惠普HP1018型激光打印機(jī)電源電路分析

葛中海

HP1018型激光打印機(jī)的電源電路包括市電電壓輸入及變換、定影系統(tǒng)供電電路、開關(guān)電源三部分。

圖1HP1018開關(guān)電源電路圖

1．市電輸入及變換

開關(guān)電源輸入電路是指高頻干擾抑制、濾除、整流和濾波電路。輸入電路的作用是把電網(wǎng)的工頻交流電變換為平滑的直流電，給開關(guān)電源提供輸入電壓，并抑制和濾除輸入端的高頻雙向干擾。

如圖1所示，市電電壓由電源三插MECH101輸入，F(xiàn)U101為延時保險管，C101、C102用以濾除共模干擾電壓信號——因為它們分別并聯(lián)在電網(wǎng)與大地之間！

接通電源開關(guān)SW101后，市電電壓經(jīng)C101、R101、L102、C104、C105、C106等元件組成的電路進(jìn)行線路濾波。其中，C101、C104串聯(lián)于市電L、N兩線之間，濾除的是串模干擾電壓；C105、C106分別并聯(lián)在L、N與大地之間，濾除的是共模干擾電壓。

L102是抗共模的扼流圈，兩邊繞成同樣的圈數(shù)。由于通過它的往返電流所產(chǎn)生的磁通，在磁芯中相互抵消，所以它對串模干擾已無電感作用，而對電源線與地之間的共模干擾則起到了電感的抑制作用。另外，C105、C106均處于扼流圈的后面，只需要小容量的電容就能起到較好的抑制效果。

R101是放電電阻，當(dāng)電源插頭拔掉時釋放C101～C106殘存的電荷，防止電擊。

VZ101是壓敏電阻，用于防止雷擊出現(xiàn)的瞬變高壓給開關(guān)電源或定影系統(tǒng)帶來危害。

D101～D104組成橋式整流電路，全波整流后，C107濾波產(chǎn)生約300V左右的電壓。

TH101是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，冷態(tài)時阻值較大，開機(jī)通電、發(fā)熱后電阻變小。用以限制開機(jī)瞬間（冷態(tài)）C107充電時的短時沖擊電流對高壓電容造成的損害。

C108、C110的材質(zhì)與C101、C104 、C105、C106類似，一般選擇聚酯膜高壓電容，屬于安規(guī)電容系列。在惠普早期打印機(jī)，比如HP1010、HP6L開關(guān)電源中，這兩個電容均不存在。在HP1018出現(xiàn)這種變化，估計是整流橋堆中二極管時有損壞或是EMC測試難通過。這兩個電容的連接很特別，它們分別并聯(lián)于交流一線（L或N）和直流一極（正或負(fù)）之間（正常工作時熱敏電阻TH101可視為短路），且處于整流橋堆的對角，疑似保護(hù)整流二極管和濾除干擾之用。

2．定影系統(tǒng)供電及控制

當(dāng)加熱陶瓷片的溫度達(dá)到185℃左右時，J201之19腳變?yōu)榈碗娖?，Q102截止，于是Q101關(guān)斷，加熱陶瓷片停止加熱；同時，微處理器發(fā)出指令使“準(zhǔn)備好”燈點亮。

如果在設(shè)定時間內(nèi)打印機(jī)仍未工作，則J201之21腳變?yōu)榈碗娖?，Q103截止，RL101觸點釋放，機(jī)器進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

Q101 之A 、K極并接的SQ101，是一個阻容串聯(lián)復(fù)合體，從元件所標(biāo)參數(shù)可知：復(fù)合體電阻為120Ω，電容為0.1μF，交流耐壓為275V。當(dāng)可控硅關(guān)斷時，阻容復(fù)合體吸收感性負(fù)載的瞬變高壓（也可以理解為“剩余能量”），保護(hù)可控硅。這種阻容復(fù)合體吸收電路，在交流市電的可控硅供電系統(tǒng)中已經(jīng)成為必選。

3．開關(guān)電源

該機(jī)采用了由開關(guān)管Q501（K2700）、開關(guān)變壓器T501為核心構(gòu)成的變壓器耦合型自激式開關(guān)電源。這個電路與HP1010電源相似度較高，網(wǎng)絡(luò)資料稱其為并聯(lián)型自激式開關(guān)電源，實為錯誤。

（1）工作過程

300V整流濾波電壓，一路經(jīng)保險電阻R523、T501的初級繞組（①-③）加到Q501的D極；另一路經(jīng)R501、R502、R503送到Q501的G極，為Q501提供啟動電流。T501的正反饋繞組（④-⑤）與Q501共同構(gòu)成開關(guān)振蕩電路。

Q501導(dǎo)通期間，高頻變壓器T501各繞瞬時極性，如表1。

表1

Q501導(dǎo)通時，正反饋繞組（④-⑤）的正極性電壓經(jīng)R505（D502反偏截止）、R505和C502（就可靠性來講，該電容最好用滌綸型，HP1018電源板用貼片瓷片電容，費解?。┘拥絈501的G極、Q501迅速導(dǎo)通，集電極電流線性增加（T501電感特性）。這種正反饋效應(yīng)，用通俗的話來說就是，一旦導(dǎo)通就讓它狠狠地通！此時，次級繞組極性使整DA501反偏截止，變壓器主繞組蓄積能量。

Q501截止期間，高頻變壓器T501各繞瞬時極性，如表2。

表2

Q501截止期間，正反饋繞組（④-⑤）的負(fù)極性電壓經(jīng)D502（R505相對于D502阻值太大）、R505和C502加到Q501的G極、Q501迅速截止。這種正反饋效應(yīng)，用通俗的話來說就是，一旦將要截止就讓它立馬截止！

Q501截止期間，T501次級繞組產(chǎn)生的脈沖電壓使肖特基管DA501正偏導(dǎo)通，C506濾波，獲得電壓約24V。該電源不僅為誤差取樣電路提供取樣，而且通過保險元件FU501送到L501、C507組成的濾波器，再次濾波為負(fù)載供電（C506 、L501和C507組成π型濾波電路）。

（2）穩(wěn)壓控制

光耦PC501受IC501B單元控制（HP1018電源板用IC501為eZAY734，網(wǎng)上也沒查到其為何物，筆者研究后發(fā)現(xiàn)其功能基本等同于LM324）。R517與ZD501組成二極管穩(wěn)壓電路，經(jīng)R525加到IC501B單元反相端（5腳），穩(wěn)定電壓為4.6V。

當(dāng)市電電壓升高或負(fù)載變輕時C506兩端的電壓升高，由R513/R521/R522[1]與R514分壓，經(jīng)R515接同相端（6腳），經(jīng)IC501B單元比較放大后，輸出端（7腳）電壓隨之降低。光耦PC501內(nèi)部光敏管電流增大、發(fā)光增強(qiáng)，3腳電壓升高，C503充電速度加快，調(diào)頻調(diào)寬管Q502提前導(dǎo)通，Q501提前截止。T501因Q501導(dǎo)通時間縮短而儲能下降，輸出的電壓也隨之下降，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓控制。

R512與C508串聯(lián)，并聯(lián)在IC501B單元同相端與輸出端之間，隔斷直流、只通交流，屬于交流正反饋，用于頻率補(bǔ)償。

（3）過壓保護(hù)

當(dāng)IC501B單元比較放大電路或光耦PC501異常，引起開關(guān)電源輸出電壓過高，IC501C單元的同相端（10腳）可能達(dá)到或超過4.6V；由于R528與ZD503組成二極管穩(wěn)壓電路，加到IC501C單元反相端（9腳）的電壓為4.6V。兩個電壓經(jīng)IC501C單元比較放大后，輸出端（8腳）輸出高電平，經(jīng)R527為PC502的1腳提供約1.1V電壓。PC502內(nèi)部的光敏管發(fā)光，3腳輸出的電壓使Q502飽和導(dǎo)通，Q501截止，避免了開關(guān)電源輸出電壓過高給負(fù)載和開關(guān)管帶來的危害。

IC501C單元輸入、輸出端無任何元件連接，故，屬于運放的開環(huán)工作模式，功能等同于比較器。

（1）C502支路的控制特點

控制Q501導(dǎo)通、截止的電流通路，即C502的充、放電通路是不同的，如圖2所示。當(dāng)正反饋繞組“④正⑤負(fù)”時，充電通路為④→R505→R504→C502→Q501的G、S；當(dāng)正反饋繞組“⑤正④負(fù)”時，放電通路為Q501的G→C502→R504→D502→④。

圖2 C502的充、放電通路

充電通路阻值大、時間長，放電通路反之，這種設(shè)計遵從于Q501的工作特點。Q501導(dǎo)通時電流線性增加，加到G極的控制電壓很容易使Q501飽和導(dǎo)通；Q501剛要截止時電流最大，控制電壓需要極快地抽出G極蓄積的電荷，使Q501快速截止，決不能拖泥帶水。否則，當(dāng)Q501的D、S極之間高壓和大電流同時存在且持續(xù)過長時，其工作的安全性將大打折扣！

（2）Q501的控制特點

上面描述僅為正反饋繞組對Q501控制導(dǎo)通、截止情形，至于Q501何時由導(dǎo)通→截止，或由截止→導(dǎo)通將有Q502決定。

由波形圖3可以看出，當(dāng)Q502的B極電壓達(dá)到峰值時（約0.6V），Q501的G極電壓迅速下降，Q501由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止，變換器所有繞組電壓極性反轉(zhuǎn)，故Q501的G極和Q502的B極電壓轉(zhuǎn)為下降周期。由于Q502的B極電壓既受正反饋繞組的控制，又受光耦PC501的控制（極端情況下受PC502控制），故Q502的B極電壓峰值是兩種因素的共同作用結(jié)果，光耦PC501在控制Q502是否導(dǎo)通時起決定性作用。

一旦次級電壓升高，整流輸出的電壓也相應(yīng)升高，經(jīng)一系列電路變換，最終使光電三極管導(dǎo)通增強(qiáng)，Q502的G極電壓經(jīng)R508、光電三極管引到Q502的B極，電壓峰值提前到來，Q502提前導(dǎo)通，Q501提前截止，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓控制。

圖3 負(fù)載運行（棕色Q501的G極，藍(lán)色Q502的B極）

（3）Q502的控制特點

觀察電路圖可見，當(dāng)正反饋繞組“④正⑤負(fù)”時，一路短時間常數(shù)對C502充電、促使Q502快速導(dǎo)通，另一路長時間常數(shù)對C503充電、促使Q502延時導(dǎo)通，等Q502導(dǎo)通一段時間后，Q502導(dǎo)通、Q501截止。

R507、C503串聯(lián)，再與506并聯(lián)，則C503充、放電通路不同、時間常數(shù)也不同。當(dāng)正反饋繞組“④正⑤負(fù)”時，充電通路為④→R506→C503→⑤；當(dāng)正反饋繞組“⑤正④負(fù)”時，放電通路為⑤→C503→R507→D503→④?？梢?，C503充電時間慢、放電時間快。由于C503的電壓就是Q502的B極電壓，故C503的充、放模式?jīng)Q定著Q502的工作方式。

由于C503與502的發(fā)射結(jié)、開關(guān)管D501并聯(lián)，則，無論正反饋繞組對C503充電或是放電，C503正、負(fù)極限電壓均被嵌位在±0.6V之內(nèi)變化，如圖3所示CH2波形（檔為500mV）。

（4）空載工作特點

當(dāng)HP1018開關(guān)電源空載工作時，開關(guān)管Q502的D極的波形近似正弦波，頻率較高約130kHz，如圖4所示CH2波形；若先負(fù)載運行，然后再空載，因為負(fù)載不需要能量，初級也不需要蓄積和傳遞能量，因此系統(tǒng)間歇自由振蕩，斷續(xù)向次級輸送微弱電能，維持檢測電路正常工作，如圖5所示CH2波形。

圖4 空載運行，自由振蕩，頻率高（棕色Q501的G極，藍(lán)色Q502的D極）

圖5 先負(fù)載運行，再空載，間歇自由振蕩（棕色Q501的G極，藍(lán)色Q502的D極）

（5）負(fù)載工作特點

自激式開關(guān)電源隨輸入電壓和負(fù)載變化自動改變工作頻率，輸入電壓越高、負(fù)載越輕，開關(guān)頻率越高，如圖6所示為負(fù)載稍輕測得的CH2波形。

由圖6示波器所示讀得，Q502導(dǎo)通間Δt1=3.3us，f1=87.75kHz，則周期為T1=11.8us,于是，占空比為D=Δt1/T1=27.1%.

圖6 負(fù)載A情形，開關(guān)頻率約84.75kHz（棕色Q501的G極，藍(lán)色Q502的D極）

如圖7所示為負(fù)載稍輕測得的CH2波形。

由圖7示波器所示讀得，Q502導(dǎo)通間Δt2=3.8us，f2=73kHz，則周期為T1=13.7us,于是，占空比為D=Δt2/T2=27.7%.

圖7 負(fù)載B情形，開關(guān)頻率約73kHz（棕色Q501的G極，藍(lán)色Q502的D極）

由以上計算可以看出，不同負(fù)載時，雖然工作頻率和開關(guān)管的導(dǎo)通時間均不同，但占空比卻基本一樣。若讀者將信將疑，可以根據(jù)圖8（負(fù)載更重）所示參數(shù)計算占空比也約為27%。

圖8 負(fù)載B情形，開關(guān)頻率約65.6kHz（Δt3=4.2us，f3=65.64kHz）

開關(guān)電源按頻率調(diào)制方式分類，可分為脈寬調(diào)制型（PWM）、頻率調(diào)制型（PFM）和混合調(diào)制型。它激式開關(guān)電源屬于脈寬調(diào)制型，自激振蕩開關(guān)電源屬于頻率調(diào)制型。

（6）開關(guān)管高壓吸收電路的作用

開關(guān)管是開關(guān)電源的核心元件，對其的保護(hù)電路也是多種多樣，前面講的過壓保護(hù)電路就是一例。此外，還有過流保護(hù)、溫度保護(hù)和高壓吸收電路等。需要指出的是，本電路沒有過流保護(hù)和溫度保護(hù)，高壓吸收電路也過于簡單，只在D、S之間并聯(lián)一只電容C501。

在開關(guān)管關(guān)斷瞬間，變壓器會產(chǎn)生阻止其電流變化的反電動勢，與市電整流的高壓變疊加后，加在開關(guān)管D、S之間的電壓可達(dá)到五、六百伏以上，對開關(guān)管構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

如圖9所示，CH1的直流參考電位為0，CH2的直流參考電位為“-360V”，由圖可見，CH2最高電壓頂?shù)狡聊簧涎兀鬯愫笞罡唠妷哼_(dá)560～580V。

圖9 負(fù)載運行（棕色Q501的G極，藍(lán)色Q502的D極）

一般開關(guān)電源中，都會在變壓器初級繞組兩端反并聯(lián)RCD電路（R指電阻，C指電容，D指二極管），吸收開關(guān)管關(guān)斷時的瞬時高壓。比如，電路圖中虛線框內(nèi)的元件就是筆者為測試需要臨時加上去的，原電路板不存在。如圖10所示，示波器設(shè)置同圖9完全一樣，CH1波形不變，而CH2波形整體下降約50V，這樣有利于開關(guān)管的長期安全工作。

圖10 負(fù)載運行（棕色Q501的G極，藍(lán)色Q502的D極）

注釋：共模信號與差模信號

電壓（或電流）的變化通過導(dǎo)線傳輸時有二種形態(tài)，我們將此稱做“共?！焙汀安钅！?。設(shè)備的電源線與其它設(shè)備至少有兩根導(dǎo)線，這兩根導(dǎo)線作為往返線路輸送電力。但在這兩根導(dǎo)線之外通常還有第三導(dǎo)體，這就是“地線”。干擾電壓（或電流）分為兩種：一種是兩根導(dǎo)線分別作為往返線路傳輸；另一種是兩根導(dǎo)線做去路，而“地線”做返回路傳輸。前者叫“差?！保笳呓小肮材！薄?/p>

通常使用的電器由條兩線，一根火線（L），一根零線（N），零線也稱三相電的中線，另外，還有一根接大地的線叫做地線。

零線與火線之間的干擾叫做差模干擾，火線與地線之間的干擾叫做共模干擾。地與零線之間認(rèn)為是沒有電壓的，或者可以認(rèn)為是零線沒有電壓，不能驅(qū)動電器，因此認(rèn)為零線與地線之間沒有干擾。

[1]HP1018開關(guān)電源板用預(yù)留跳線，設(shè)計成幾種電阻短路或開路的組合，通過比較器控制輸出多種電壓，適應(yīng)不同電壓的打印機(jī)使用。本電路中R513、R521和R522組合成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，總阻值約為35K。

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