爱华网惠普HP1018型激光打印机电源电路分析
葛中海
HP1018型激光打印机的电源电路包括市电电压输入及变换、定影系统供电电路、开关电源三部分。
图1HP1018开关电源电路图
1．市电输入及变换
开关电源输入电路是指高频干扰抑制、滤除、整流和滤波电路。输入电路的作用是把电网的工频交流电变换为平滑的直流电，给开关电源提供输入电压，并抑制和滤除输入端的高频双向干扰。
如图1所示，市电电压由电源三插MECH101输入，FU101为延时保险管，C101、C102用以滤除共模干扰电压信号——因为它们分别并联在电网与大地之间！
接通电源开关SW101后，市电电压经C101、R101、L102、C104、C105、C106等元件组成的电路进行线路滤波。其中，C101、C104串联于市电L、N两线之间，滤除的是串模干扰电压；C105、C106分别并联在L、N与大地之间，滤除的是共模干扰电压。
L102是抗共模的扼流圈，两边绕成同样的圈数。由于通过它的往返电流所产生的磁通，在磁芯中相互抵消，所以它对串模干扰已无电感作用，而对电源线与地之间的共模干扰则起到了电感的抑制作用。另外，C105、C106均处于扼流圈的后面，只需要小容量的电容就能起到较好的抑制效果。
R101是放电电阻，当电源插头拔掉时释放C101～C106残存的电荷，防止电击。
VZ101是压敏电阻，用于防止雷击出现的瞬变高压给开关电源或定影系统带来危害。
D101～D104组成桥式整流电路，全波整流后，C107滤波产生约300V左右的电压。
TH101是负温度系数热敏电阻，冷态时阻值较大，开机通电、发热后电阻变小。用以限制开机瞬间（冷态）C107充电时的短时冲击电流对高压电容造成的损害。
C108、C110的材质与C101、C104 、C105、C106类似，一般选择聚酯膜高压电容，属于安规电容系列。在惠普早期打印机，比如HP1010、HP6L开关电源中，这两个电容均不存在。在HP1018出现这种变化，估计是整流桥堆中二极管时有损坏或是EMC测试难通过。这两个电容的连接很特别，它们分别并联于交流一线（L或N）和直流一极（正或负）之间（正常工作时热敏电阻TH101可视为短路），且处于整流桥堆的对角，疑似保护整流二极管和滤除干扰之用。
2．定影系统供电及控制
通电后，连接器J201之19、21脚均输入高电平。21脚输入的控制信号使Q103导通（由于电路板上为贴片型号，读者无法辨识，故用8050充之。其他带“*”号者，均为无法辨识，所标参数均为估计），继电器RL101触点吸合。19 脚输入的高电平促使Q102导通，为光电耦合器SSR101供电，可控硅Q101因有触发信号而导通；此时，市电电压通过连接器J102的①、②脚为加热陶瓷片供电。当加热陶瓷片的温度达到185℃左右时，J201之19脚变为低电平，Q102截止，于是Q101关断，加热陶瓷片停止加热；同时，微处理器发出指令使“准备好”灯点亮。
如果在设定时间内打印机仍未工作，则J201之21脚变为低电平，Q103截止，RL101触点释放，机器进入待机状态。
Q101 之A 、K极并接的SQ101，是一个阻容串联复合体，从元件所标参数可知：复合体电阻为120Ω，电容为0.1μF，交流耐压为275V。当可控硅关断时，阻容复合体吸收感性负载的瞬变高压（也可以理解为“剩余能量”），保护可控硅。这种阻容复合体吸收电路，在交流市电的可控硅供电系统中已经成为必选。
3．开关电源
该机采用了由开关管Q501（K2700）、开关变压器T501为核心构成的变压器耦合型自激式开关电源。这个电路与HP1010电源相似度较高，网络资料称其为并联型自激式开关电源，实为错误。
（1）工作过程
300V整流滤波电压，一路经保险电阻R523、T501的初级绕组（①-③）加到Q501的D极；另一路经R501、R502、R503送到Q501的G极，为Q501提供启动电流。T501的正反馈绕组（④-⑤）与Q501共同构成开关振荡电路。
Q501导通期间，高频变压器T501各绕瞬时极性，如表1。
表1
初级绕组 | 次级绕组 | |
①-③绕组 | ④-⑤绕组 | ⑥-⑨绕组 |
①端为“+”，③端为“-” | ④端为“+”，⑤端为“-” | ⑨端为“+”，⑥端为“-” |
Q501导通时，正反馈绕组（④-⑤）的正极性电压经R505（D502反偏截止）、R505和C502（就可靠性来讲，该电容最好用涤纶型，HP1018电源板用贴片瓷片电容，费解！）加到Q501的G极、Q501迅速导通，集电极电流线性增加（T501电感特性）。这种正反馈效应，用通俗的话来说就是，一旦导通就让它狠狠地通！此时，次级绕组极性使整DA501反偏截止，变压器主绕组蓄积能量。
Q501截止期间，高频变压器T501各绕瞬时极性，如表2。
表2
初级绕组 | 次级绕组 | |
①-③绕组 | ④-⑤绕组 | ⑥-⑨绕组 |
③端为“+”，①端为“-” | ⑤端为“+”，④端为“-” | ⑥端为“+”，⑨端为“-” |
Q501截止期间，正反馈绕组（④-⑤）的负极性电压经D502（R505相对于D502阻值太大）、R505和C502加到Q501的G极、Q501迅速截止。这种正反馈效应，用通俗的话来说就是，一旦将要截止就让它立马截止！
Q501截止期间，T501次级绕组产生的脉冲电压使肖特基管DA501正偏导通，C506滤波，获得电压约24V。该电源不仅为误差取样电路提供取样，而且通过保险元件FU501送到L501、C507组成的滤波器，再次滤波为负载供电（C506 、L501和C507组成π型滤波电路）。
（2）稳压控制
光耦PC501受IC501B单元控制（HP1018电源板用IC501为eZAY734，网上也没查到其为何物，笔者研究后发现其功能基本等同于LM324）。R517与ZD501组成二极管稳压电路，经R525加到IC501B单元反相端（5脚），稳定电压为4.6V。
当市电电压升高或负载变轻时C506两端的电压升高，由R513/R521/R522[1]与R514分压，经R515接同相端（6脚），经IC501B单元比较放大后，输出端（7脚）电压随之降低。光耦PC501内部光敏管电流增大、发光增强，3脚电压升高，C503充电速度加快，调频调宽管Q502提前导通，Q501提前截止。T501因Q501导通时间缩短而储能下降，输出的电压也随之下降，从而实现稳压控制。
R512与C508串联，并联在IC501B单元同相端与输出端之间，隔断直流、只通交流，属于交流正反馈，用于频率补偿。
（3）过压保护
当IC501B单元比较放大电路或光耦PC501异常，引起开关电源输出电压过高，IC501C单元的同相端（10脚）可能达到或超过4.6V；由于R528与ZD503组成二极管稳压电路，加到IC501C单元反相端（9脚）的电压为4.6V。两个电压经IC501C单元比较放大后，输出端（8脚）输出高电平，经R527为PC502的1脚提供约1.1V电压。PC502内部的光敏管发光，3脚输出的电压使Q502饱和导通，Q501截止，避免了开关电源输出电压过高给负载和开关管带来的危害。
IC501C单元输入、输出端无任何元件连接，故，属于运放的开环工作模式，功能等同于比较器。
4．深入探讨（1）C502支路的控制特点
控制Q501导通、截止的电流通路，即C502的充、放电通路是不同的，如图2所示。当正反馈绕组“④正⑤负”时，充电通路为④→R505→R504→C502→Q501的G、S；当正反馈绕组“⑤正④负”时，放电通路为Q501的G→C502→R504→D502→④。
图2 C502的充、放电通路
充电通路阻值大、时间长，放电通路反之，这种设计遵从于Q501的工作特点。Q501导通时电流线性增加，加到G极的控制电压很容易使Q501饱和导通；Q501刚要截止时电流最大，控制电压需要极快地抽出G极蓄积的电荷，使Q501快速截止，决不能拖泥带水。否则，当Q501的D、S极之间高压和大电流同时存在且持续过长时，其工作的安全性将大打折扣！
（2）Q501的控制特点
上面描述仅为正反馈绕组对Q501控制导通、截止情形，至于Q501何时由导通→截止，或由截止→导通将有Q502决定。
由波形图3可以看出，当Q502的B极电压达到峰值时（约0.6V），Q501的G极电压迅速下降，Q501由导通转为截止，变换器所有绕组电压极性反转，故Q501的G极和Q502的B极电压转为下降周期。由于Q502的B极电压既受正反馈绕组的控制，又受光耦PC501的控制（极端情况下受PC502控制），故Q502的B极电压峰值是两种因素的共同作用结果，光耦PC501在控制Q502是否导通时起决定性作用。
一旦次级电压升高，整流输出的电压也相应升高，经一系列电路变换，最终使光电三极管导通增强，Q502的G极电压经R508、光电三极管引到Q502的B极，电压峰值提前到来，Q502提前导通，Q501提前截止，从而实现稳压控制。
图3 负载运行（棕色Q501的G极，蓝色Q502的B极）
（3）Q502的控制特点
观察电路图可见，当正反馈绕组“④正⑤负”时，一路短时间常数对C502充电、促使Q502快速导通，另一路长时间常数对C503充电、促使Q502延时导通，等Q502导通一段时间后，Q502导通、Q501截止。
R507、C503串联，再与506并联，则C503充、放电通路不同、时间常数也不同。当正反馈绕组“④正⑤负”时，充电通路为④→R506→C503→⑤；当正反馈绕组“⑤正④负”时，放电通路为⑤→C503→R507→D503→④。可见，C503充电时间慢、放电时间快。由于C503的电压就是Q502的B极电压，故C503的充、放模式决定着Q502的工作方式。
由于C503与502的发射结、开关管D501并联，则，无论正反馈绕组对C503充电或是放电，C503正、负极限电压均被嵌位在±0.6V之内变化，如图3所示CH2波形（档为500mV）。
（4）空载工作特点
当HP1018开关电源空载工作时，开关管Q502的D极的波形近似正弦波，频率较高约130kHz，如图4所示CH2波形；若先负载运行，然后再空载，因为负载不需要能量，初级也不需要蓄积和传递能量，因此系统间歇自由振荡，断续向次级输送微弱电能，维持检测电路正常工作，如图5所示CH2波形。
图4 空载运行，自由振荡，频率高（棕色Q501的G极，蓝色Q502的D极）
图5 先负载运行，再空载，间歇自由振荡（棕色Q501的G极，蓝色Q502的D极）
（5）负载工作特点
自激式开关电源随输入电压和负载变化自动改变工作频率，输入电压越高、负载越轻，开关频率越高，如图6所示为负载稍轻测得的CH2波形。
由图6示波器所示读得，Q502导通间Δt1=3.3us，f1=87.75kHz，则周期为T1=11.8us,于是，占空比为D=Δt1/T1=27.1%.
图6 负载A情形，开关频率约84.75kHz（棕色Q501的G极，蓝色Q502的D极）
如图7所示为负载稍轻测得的CH2波形。
由图7示波器所示读得，Q502导通间Δt2=3.8us，f2=73kHz，则周期为T1=13.7us,于是，占空比为D=Δt2/T2=27.7%.
图7 负载B情形，开关频率约73kHz（棕色Q501的G极，蓝色Q502的D极）
由以上计算可以看出，不同负载时，虽然工作频率和开关管的导通时间均不同，但占空比却基本一样。若读者将信将疑，可以根据图8（负载更重）所示参数计算占空比也约为27%。
图8 负载B情形，开关频率约65.6kHz（Δt3=4.2us，f3=65.64kHz）
开关电源按频率调制方式分类，可分为脉宽调制型（PWM）、频率调制型（PFM）和混合调制型。它激式开关电源属于脉宽调制型，自激振荡开关电源属于频率调制型。
（6）开关管高压吸收电路的作用
开关管是开关电源的核心元件，对其的保护电路也是多种多样，前面讲的过压保护电路就是一例。此外，还有过流保护、温度保护和高压吸收电路等。需要指出的是，本电路没有过流保护和温度保护，高压吸收电路也过于简单，只在D、S之间并联一只电容C501。
在开关管关断瞬间，变压器会产生阻止其电流变化的反电动势，与市电整流的高压变叠加后，加在开关管D、S之间的电压可达到五、六百伏以上，对开关管构成严重威胁。
如图9所示，CH1的直流参考电位为0，CH2的直流参考电位为“-360V”，由图可见，CH2最高电压顶到屏幕上沿，折算后最高电压达560～580V。
图9 负载运行（棕色Q501的G极，蓝色Q502的D极）
一般开关电源中，都会在变压器初级绕组两端反并联RCD电路（R指电阻，C指电容，D指二极管），吸收开关管关断时的瞬时高压。比如，电路图中虚线框内的元件就是笔者为测试需要临时加上去的，原电路板不存在。如图10所示，示波器设置同图9完全一样，CH1波形不变，而CH2波形整体下降约50V，这样有利于开关管的长期安全工作。
图10 负载运行（棕色Q501的G极，蓝色Q502的D极）
注释：共模信号与差模信号
电压（或电流）的变化通过导线传输时有二种形态，我们将此称做“共模”和“差模”。设备的电源线与其它设备至少有两根导线，这两根导线作为往返线路输送电力。但在这两根导线之外通常还有第三导体，这就是“地线”。干扰电压（或电流）分为两种：一种是两根导线分别作为往返线路传输；另一种是两根导线做去路，而“地线”做返回路传输。前者叫“差模”，后者叫“共模”。
通常使用的电器由条两线，一根火线（L），一根零线（N），零线也称三相电的中线，另外，还有一根接大地的线叫做地线。
零线与火线之间的干扰叫做差模干扰，火线与地线之间的干扰叫做共模干扰。地与零线之间认为是没有电压的，或者可以认为是零线没有电压，不能驱动电器，因此认为零线与地线之间没有干扰。
[1]HP1018开关电源板用预留跳线，设计成几种电阻短路或开路的组合，通过比较器控制输出多种电压，适应不同电压的打印机使用。本电路中R513、R521和R522组合成串联结构，总阻值约为35K。
