自激振荡开关电源.docx

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自激振荡开关电源

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5.5～6.5V；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更是小到2-3W。

为了节约成本，国内许多厂商都采用RCC（RingingChockConverter）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。

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。

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，输出电压经电阻R1、R2分压采样与基准电压比较，差值进入PFM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。

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AC180-240V50/60Hz0.1A

输出DC6.5V500mAMAX

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AC220V100mA

输出DC4.2V180±80mA适用于250-3000mAh（毫安时）电池

图（3）

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AC110-250V50/60Hz0.1A

输出DC5V300mA

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D1～D4桥式整流、C1滤波后到开关变压器。

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）。

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（①-②）产生自感电动势，极性“①正②负”，辅助绕组（③-④）极性“③正④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——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“⑤负⑥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的集电极电流增加到接近峰值时，变压器主绕组极性反转“②正①负”，辅助绕组“④负③正”，Q1基极有反向偏置电流Q1截止——正反馈效应（通俗地说就是一旦退出导通就快速地截止）。

图（5）深圳市某电子有限公司生产的“快速手机充电器”

此时次级绕组“⑤正⑥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。

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

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。

图（8）1是P5点电压波形，2是P4点电压波形图（9）P5点电压波形

图8显示在某负载下P5点电压峰值约为472mV（），由此可知Q1发射极电流峰值约为69.4mA（472mV/6.8Ω）。

此时，还可以粗略计算出占空比D（=/），方法如下：

关掉通道CH2拉开波形，如图9，启用数字存储示波器测量功能，测量Q1导通时间=1.52us，而开关频率，即，因此——这个数值显示负载比较轻！

理论分析：

若以热地为参考点，当辅助绕组“④正③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“③正④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。

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——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。

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。

图（14）1是P3点电压波形，2是P4点电压波形图（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，同时导通时间也随之变短，另外，输入电压的升高也会引起导通时间变短。

可以想象：

当输入电压最高，输出功率最小时也最短；若输入电压升高，输出电流又下降，它作为最小值的输入电压与输出电流的界限时，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。

四、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Q4～Q7及外围电阻R11～R14，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→R11→R13→Q7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：

基极→R14→R14→Q6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