路灯监控终端电源原理分析

辛 军

大连市路灯管理处 (116021)

摘 要 以大连市路灯监控终端设备的开关电源为例，分析电路原理，为监控终端维护人员掌握和维修开关电源提供参考。

关键词 路灯 监控 电源 分析

路灯监控终端设备的电源，一般采用开关电源，这是一种无工频变压器的脉宽调制型稳压电源，直接采用整流、高频变换和脉宽调制技术，甩掉了笨重的50Hz变压器，具有体积小、重量轻、效率高、输出稳定、性能可靠等优点，因此在微机和其它小型高技术设备中得到广泛应用。

开关电源实际上是个变换器，它将220V交流市电整流变成直流电，通过变换型震荡器将直流电变换成频率较高的矩形或近似正弦波的电压，再经过高频整流滤波，形成负载所需要的低压直流电源。它通过控制电路对变换器输出的脉冲电压宽度进行调制，从而达到稳定输出电压的目的。在开关电源中，变换器是整个电源的核心，其震荡频率一般在20kHz，由于比市电50Hz频率高得多，从而使所采用的高频变压器及滤波元件的体积和重量都大为减小，而且变换器中使用的三极管元件均工作在开关状态，故减小功率损耗，提高了电源效率。

在开关电源中，功率变换电路常用的有两种形式，一种为单管自激式变换电路，另一种为双管半桥式变换电路，原理虽然不同，但道理相似。现以大连市路灯监控终端设备的开关电源为例，分析电路原理，为监控终端维护人员掌握和维修开关电源提供参考。监控终端设备开关电源原理图见图1，工作原理如下：

1、输入电路

220V交流市电输入开关电源后，经过熔断器F1接入由电容器C和电感L组成的低通滤波器。图中C1、L1、C2组成差模抗干扰回路，L1、C3、C4和L2、C2、C5组成2级共模抗干扰回路，它的作用是抑制来自电网的高频干扰，同时抑制开关电源产生的反向高频干扰，以免污染电网。这样的组合对各种射频干扰的抑制具有很好的效果。R0为热敏电阻，热电阻小，冷电阻大，限制启动时的浪涌电流， 避免加电时的浪涌冲击损坏电路元器件。QZ、C6、C7组成桥式全波整流滤波电路，将市电交流电压变为直流电压，为变换器提供300V的直流工作电源。

2、变换器电路

由Q1、Q2大功率三极管、高频变压器T1，辅助变压器T2，以及周围电阻、电容、二极管组成双管半桥式变换器电路，其作用是将300V直流电压变换成高频交变的矩形波电压(这种变换方式也称为逆变)，经高频变压器输出绕组及整流滤波，为负荷提供稳定、高质量的直流电源。变换器电路是开关电源的核心，其工作原理如下：

设备加电，经输入电路，输出300V直流电压，平均加到滤波电容C6、C7上。由于Q1、Q2基极偏置电路的作用，Q1首先导通，C6经过Q1的C-E极、T2、T1和C8形成放电回路。同时T2绕阻对Q1的基极偏置，使Q1基极电流进一步增加，Q1的C-E极电流也不断增加，Q1进一步加速导通。由于T2绕阻的正反馈作用，使Q1迅速进入到饱和状态。Q1进入饱和状态后，C-E极电流不再增加，同时随着C6的放电过程，Q1的C-E极电流逐渐减小，通过T2绕阻的正反馈作用，Q1基极电流随之不断减小，使Q1迅速由饱和状态进入到截止状态，这一过程使T1原边绕组储存了能量，并耦合到次级输出能量。在C6通过Q1放电过程中，C7通过Q1被电源充电。当C6放电过程结束时，控制电路使C7开始放电，C7通过C8、T1、T2、Q2和C-E极组成放电回路，Q2开始导通，同样，通过T2绕组的正反馈作用，Q2由导通状态迅速进入饱和状态。随着C7的放电过程，Q2由饱和状态进入截止状态。这一过程在T1原边绕组储存了“相反的”能量，耦合到次级得到输出。C7通过Q2放电的同时，C6也通过Q2被电源充电。这样C7放电结束后，继续由C6对Q1进行放电，由此形成Q1和Q2开关周期的循环过程。由于Q1和Q2轮换导通，而且通过T1原边绕组的电流方向相反，所以耦合到次级的能量转换成方向不同的交变电压。交变电压通过整流、滤波输出电路，形成负载所需的直流工作电源。

为避免Q1和Q2有共同的导通时间，造成电源短路损坏Q1和Q2，必须要保证Q1和Q2的基极驱动有一个共同的截止时间，即控制驱动的“死区”时间，这项工作是由控制电路实现的。Q1、Q2的基极驱动波形，C-E极之间的电压波形及T1绕组上的波形与时间关系参见图2。

图2 Q1、Q2及T1绕组的波形图

3、控制和保护电路

由TL-494集成稳压控制芯片、驱动三极管Q3和Q4及周围电阻、电容、二极管组成。它的作用是，稳定电压，控制和保护电源按正常要求输出。其中TL-494集成稳压控制芯片是控制电路的核心。

(1)TL-494集成电路工作原理

TL-494芯片内部结构及工作原理见图3。脚12为外部对TL-494提供的电源，脚14为TL-494芯片对外提供的5V基准电压。脚8、脚9和脚10、脚11分别为前级驱动三极管Q3、Q4提供基极驱动，由此驱动变换器电路的Q1和Q2。脚5和脚6接电阻电容形成震荡器电路，在脚5产生锯齿波，送到内部比较器1和比较器2的正向输入端。由采样放大器、控制放大器的输出电平和脚3的输入电平，在比较器2的反向输入端与锯齿波进行比较。比较器2的输出端得到一定宽度的脉冲，它与控制“死区”时间的比较器1输出的最宽脉冲同时送到“与”门的输入端，“与”门的输出脉冲经触发器分频后，分别送到二个“或非”门去控制功放三极管的开关状态，由此得到相位相差180°的脉冲驱动信号。TL-494工作波形见图4。从TL-494的工作原理可以看出，脚4电平的变化，可以调节比较器1的输出脉冲宽度，从而控制驱动变换器“死区”的时间；A点电平的变化，可以调整比较器2的输出脉冲宽度，控制脚8和脚11输出脉冲的宽度，从而控制变换器Q1和Q2的导通时间和输出脉冲的宽度，达到稳定输出电压的目的。

图3 TL-494内部结构及原理

(2)稳压原理

稳压取样信号来自输出电路，即从电源输出端经过电阻R1、R2和电位器RW分压，加到TL-494采样放大器的脚1端。采样放大器的脚2端为固定的基准电压，这样采样放大器的输出A点电压取决于脚1端的电平变化。当输出电压偏高时，脚1端电压升高，经采样放大器输出使A点电平提高。从图4波形图可以看出，A点电平向锯齿波尖方向上移，使比较器2输出脉冲波形变窄，从而使脚8和脚11输出脉冲变窄，使Q3、Q4和Q1、Q2的导通时间减小，使图2中的T1脉冲宽度相应变窄，经整流滤波后的输出电压降低。由于整个过程是一个负反馈的闭环控制过程，最终达到了降压和稳压的目的。同理，当输出电压偏低时，通过取样电路使A点电平随之降低，图4波形图中的A点电平下移，比较器2输出脉冲波形变宽，脚8和脚11输出脉冲宽度增加，Q3、Q4和Q1、Q2的导通时间延长，图2中的T1脉冲宽度相应变宽，经整流滤波使输出电压提高，最终达到提高和稳定输出电压的目的。

图4 TL-494工作波形图

(3)过压保护原理

过压保护取样信号直接从电源输出端13.8V获取。当输出直流电压超过设定的最大值时，取样电压使稳压二极管ZD击穿，经过电阻R5、R6、R7及二极管D1，使TL-494脚4电平超过锯齿波电压最高值。从图4波形图可以看出，此时比较器1和比较器2没有波形输出，脚8、脚11没有波形输出，Q3、Q4、Q1、Q2截止，输出电压为零，实现了保护电源的目的。另一方面，当输出过压时，使Tl-494脚3电压升高，即A点电平也超过锯齿波电压最高值，这时比较器2无波形输出，Q3、Q4、Q1、Q2截止，同样起到过压保护的作用。这两种过压保护的结合，更加有效的实现了过压保护可靠性。

(4)欠压保护原理

欠压保护取样信号同过压保护取样信号一样，直接从电源输出端获取，经过电阻R3、R4为三极管Q5提供基极偏置电流。电源工作在正常状态时，取样信号通过电阻R3、R4使三极管Q5导通，输出电压通过二极管D2为TL-494提供正常的“死区”控制电平。当负荷短路或输出电压低于设定的允许值时，取样电压通过R3、R4分压使Q3基极偏置电流减小，Q3由导通变为截止状态，这时TL-494脚14的5V基准电压，经过电阻R8和二极管D2加到脚4，使“死区”控制电平高于锯齿波最大值，比较器1和比较器2无输出，Q3、Q4、Q1、Q2截止，达到保护电源的目的。

4、输出电路

Q1和Q2轮换导通，将300V直流电压切割成具有一定周期的矩形脉冲，经过高频变压器“变压”后，再经过高频全波整流和滤波，就形成负载所需要的直流工作电源。

T1高频变压器有2个副绕组，1、2、3端用于主输出回路，产生负荷所需要的直流工作电源。4、5端的作用主要是，为TL-494以及前级放大器Q3、Q4的基极偏置和集电极提供直流辅助电源。

5、常见故障与维修方法

不同型号的开关电源可能采用的变换器电路、控制电路、保护电路形式各有不同，但核心都是变换器和控制器电路。只要掌握了变换器的工作原理和控制电路(一般都采用集成电路控制芯片)的结构原理，其它各种类型的开关电源都不难掌握。同时了解其工作原理，对于故障的维修也就比较容易了。开关电源常见的故障主要有，输入电路的熔断管F1熔丝烧断，限流电阻R0击穿开路，桥式整流块QZ损坏，功率变换器的功放管Q1、Q2击穿损坏等。前三种情况只要按型号和参数更换器件即可，Q1、Q2按原型号往往很难购买到，可根据Q1、Q2的特性参数查找同类型器件替代。如图1中的Q1和Q2型号为2SC3320，通过晶体管特性手册可查到特性参数为：硅材料NPN三极管，用于开关电路和功率放大，C-E极耐压500V，工作电流15A，功率80W。还可查到具有相似特性参数的三极管有：2SC3451、2SC3844、2SC3874等，这几种型号的三极管都可以用来做替代品。特别需要注意的是，此类三极管管壳为集电极，管壳与铝散热片之间隔有绝缘材料，并用螺丝固定，散热片与电源机壳连通。因此，更换三极管时一定要注意保持管壳与散热片之间原有的绝缘材料安装正确，否则容易造成短路或人身触电危险。