开关电源电路分析

在本文中分析常见的TA四片机芯（即东芝Ⅱ型机芯）的开关电源电路。该电路结构非常典型，应用广泛。例如，早期的北京牌14英寸、18英寸彩电就采用这种类型的电路。目前，长虹生产的新型彩电2191（21英寸）、2591（25英寸）也采用这种这种电路。 一、 电路基本结构

图1 东芝四片机开关电路的原理方框图

图1所示是该开关电源的原理方框图。这是一个并联型自激振荡式开关电源。220V交流电经D801～D804四个整流二极管组成的桥式整流器整流后，负极端通过一个限流电阻R801接地。正极通过C802、C807滤波后（这是一个由电容组成П型滤波电路）。输出300V左右的直流电压（该电压为波动的直流电压）。Q801是开关管（NPN型三极管）。Np是开关变压器的初级绕组。一端与输入回路，另一端与Q801的集电极相连。Ns是开关变压器的次级绕组（这是一个有三个抽头的次级绕组，其中第③脚接地），D815、C818和D816、C820分别组成两个半波整流滤波电路。为负载（指电视机的其它电路）提供114V和24V两种稳定的直流电压。请注意变压器的同名端。

- 1 -

保护电路Q805、D822～220VD801～D804R803NpNsD815+114VC818D816R801C809RC802C807L801R804Q801D805R807C826激励电路D807～D809R808、C811C821NdD810R805Ns+24VC820R810R811脉宽调制器Q803、Q802R812Z814R851误差放大器Q804D811C813NgD812R803、R804和L801、R807、R809（R809未画出，是Q801基极与地之间的分压电阻）组成启动电路，在电源开启时给开关管提供启动电流。开关变压器的正反馈绕组Nd（实际上这也是一个次级绕组）和D807～D809、R808、C811组成一个激励电路。Nd绕组的同名端与激励电路相连，为开关管提供正反馈。另一端通过R805（这也是一个限流电阻）接地。

Q802、Q803组成一个脉冲宽度调制器，控制开关管饱和、截止工作时间。开关变压器的负反馈绕组Ng（同名端接地）、R812、D812和Q805、D822组成保护电路，为开关电源提供过压和过流（输出电压过高和输出电流过大）保护功能。负反馈绕组（取样绕组）Ng、稳压二极管D814（提供基准电压）和取样电位器R851、Q804组成误差放大电路。去控制Q802和Q803组成的脉冲宽度调制器的工作状态。间接地控制开关管的饱和、截止工作时间。起到稳定输出电压的作用。

二、 电路及工作原理

图2（最后一页）所示为东芝Ⅱ型机芯的开关稳压电源的电路图。该电路由输入回路、开关振荡电路、脉宽调制电路、误差放大电路、保护电路、输出回路等六个功能电路组成。 1、 输入回路

图3所示为东芝Ⅱ型机芯的开关稳压电源的输入回路。P801是电源插头，S801是电视机开关。P580的①、②端是接插件。F801是交流保险丝，其作用是保护因开关电源内某个元件损坏，而造成的短路。T803、和C830、C831组成第一级馈线低通滤波器，T801和C801组成第二级馈线低通滤波器。图中所示的是平衡L型。把开关电源与交流电网隔离开来，目的：一是为了滤除掉低频交流电中的高频干扰脉冲。二是防止开关电源中的高频脉冲干扰交流电网。

F801 3.15AT802P801P801C801 100.0nT803C830 220.0pL901 1.0mR890NTCC803 4.7nC804 4.7n

D801D804 1N4007C806 4.7nC807 120.0uC802 2.2nC805 4.7nR801 6.2C831 220.0p

图3 输入回路

901是消磁线圈，这个线圈是绕在显像管壁上面的，R890是正温度系数热敏电阻。这两个

- 2 -

元件组成一个开机自动消磁电路。用于消除显像管金属部件的剩磁。以免造成电视图像的彩色失真。

由D801～D804四个二极管组成桥式整流器，C803～C806组成高频旁路电容。C802和C807组成一个П型滤波电路，另外，C802还是交直流地之间构成回路的电容，接地端与馈线低通滤波器的电容接地端连在一起。其接地符号特殊以识区别。C807是一个容量为120uF、耐压为400V的电解电容（体积较大）。220V的交流电经整流滤波后，变成约为300V左右的直流电压。因此，电视机开机后，C802两端电压为300V左右。电阻R801是限流电阻，阻值较小但瓦数较大，当电流超过额定功率时，电阻会损坏而造成电路的断路。起到一定的过流保护作用。 2、 开关管振荡电路

图4所示为东芝Ⅱ型机芯的开关稳压电源的开关管振荡电路。300V的直流电压一方面通过开关变压器T802的初级绕组⑴－⑿端给开关管Q801集电极供电，另一方面又通过启动电阻R803、R804，流经L801和R807并联端并与R809分压，为Q801基极提供一个正向偏置电压。使其导通并进入放大状态。当开关管Q801的集电极电流流过T802的初级绕组Np时，产生自感电动势，其极性为⑴端为正、⑿端为负。因此在次级绕组（激励绕组）Nd也产生互感电动势，极性为⑩（同名端）端为正、⑨端为负。⑩端的电压经D809、C811、R808、R807送至Q801的基极形成正反馈。该正反馈过程如下所示：

Q801的基极电位上升→基极电流增加→集电极电流增加 激励绕组的互感电动势上升←初级绕组的自感电动势上升← 结果使Q801迅速进入饱和状态。集电极电流不再增加，T802的初级绕组电流变化率为零，初级绕组的自感电动势降为零。激励绕组的互感电动势也降为零。那么给Q801提供的正反馈就消失了。经一段时间后，Q801退出饱和状态进入放大状态。此时流经变压器初级绕组的电流开始减小，各绕组产生的感应电动势极性翻转，极性为⑴端为负、⑿端为正、⑩（同名端）端为负、⑨端为正。基极电流减小又导致集电极电流减小。从而形成一个反向的正反馈。该正反馈如下所示：

Q801的基极电流减小 集电极电流减小

激励绕组的互感电动势反向上升←初级绕组的自感电动势反向上升← 结果使Q801迅速进入截止状态。Q801进入截止状态后，流过开关变压器绕组的电流降为零。变压器绕组产生的感应电动势也逐渐降为零。

1 6 C807 12 4 R803 L801 R804 D809 3 C809 Q801 10 L807 R807 R808 L806 R809 C811 9 R802 R805 D805 - 3 -

图4 开关管自激振荡电路

然后，开关管在启动电路提供电流的情况下，又从截止状态重新进入放大状态。开关变压器的感应电动势的极性，变成⑴端为正、⑿端为负。因此在次级绕组（激励绕组）Nd也产生感应电动势，极性为⑩（同名端）端为正、⑨端为负。⑩端正电压又通过C811、D809和R808正反馈网络，以及L804、R807、R809重新使Q801导通。如此周而复始。开关管这种振荡工作方式，是间歇振荡器（为自激式）。正反馈回路由开关变压器次级绕组和电容C811、R808和D809组成。

对于这类变压器并联型自激式开关电源。有如下特点：

（1） 都有一个启动网络，作用是开机时，为开关管基极提供一个启动电流。通常由电阻串联

电路或RC串联电路构成。

（2） 都有一个正反馈网络，为开关管自激振荡提供一个正反馈（这与正弦波振荡器中的正反

馈作用是一样的）。通常由RC串联电路或RD、RDC（D是二极管）串并联电路构成。 （3） 开关管工作在间歇振荡方式下。

附加元件及电路说明：

（1） 在Q801的集电极与地之间接有电容C827，以及发射极与地之间接的电感L806（高频阻

流圈），是用来抑制开关管振荡过程中产生的高次谐波干扰。

（2） 由C809、L807和R802、D805构成一个削波电路。以避免开关管从饱和到截止时，开关

变压器初级绕组中产生的过高反峰脉冲电压击穿开关管。 3、 输出回路

图5所示为东芝Ⅱ型机芯的开关稳压电源的输出回路。

（1） 114V直流输出电路：增加了L802和L803两个电感，它们与C818组成一个T型滤波电

路。另外，L805和C817组成一个串联谐振电路，目的是为了抑制掉直流电压中的高频分量。

（2） 24V直流输出电路：增加了L804和R607、R606，它们组成一个L型的RL滤波电路。另

外，C819并联在D816两端。抑制掉来自开关电源的高频振荡干扰。

- 4 -

C819 100p3C820 470uR606 8204L805C817 560pL8026D8153D816L803C818 100uL804R607 820+24V+114V

图5 输出回路

4、 脉冲宽度控制电路

图6所示为东芝Ⅱ型机芯的开关稳压电源的脉宽调制电路。这个开关电源的开关管振荡频率，是由正反馈网络的元件数值决定的。基本上是固定不变的（另外有一种开关电源的开关管的振荡频率受行扫描频率控制）。为能保持输出电压不变，需要一个控制电路，来控制开关管振荡过程。当振荡频率不变时，就只有对开关管的饱和和截止时间进行控制。即对脉冲宽度进行控制。

由R806、Q802和Q803组成复合管工作电路，它们也工作在开关工作状态。当Q803基极和Q802的发射极为高电位时，两个三极管同时导通并进入饱和状态。如果不满足上述两条件，则两个三极管处于截止状态。这个电路与C821、D810、D807、D808和R810、R811构成了脉冲宽度控制电路。其具体工作过程如下所示。

1 6 C807 R808 D809 12 4 C811 10 C821 R810 D807 D808 R808 D810 R811 R805 Q802 8 Q803 R812 7 C813 R814

图6 脉冲宽度调制电路

当开机时，300V直流电压经R810、R811、C813、R812、R814到地（Ng绕组的⑧、⑦端），对C813充电，使C813的极性为左正、右负。C813左端的正电压加到Q803的基极。使Q803基极为高电位。当Q801处于从截止到饱和状态期间，开关变压器的正反馈绕组的⑨端为负电位，Q802、Q803因此处于截止工作状态。当Q801处于从饱和到截止状态期间，开关变压器的正反馈绕组⑨端为正电位，⑨端的正电压使D810导通，并对C821充电，C821极性为下正上负。充电后的C821下端正电压通过电阻R806加到Q803的集电极，Q803导通并饱和。Q803饱和后造成Q802基极电位被箝位在0.3V左右，因此低于其发射极电位，所以Q802也导通并饱和（符合PNP型三极管导通条件）。Q802导通后其发射极电位接近集电极的零电位，这将C821下端的正电位箝位到地电位。又因C821上端电压低于下端电压，致使C821上端形成负电压，该负电压使D808、D807导通，使流向Q801基极的电流被分流（使用两个二极管的目的，是使Q801基极电位到⑩端电位有一个1.4V的压降，这样可防止Q801截止过深），从上述分析可以得出：Q802、

- 5 -

Q803的饱和导通不仅可以加速Q801进入截止状态。而且可使Q801继续保持截止状态，不会进入放大和饱和状态。此时，取样绕组Ng的⑧电压为正、⑦端为负，这个正电压经R812、R814分压后，对C813充电，使C813的极性变为右正、左负。随着C813左端电压的下降到一定程度，使Q802、Q803又重新进入截止状态。Q801又重新导通并进入饱和状态。

从上面分析可知，开关管Q801和Q802、Q803组成的复合管的开关工作状态是相反的。因此，只要控制Q802和Q803的饱和和截止时间，就可控制Q801的截止和饱和工作持续时间。达到控制脉冲宽度的目的。 5、 误差放大电路

图7所示为东芝Ⅱ型机芯的开关稳压电源的误差放大电路。误差放大电路由取样绕组Ng（⑧、⑦端）和D811、R820、C815、Q804（误差放大管）、R817、R818、R851（可调电位器）、R815、R816组成。取样绕组上的感应电动势与初级绕组上的感应电动势成正比，这个感应电压经D811整流、R820和C815滤波后，成为直流电压，这个电压大小与114V输出电压成正比，正常值为21V左右。D814和R815组成基准电压电路，D814工作在击穿状态，压降为7.5V（型号为O5Z7.5Y）。这就是说提供给Q804发射极的电压大小，正常值为21－7.5＝13.5V。R817、R851和R818组成取样电路，21V直流电压经三个电阻分压后得到的误差电压加到Q804的基极。调节R851使Q804基极电位也为13.5V左右。使Q804截止，误差放大电路不起作用。（C814为防止Q804自激的中和电容）。

去Q803基极 8 D814 R817 O5Z7.5Y 7 C815 R820 D811 C814 Q804 R815 R851 C813 R818 R816 图7 误差放大电路

当输出电压升高时，相应地在取样绕组Ng上的感应电压也会升高。Ng上感应电压经整流滤波后形成的直流电压也会升高。D814上的电压降不会随着输入电压的升高而升高，基本上是固定不变的。所以升高的电压都转移到R815上，这样就使得Q804发射极电压升高，同样，经取样电路取出的电压也会升高，但升高的幅度不会超过射极电压的升高幅度，Q804因射极反偏、集电极正偏而导通，因此有电流流经Q804射极、集电极、R816到Q803基极和C813。且感应电压越高，Q804导通程度加大，射极电流也相应增大，这使得C813的左端电位升高，Q803基极电压升高，基极电流增大，导通时间加长，随之Q802的导通时间也加长，导致开关管Q801截止时间加长，输出电压下降，保持电压稳定。

当输出电压下降时，整流滤波后的直流电压也下降，Q804导通程度下降，发射极电流减小，集电极电压下降，Q803基极电压下降，Q803、Q802导通时间缩短，开关管Q801截止时间缩短，

- 6 -

输出升高，从而保持输出电压稳定。

误差放大电路只能在小范围内稳定输出电压。当输出电压的波动范围过大时，误差放大电路也会失去作用。输出电压过低基本上不会造成元件的损坏。但当输出电压过高时，会造成元件的损坏。这时需要另一种电路来控制输出电压。 6、 保护电路

开关电源的保护电路主要有过压保护电路和过流保护电路两种。下面分别进行说明。

300V 10 R803 C821 D810 9 8 至Q801基极 R804 至Q802发射极 R805 7 D820 R823 C826 Q805 D822 R826 R812 R814 D812 R824 C825

图8 过压保护电路

（1） 过流保护

主要是利用开关变压器激励绕组进行。由于负载短路，造成电流过大时，开关变压器激励绕组产生的正反馈电压会急剧下降，从而使开关管和开关变压器激励绕组形成的正反馈不能正常进行，开关管处于截止状态，从而达到过流保护目的。 （2） 过压保护

图8所示为东芝Ⅱ型机芯的开关稳压电源的过压保护电路。由反馈绕组Nd、取样绕组Ng、R812、R814（这两个电阻组成分压电路）、D812、D820、Q805（可控硅）、D822（稳压二极管）、R825等元件组成。

在正常状态下，可控硅Q805和齐纳二极管D822均处于截止状态。当误差放大器Q804或脉宽调整管Q803、Q802等电路发生故障时，造成开关管导通时间过长，输出电压急剧上升，或因负载开路造成输出电压急剧升高（自激式开关电源是不能空载的，因为存储在开关变压器的磁能得不到释放，会产生较高的感应电动势。击穿开关管引起短路故障）。只要电压超过175V，保护电路就会动作。动作过程如下：当取样绕组的感应电动势急剧加大时，⑧端正电压经R812、R814分压后，通过R825加到D822的负端的电压也会升高。当升高到超过D822的击穿电压6.2V时，D822导通，并将这个电压加到可控硅的控制极，使可控硅Q805导通。Q805的正端电位被

- 7 -

箝位到地电位。另外，取样绕组的⑧端正电压经D820整流后对C826充电，且在Q805导通之前已充有6V左右的电压，极性为左负右正。当Q805导通后，C826开始经放Q805到地放电，本来流向Q801基极的电流全部流向R823、C826、Q805到地。致使Q801无基极电流。与此同时，在可控硅导通后将其正端箝位到地时，二极管D820正偏导通，这样便将Q802射极也箝位到地，C821上的负电压加到开关管基极使开关管截止，初级绕组无电流流过，因而无感应电动势。相应地，次级输出绕组也无感应电压，输出电压为零。从而完成过压保护任务。

- 8 -

- 9 -

- 11 -