表于 2021-10-17 16:21:45 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
本帖最后由 jf201006 于 2021-10-17 16:27 编辑

其实,从实测波形来看,应该是T1和线圈N3一先一后磁饱和的。
仿真中,为了与原电路尽量一致,加了T1,如果没有T1,仿真中应该可以看到线圈N3磁饱和的电流的剧增
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发表于 2021-10-18 12:19:14 | 显示全部楼层
jf201006 发表于 2021-10-17 16:21
其实,从实测波形来看,应该是T1和线圈N3一先一后磁饱和的。
仿真中,为了与原电路尽量一致,加了T1,如果 ...

我认为,在这个电路中,T1和T2都不会磁饱和。
T1是主变压器,无论在自激启动还是他激工作时出现磁芯饱和,结果只有一个,炸机。
T2是驱动变压器,在他激工作时不会也不能出现磁芯饱和,否则TL494PWM芯片会失去对开关管的控制,电路无法工作。N3线圈与T1初级线圈串联,电流相同。在电路满载工作时,流过N3的电流比自激启动时要大的多。再者,TL494芯片的驱动电流也加在T2磁芯上,稳态时其励磁方向与N3的一致,与N3的励磁同向叠加,也就是说在他激工作即使是在空载状态,T2磁芯的励磁强度也比自激启动时大。第三,在他激工作功率管换向时,PWM驱动电流在T2上产生的磁场反向,与N3的励磁方向相反,轻松灭掉N3的影响,强制驱动功率管换向。也就是说PWM芯片驱动电流的励磁强度远大于N3上电流的励磁能力。综合上面三点,T2磁芯在自激启动时,只靠N3那点小电流,不会磁饱和。




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 楼主| 发表于 2021-10-18 15:33:16 | 显示全部楼层
简燕 发表于 2021-10-18 12:19
我认为,在这个电路中,T1和T2都不会磁饱和。
T1是主变压器,无论在自激启动还是他激工作时出现磁芯饱和 ...

这样分析也是对的,下图中是电流与自感N3的对比。自激状态下,电流的上冲、缓降和两次的剧降是由什么产生的?
电流分析1.jpg
正是这个缓降,上下管都通了,所以在自激状态下很容易烧管。
想不通这几个状态的拐点是由什么元件在什么状态下产生的。

另:在仿真中,如果去掉T1(短路原边两脚),电流有显上冲,应该是N3饱和了
image.png

大佬请指教哈:loveliness:

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发表于 2021-10-20 16:44:29 | 显示全部楼层
搬个小板凳,后排学习观摩:lol:

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发表于 2021-10-20 19:07:28 | 显示全部楼层
讲得太专业了,好多看不懂。:cry:

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发表于 2021-10-21 21:05:11 | 显示全部楼层
本帖最后由 简燕 于 2021-10-21 21:06 编辑
jf201006 发表于 2021-10-18 15:33
这样分析也是对的,下图中是电流与自感N3的对比。自激状态下,电流的上冲、缓降和两次的剧降是由什么产生 ...

大佬的称呼可不敢当。

仿真图里电流巨变的原因不知道。仿真电路里有真实参数元件,也有理想元件,可能性很多。不过,仿真电路图中功率管的CE两端缺少续流二极管,如果功率管使用的是真实参数元器件的话,有可能会导致这种现象。

实测电路里电流过冲的现象,可以这样试验一下,在正常他激工作模式下,如果轻载时电流过冲小,重载时电流过冲加大,就可以确认是T1的次级漏感和整流二极管需要恢复时间这两个因素一起导致的。T1是个功率变压器,初级线圈的电流波形受次级绕组的影响比较大。

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jf201006 + 20 歡迎探討 这个电路我有点头大了,回头测量.

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发表于 2021-11-6 18:39:00 | 显示全部楼层
本帖最后由 邓穿石 于 2021-11-6 18:40 编辑

昨天和网友讨论494电源原理,今天回头看看JF201006大侠的帖子,学习一下。
楼主的专研精神很值得学习,后面对电流波形的疑惑,我有点不成熟的看法。


先声明我的看法是猜测,不负任何责任。呵呵
2018062003364490.jpg


楼主是忘了考虑,变压器的电流其实是要加上输出电流的反映
120750yp6txsokgkyqqszs.png
这个公版电路
主输出.jpg
此图底下手画的电流示意图
A主输出电感电流,红色是变压器电压推动电流上升电感储能,蓝色是电感能量释放。
B就是变压器初级提供的电流。
C是图中黄色框部分辅助供电,这里没有电感,电流随电容电压升高而降低。
D是电路中非理想部分的比如变压器匝间电容,二极管等效电容等等体现为容性特征的电流体现。

最后,把上面BCD部分的电流相加,就与楼主看到的相差不大了吧。
至于其中的缓升和缓降,那是排除掉上述BCD电流外,的自震荡电流,楼主的仿真里的电流,无负载电流

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 楼主| 发表于 2021-11-6 20:18:31 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
邓穿石 发表于 2021-11-6 18:39
昨天和网友讨论494电源原理,今天回头看看JF201006大侠的帖子,学习一下。
楼主的专研精神很值得学习,后面 ...

感谢邓工参与讨论。
是的,是的。
我也是没有太考虑变压器二次端的反馈,在后来的自激振荡测试中,我把两个变压器的二线圈全都开路了。电流波形还是没有大的变化。如果短路T1一次侧,电流波形变化比较大。T2变压器我也拆开看过,N3只有两圈绕组,不易饱和,感觉应该是T1饱和了。
图在另外电脑上,过两天传上来。
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发表于 2021-11-12 12:39:36 | 显示全部楼层
本帖最后由 zdylong 于 2021-11-12 12:41 编辑

大神发文章,先膜拜,再学习:lol::praise:@大神:有没有安钛克 EA-750的图纸?

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