開關電源原理與設計—陶顯芳(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 。但在應用中，大多數并聯式開關電源輸出電壓還是經過整流濾波后的直流電壓，因此，一般開關電源的輸出電路都帶有整流濾波電路。圖112是帶有整流濾波功能的并聯式開關電源工作原理圖。圖112中，Ui是開關電源的工作電壓，L是儲能電感，eL為電流iL在儲能電感兩端產生的反電動勢，K是控制開關，R是負載。而圖11圖11 、 ，圖112電路中各點的電壓、電流波形。圖圖11圖11圖115中Ui是開關電源的輸入電壓，uo是控制開關K兩端的輸出電壓，uc是濾波電容兩端的輸出電壓，Up是開關電源輸出的峰值電壓，Uo是開關電源輸出電壓（平均值），Ua是開關電源輸出的平均電壓，iL是流過儲能電感L的電流，iLm是流過儲能電感L電流的最大值，Io是流過負載R的電流（平均值）。當控制開關K接通時，輸入電源Ui開始對儲能電感L加電，流過儲能電感L的電流iL開始增加，同時電流在儲能電感中也要產生反電動勢eL；當控制開關K由接通轉為關斷的時候，儲能電感也會產生反電動勢eL。eL反電動勢的方向與開關K關斷前的方向相反，但與電流的方向相同，因此，在控制開關K兩端的輸出電壓uo等于輸入電壓Ui與反電動勢eL之和。因此，在Ton期間：對上式進行積分，可求得流過儲能電感L的電流為：（144）式中iL為流過儲能電感L電流的瞬時值，t為時間變量；i(0)為的初始電流，即：控制開關K接通瞬間之前，流過儲能電感L中的電流。當開關電源工作于臨界連續電流狀態時，i(0) = 0 ，由此可以求得流過儲能電感L的最大電流為：在開關關斷Toff期間，控制開關K關斷，儲能電感L把電流iLm轉化成反電動勢，與輸入電壓Ui串聯迭加，通過整流二極管D繼續向負載R提供能量，在此期間儲能電感L兩端的電壓eL為：式中負號表示反電動勢eL的極性與（143）式相反，即：K接通與關斷時電感的反電動勢的極性正好相反。對（146）式進行積分得：式中i（Ton+）為控制開關K從Ton轉換到Toff的瞬間之前流過電感的電流，i（Ton+）也可以寫為i（Toff），即：控制開關K關斷或接通瞬間，之前和之后流過電感L的電流相等。實際上（147）式中的i（Ton+）就是（145）式中的iLm，因此，（19）式可以改寫為：當t = Toff時iL達到最小值。其最小值為：當開關電源工作于臨界連續電流狀態時，流過儲能電感的初始電流i(0)等于0（參看圖113），即：（149）式中流過儲能電感電流的最小值iLX等于0。因此，由（145）和（149）式，可求得反轉式串聯開關電源輸出電壓Uo為：一般，并聯式開關電源的輸出電壓Uo都是取自輸出電壓uo脈沖電壓的幅值Up ，經整流濾波以后儲能濾波電容C兩端的輸出電壓基本就是Up ，即：這里特別指出：（150）和（151）式的結果，雖然是以開關電源工作于臨界連續電流狀態的條件求得，但對于開關電源工作于連續電流狀態或斷流狀態同樣成立，因為，輸出電壓Uo只取其峰值電壓Up，而不是取其平均值。另外，并聯式開關電源輸出電壓uo的平均值Ua與輸入電壓的大小相等，即：由于其輸出電壓uo的幅值等于輸入電壓Ui與儲能電感L產生反電動勢eL之和，因此，并聯式開關電源一般都是取其輸出電壓uo的幅值Up作為輸出（電壓幅值的提取方法留待后面詳細討論）。所以，并聯式開關電源屬于升壓型開關電源。雖然并聯式開關電源輸出電壓的幅度比輸入電壓可以提高，但其輸出電壓的平均值Ua與控制開關K的占空比D的大小無關，即：并聯式開關電源輸出電壓的平均值Ua永遠等于輸入電壓Ui 。并聯開關電源儲能電感的計算與前面計算反轉式串聯開關電源中儲能電感的數值方法基本相同，計算并聯式開關電源儲能電感也是從流過儲能電感的電流為臨界連續電流狀態著手進行分析。并聯式開關電源中的儲能電感與反轉式串聯開關電源中的儲能電感工作原理基本一樣，都是在控制開關K關斷期間才產生反電動勢向負載提供能量，因此，流過負載的電流只有流過儲能電感電流的四分之一。根據（145）式：（145）式可以改寫為：式中Io為流過負載的電流，當D = ，其大小等于最大電流iLm的四分之一；T為開關電源的工作周期，T正好等于2倍Ton。由此求得：或：（154）和（155）式，就是計算并聯式開關電源儲能電感的公式。同理，（154）和（155）式的計算結果，只給出了計算并聯開關電源儲能濾波電感L的中間值，或平均值，對于極端情況可以在平均值的計算結果上再乘以一個大于1的系數。對于電感取不同數值和在不同的占空比狀態下工作的情況分析，請參考前面關于“反轉式串聯開關電源儲能電感的計算”內容的論述。并聯式開關電源儲能濾波電容的計算并聯式開關電源儲能濾波電容的計算，可以參考前面串聯式開關電源或反轉式串聯開關電源中儲能濾波電容的計算方法，同時還可以參考圖16中儲能濾波電容C的充、放電過程。這里要特別注意的是，并聯式開關電源與反轉式串聯開關電源中的儲能電感一樣，僅在控制開關K關斷期間才產生反電動勢向負載提供能量，因此，儲能濾波電容器充電的時間與放電的時間也不相等，電容器充電的時間小于半個工作周期，而電容器放電的時間則大于半個工作周期，但電容器充、放電的電荷是相等的，即電容器充電時的電流大于放電時的電流。從圖113可以看出，并聯式開關電源，流過負載的電流比串聯式開關電源流過負載的電流小一倍，流過負載的電流Io只有流過儲能電感最大電流iLm的四分之一。，電容器充電的時間為 ，電容充電電流的平均值為 ，或 ；而電容器放電的時間為 ， Io。因此有：式中ΔQ為電容器充電的電荷，Io流過負載的平均電流，T為工作周期。電容充電時，電容兩端的電壓由最小值充到最大值（絕對值），相應的電壓增量為2ΔUc，由此求得電容器兩端的波紋電壓ΔUPP為：由此求得：或：（158）和（159）式，就是計算并聯開關電源儲能濾波電容的公式（D = ）。式中：Io是流過負載電流的平均值，T為開關工作周期，ΔUPP為濾波輸出電壓的波紋，或電壓紋波。一般波紋電壓都是取電壓增量的峰峰值，因此，當D = ，波紋電壓等于電容器充電的電壓增量，即：ΔUPP = 2ΔUc 。同理，（158）和（159）式的計算結果，只給出了計算并聯式開關電源儲能濾波電容C的中間值，或平均值，對于極端情況可以在平均值的計算結果上再乘以一個大于1的系數。，由于流過儲能濾波電感L的電流會不連續，電容器放電的時間將遠遠大于電容器充電的時間，因此，開關電源濾波輸出電壓的紋波將顯著增大。另外，開關電源的負載一般也不是固定的，當負載電流增大的時候，開關電源濾波輸出電壓的紋波也將會增大。因此，設計開關電源的時候要留有充分的余量，實際應用中最好按（158）式計算結果的2倍以上來計算儲能濾波電容的參數。 介紹單擊式變壓器開關電源 單激式變壓器開關電源的工作原理單激式變壓器開關電源變壓器開關電源的最大優點是，變壓器可以同時輸出多組不同數值的電壓，改變輸出電壓和輸出電流很容易，只需改變變壓器的匝數比和漆包線截面積的大小即可；另外，變壓器初、次級互相隔離，不需共用同一個地。因此，變壓器開關電源也有人把它稱為離線式開關電源。這里的離線并不是不需要輸入電源，而是輸入電源與輸出電源之間沒有導線連接，完全是通過磁場偶合傳輸能量。變壓器開關電源采用變壓器把輸入輸出進行電器隔離的最大好處是，提高設備的絕緣強度，降低安全風險，同時還可以減輕EMI干擾，并且還容易進行功率匹配。變壓器開關電源有單激式變壓器開關電源和雙激式變壓器開關電源之分，單激式變壓器開關電源普遍應用于小功率電子設備之中，因此，單激式變壓器開關電源應用非常廣泛。而雙激式變壓器開關電源一般用于功率較大的電子設備之中，并且電路一般也要復雜一些。單激式變壓器開關電源的缺點是變壓器的體積比雙激式變壓器開關電源的激式變壓器的體積大，因為單激式開關電源的變壓器的磁芯只工作在磁回路曲線的單端，磁回路曲線變化的面積很小。單激式變壓器開關電源的工作原理圖116a是單激式變壓器開關電源的最簡單工作原理圖。圖116a中，Ui是開關電源的輸入電壓，T是開關變壓器，K是控制開關，R是負載電阻。當控制開關K接通的時候，直流輸入電壓Ui首先對變壓器T的初級線圈N1繞組供電，電流在變壓器初級線圈N1繞組的兩端會產生自感電動勢e1；同時，通過互感M的作用，在變壓器次級線圈N2繞組的兩端也會產生感應電動勢e2；當控制開關K由接通狀態突然轉為關斷狀態的時候，電流在變壓器初級線圈N1繞組中存儲的能量（磁能）也會產生反電動勢e1；同時，通過互感M的作用，在變壓器次級線圈N2繞組中也會產生感應電動勢e2。因此，在控制開關K接通之前和接通之后，在變壓器初、次級線圈中感應產生的電動勢方向是不一樣的。所謂單激式變壓器開關電源，是指開關電源在一個工作周期之內，變壓器的初級線圈只被直流電壓激勵一次。一般單激式變壓器開關電源在一個工作周期之內，只有半個周期向負載提供功率（或電壓）輸出。當變壓器的初級線圈正好被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈也正好向負載提供功率輸出，這種變壓器開關電源稱為正激式開關電源；當變壓器的初級線圈正好被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈沒有向負載提供功率輸出，而僅在變壓器初級線圈的激勵電壓被關斷后才向負載提供功率輸出，這種變壓器開關電源稱為反激式開關電源。圖116b是單激式變壓器開關電源輸出電壓的波形，由于輸出電壓是由變壓器的次級輸出，因此，在輸出電壓uo中完全沒有直流成份。輸出電壓正半波的面積與負半波的面積完全相等，這是單激式變壓器開關電源輸出電壓波形的特點。圖116b中，當只輸出正半波電壓時，為正激式開關電源；反之，當只輸出負半波電壓時，為反激式開關電源。順便指出，圖116b中變壓器輸出電壓波形極性的正負，是可以通過調整變壓器線圈的饒線方向（相位）來改變的。嚴格地說，開關電源的輸出電壓才能稱為正、負半周電壓，但由于人們已習慣了正、負半周的叫法，所以，只要是有正、負電壓輸出的電源，我們還是習慣地把它們稱為正、負半周。，、負半波。因此，有些場合在不影響對正、負半波電壓的理解時，或占空比不確定時，我們也習慣地把正、負半波稱為正、負半周。圖116a中，在Ton期間，控制開關K接通，輸入電源Ui開始對變壓器初級線圈N1繞組加電，電流從變壓器初級線圈N1繞組的兩端經過，通過電磁感應會在變壓器的鐵心中產生磁場，并產生磁力線；同時，在初級線圈N1繞組的兩端要產生自感電動勢E1，在次級線圈N2繞組的兩端也會產生感應電動勢e2；感應電動勢e2作用于負載R的兩端，從而產生負載電流。因此，在初、次級電流的共同作用下，在變壓器的鐵心中會產生一個由流過變壓器初、次級線圈電流產生的合成磁場，這個磁場的大小可用磁力線通量（簡稱磁通量），即磁力線的數目 來表示。如果用 1來表示變壓器初級線圈電流產生的磁通量，用 2來表示變壓器次級線圈電流產生的磁通量，由于變壓器初、次級線圈電流產生的磁場方向總是相反，則在控制開關K接通期間，由流過變壓器初、次級線圈電流在變壓器鐵心中產生的合成磁場的總磁通量 為：其中變壓器初級線圈電流產生的磁通 1還可以分成兩個部分，一部分用來抵消變壓器次級線圈電流產生的磁通 2，記為 10，另一部分是由勵磁電流產生的磁通，記為Δ 1。顯然 10 =－ 2，Δ 1 = 。即：變壓器鐵心中產生的磁通量 ，只與流過變壓器初級線圈中的勵磁電流有關，與流過變壓器次級線圈中的電流無關；流過變壓器次級線圈中的電流產生的磁通，完全被流過變壓器初級線圈中的另一部分電流產生的磁通抵消。根據電磁感應定律可以對變壓器初級線圈N1繞組回路列出方程：同樣，可以對變壓器次級線圈N2繞組回路列出方程：根據（161）和（162）可以求得：上式中，Up為正激式開關電源變壓器次級輸出電壓的幅值（圖116b中正半周）；Ui為正激式開關電源變壓器初級線圈N1繞組的輸入電壓；n為變壓比，即：開關變壓器次級線圈輸出電壓與初級線圈輸入電壓之比，n也可以看成是開關變壓器次級線圈N2繞組與初級線圈N1繞組的匝數比，即：n = N2/N1。由此可知，在控制開關K接通期間，正激式開關電源變壓器次級輸出電壓的幅值只與輸入電壓和變壓器的次/初級變壓比有關。我們再來分析控制開關K關斷期間的情況。在Toff期間，控制開關K關斷，流過變壓器初級線圈的電流突然為0。由于變壓器初級線圈回路中的電流產生突變，而變壓器鐵心中的磁通量 不能突變，因此，必須要求流過變壓器次級線圈回路的電流也跟著突變，以抵消變壓器初級線圈電流突變的影響，要么，在變壓器初級線圈回路中將出現非常高的反電動勢電壓，把控制開關或變壓器擊穿。如果變壓器鐵心中的磁通 產生突變，變壓器的初、次級線圈就會產生無限高的反電動勢，反電動勢又會產生無限大的電流，而電流在線圈中產生的磁力線又會抵制磁通的變化，因此，變壓器鐵心中的磁通變化，最終還是要受到變壓器初、次級線圈中的電流來約束的。因此，在控制開關K關斷的Toff期間，變壓器鐵心中的磁通 主要由變壓器次級線圈回路中的電流來決定，即：式中負號表示反電動勢e2的極性與（162）式中的符號相反，即：K接通與關斷時變壓器次級線圈產生的感應電動勢的極性正好相反。對（164）式階微分方程求解得：式中C為常數，把初始條件代入上式，就很容易求出C，由于控制開關K由接通狀態突然轉為關斷時，變壓器初級線圈回路中的電流突然為0，而變壓器鐵心中的磁通量 不能突變，因此，變壓器次級線圈回路中的電流i2一定正好等于控制開關K接通期間的電流i2(Ton+)，與變壓器初級線圈回路中勵磁電流被折算到變壓器次級線圈回路電流之和。所以（165）式可以寫為：（166）式中，括弧中的第一項表示變壓