開關(guān)電源的基本工作原理
顧名思義，開關(guān)電源就是利用電子開關(guān)器件（如晶體管、場效應(yīng)管、可控硅閘流管等），通過控制電路，使電子開關(guān)器件不停地“接通”和“關(guān)斷”，讓電子開關(guān)器件對輸入電壓進(jìn)行脈沖調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)DC/AC、DC/DC電壓變換，以及輸出電壓可調(diào)和自動穩(wěn)壓。
開關(guān)電源一般有三種工作模式：頻率、脈沖寬度固定模式，頻率固定、脈沖寬度可變模式，頻率、脈沖寬度可變模式。前一種工作模式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換；后兩種工作模式多用于開關(guān)穩(wěn)壓電源。另外，開關(guān)電源輸出電壓也有三種工作方式：直接輸出電壓方式、平均值輸出電壓方式、幅值輸出電壓方式。同樣，前一種工作方式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換；后兩種工作方式多用于開關(guān)穩(wěn)壓電源。
根據(jù)開關(guān)器件在電路中連接的方式，目前比較廣泛使用的開關(guān)電源，大體上可分為：串聯(lián)式開關(guān)電源、并聯(lián)式開關(guān)電源、變壓器式開關(guān)電源等三大類。其中，變壓器式開關(guān)電源（后面簡稱變壓器開關(guān)電源）還可以進(jìn)一步分成：推挽式、半橋式、全橋式等多種；根據(jù)變壓器的激勵和輸出電壓的相位，又可以分成：正激式、反激式、單激式和雙激式等多種；如果從用途上來分，還可以分成更多種類。
下面我們先對串聯(lián)式、并聯(lián)式、變壓器式等三種最基本的開關(guān)電源工作原理進(jìn)行簡單介紹，其它種類的開關(guān)電源也將逐步進(jìn)行詳細(xì)分析。
串聯(lián)式開關(guān)電源
串聯(lián)式開關(guān)電源的工作原理
圖1-1-a是串聯(lián)式開關(guān)電源的最簡單工作原理圖，圖1-1-a中Ui是開關(guān)電源的工作電壓，即：直流輸入電壓；K是控制開關(guān)，R是負(fù)載。當(dāng)控制開關(guān)K接通的時候，開關(guān)電源就向負(fù)載R輸出一個脈沖寬度為Ton，幅度為Ui的脈沖電壓Up；當(dāng)控制開關(guān)K關(guān)斷的時候，又相當(dāng)于開關(guān)電源向負(fù)載R輸出一個脈沖寬度為Toff，幅度為0的脈沖電壓。這樣，控制開關(guān)K不停地“接通”和“關(guān)斷”，在負(fù)載兩端就可以得到一個脈沖調(diào)制的輸出電壓uo 。
圖1-1-b是串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓的波形，由圖中看出，控制開關(guān)K輸出電壓uo是一個脈沖調(diào)制方波，脈沖幅度Up等于輸入電壓Ui，脈沖寬度等于控制開關(guān)K的接通時間Ton，由此可求得串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓uo的平均值Ua為：
式中Ton為控制開關(guān)K接通的時間，T為控制開關(guān)K的工作周期。改變控制開關(guān)K接通時間Ton與關(guān)斷時間Toff的比例，就可以改變輸出電壓uo的平均值Ua 。一般人們都把 稱為占空比（Duty），用D來表示，即：
串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓uo的幅值Up等于輸入電壓Ui，其輸出電壓uo的平均值Ua總是小于輸入電壓Ui，因此，串聯(lián)式開關(guān)電源一般都是以平均值Ua為變量輸出電壓。所以，串聯(lián)式開關(guān)電源屬于降壓型開關(guān)電源。
串聯(lián)式開關(guān)電源也有人稱它為斬波器，由于它工作原理簡單，工作效率很高，因此其在輸出功率控制方面應(yīng)用很廣。例如，電動摩托車速度控制器以及燈光亮度控制器等，都是屬于串聯(lián)式開關(guān)電源的應(yīng)用。如果串聯(lián)式開關(guān)電源只單純用于功率輸出控制，電壓輸出可以不用接整流濾波電路，而直接給負(fù)載提供功率輸出；但如果用于穩(wěn)壓輸出，則必須要經(jīng)過整流濾波。
串聯(lián)式開關(guān)電源的缺點(diǎn)是輸入與輸出共用一個地，因此，容易產(chǎn)生EMI干擾和底板帶電，當(dāng)輸入電壓為市電整流輸出電壓的時候，容易引起觸電，對人身不安全。
串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓濾波電路
大多數(shù)開關(guān)電源輸出都是直流電壓，因此，一般開關(guān)電源的輸出電路都帶有整流濾波電路。圖1-2是帶有整流濾波功能的串聯(lián)式開關(guān)電源工作原理圖。
圖1-2是在圖1-1-a電路的基礎(chǔ)上，增加了一個整流二極管和一個LC濾波電路。其中L是儲能濾波電感，它的作用是在控制開關(guān)K接通期間Ton限制大電流通過，防止輸入電壓Ui直接加到負(fù)載R上，對負(fù)載R進(jìn)行電壓沖擊，同時對流過電感的電流iL轉(zhuǎn)化成磁能進(jìn)行能量存儲，然后在控制開關(guān)K關(guān)斷期間Toff把磁能轉(zhuǎn)化成電流iL繼續(xù)向負(fù)載R提供能量輸出；C是儲能濾波電容，它的作用是在控制開關(guān)K接通期間Ton把流過儲能電感L的部分電流轉(zhuǎn)化成電荷進(jìn)行存儲，然后在控制開關(guān)K關(guān)斷期間Toff把電荷轉(zhuǎn)化成電流繼續(xù)向負(fù)載R提供能量輸出；D是整流二極管，主要功能是續(xù)流作用，故稱它為續(xù)流二極管，其作用是在控制開關(guān)關(guān)斷期間Toff，給儲能濾波電感L釋放能量提供電流通路。
在控制開關(guān)關(guān)斷期間Toff，儲能電感L將產(chǎn)生反電動勢，流過儲能電感L的電流iL由反電動勢eL的正極流出，通過負(fù)載R，再經(jīng)過續(xù)流二極管D的正極，然后從續(xù)流二極管D的負(fù)極流出，最后回到反電動勢eL的負(fù)極。
對于圖1-2，如果不看控制開關(guān)K和輸入電壓Ui，它是一個典型的反 型濾波電路，它的作用是把脈動直流電壓通過平滑濾波輸出其平均值。
圖1-3、圖1-4、圖1-5分別是控制開關(guān)K的占空比D等于0.5、< 0.5、> 0.5時，圖1-2電路中幾個關(guān)鍵點(diǎn)的電壓和電流波形。圖1-3-a）、圖1-4-a）、圖1-5-a）分別為控制開關(guān)K輸出電壓uo的波形；圖1-3-b）、圖1-4-b）、圖1-5-b）分別為儲能濾波電容兩端電壓uc的波形；圖1-3-c）、圖1-4-c）、圖1-5-c）分別為流過儲能電感L電流iL的波形。
在Ton期間，控制開關(guān)K接通，輸入電壓Ui通過控制開關(guān)K輸出電壓uo，然后加到儲能濾波電感L和儲能濾波電容C組成的濾波電路上，在此期間儲能濾波電感L兩端的電壓eL為：
式中：Ui輸入電壓，Uo為直流輸出電壓，即：電容兩端的電壓uc的平均值。
在此順便說明：由于電容兩端的電壓變化量ΔU相對于輸出電壓Uo來說非常小，為了簡單，我們這里把Uo當(dāng)成常量來處理。在某種情況下，如需要對電容的初次充、放電過程進(jìn)行分析時，必須需要建立微分方程，并求解。因?yàn)檩敵鲭妷篣o的建立需要一定的時間，精確計(jì)算得出的結(jié)果中一般都含有指數(shù)函數(shù)項(xiàng)，當(dāng)令時間變量等于無窮大時，即電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時，再對相關(guān)參量取平均值，其結(jié)果就基本與（1-4）相等。
對（1-4）式進(jìn)行積分得：
式中i（0）為控制開關(guān)K轉(zhuǎn)換瞬間（t = 0時刻），即：控制開關(guān)K剛接通瞬間流過電感L的電流，或稱流過電感L的初始電流。
當(dāng)控制開關(guān)K由接通期間Ton突然轉(zhuǎn)換到關(guān)斷期間Toff的瞬間，流過電感L的電流iL達(dá)到最大值：
在Toff期間，控制開關(guān)K關(guān)斷，儲能電感L把磁能轉(zhuǎn)化成電流iL，通過整流二極管D繼續(xù)向負(fù)載R提供能量，在此期間儲能濾波電感L兩端的電壓eL為：
式中–Uo前的負(fù)號，表示K關(guān)斷期間電感產(chǎn)生電動勢的方向與K接通期間電感產(chǎn)生電動勢的方向正好相反。對（1-7）式進(jìn)行積分得：
式中i（Ton+）為控制開關(guān)K從Ton轉(zhuǎn)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(guān)K關(guān)斷或接通瞬間，之前和之后流過電感L的電流相等。實(shí)際上（1-8）式中的i（Ton+）就是（1-6）式中的iLm，即：
因此，（1-9）式可以改寫為：
當(dāng)t = Toff時iL達(dá)到最小值。其最小值為：
上面計(jì)算都是假設(shè)輸出電壓Uo基本不變的情況得到的結(jié)果，在實(shí)際應(yīng)用電路中也正好是這樣，輸出電壓Uo的電壓紋波非常小，只有輸出電壓的百分之幾，工程計(jì)算中完全可以忽略不計(jì)。
從（1-4）式到（1-11）和圖1-3、圖1-4、圖1-5中可以看出：
當(dāng)開關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流或連續(xù)電流狀態(tài)時，在K接通和關(guān)斷的整個周期內(nèi)，儲能電感L都有電流流出，但在K接通期間與K關(guān)斷期間，流過儲能電感L的電流的上升率（絕對值）一般是不一樣的。在K接通期間，流過儲能電感L的電流上升率為： ；在K關(guān)斷期間，流過儲能電感L的電流上升率為： 。因此：
（1）當(dāng)Ui = 2Uo時，即濾波輸出電壓Uo等于電源輸入電壓Ui的一半時，或控制開關(guān)K的占空比D為二分之一時，流過儲能電感L的電流上升率，在K接通期間與K關(guān)斷期間絕對值完全相等，即電感存儲能量的速度與釋放能量的速度完全相等。此時，（1-5）式中i（0）和（1-11）式中iLX均等于0。在這種情況下，流過儲能電感L的電流iL為臨界連續(xù)電流，且濾波輸出電壓Uo等于濾波輸入電壓uo的平均值Ua。參看圖1-3。
（2）當(dāng)Ui > 2Uo時，即：濾波輸出電壓Uo小于電源輸入電壓Ui的一半時，或控制開關(guān)K的占空比小于二分之一時：雖然在K接通期間，流過儲能電感L的電流上升率（絕對值），大于，在K關(guān)斷期間，流過儲能電感L的電流上升率（絕對值）；但由于（1-5）式中i（0）等于0，以及Ton小于Toff，此時，（1-11）式中的iLX會出現(xiàn)負(fù)值，即輸出電壓反過來要對電感充電，但由于整流二極管D的存在，這是不可能的，這表示流過儲能電感L的電流提前過0，即有斷流。在這種情況下，流過儲能電感L的電流iL不是連續(xù)電流，開關(guān)電源工作于電流不連續(xù)狀態(tài)，因此，輸出電壓Uo的紋波比較大，且濾波輸出電壓Uo小于濾波輸入電壓uo的平均值Ua。參看圖1-4。
（3）當(dāng)Ui < 2Uo時，即：濾波輸出電壓Uo大于電源輸入電壓Ui的一半時，或控制開關(guān)K的占空比大于二分之一時：在K接通期間，雖然流過儲能電感L的電流上升率（絕對值），小于，在K關(guān)斷期間，流過儲能電感L的電流上升率（絕對值）。但由于Ton大于Toff，（1-5）式中i（0）和（1-11）式中iLX均大于0，即：電感存儲能量每次均釋放不完。在這種情況下，流過儲能電感L的電流iL是連續(xù)電流，開關(guān)電源工作于連續(xù)電流狀態(tài)，輸出電壓Uo的紋波比較小，且濾波輸出電壓Uo大于濾波輸入電壓uo的平均值Ua。參看圖1-5。
串聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電感的計(jì)算
從上面分析可知，串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓Uo與控制開關(guān)的占空比D有關(guān)，還與儲能電感L的大小有關(guān)，因?yàn)閮δ茈姼蠰決定電流的上升率（di/dt），即輸出電流的大小。因此，正確選擇儲能電感的參數(shù)相當(dāng)重要。
串聯(lián)式開關(guān)電源最好工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)，或連續(xù)電流狀態(tài)。串聯(lián)式開關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)時，濾波輸出電壓Uo正好是濾波輸入電壓uo的平均值Ua，此時，開關(guān)電源輸出電壓的調(diào)整率為最好，且輸出電壓Uo的紋波也不大。因此，我們可以從臨界連續(xù)電流狀態(tài)著手進(jìn)行分析。我們先看（1-6）式：
當(dāng)串聯(lián)式開關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)時，即D = 0.5時，i(0) = 0，iLm = 2 Io，因此，（1-6）式可以改寫為：
式中Io為流過負(fù)載的電流（平均電流），當(dāng)D = 0.5時，其大小正好等于流過儲能電感L最大電流iLm的二分之一；T為開關(guān)電源的工作周期，T正好等于2倍Ton。
由此求得：
（1-13）和（1-14）式，就是計(jì)算串聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電感L的公式（D = 0.5時）。（1-13）和（1-14）式的計(jì)算結(jié)果，只給出了計(jì)算串聯(lián)式開關(guān)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(jì)算結(jié)果上再乘以一個大于1的系數(shù)。
如果增大儲能濾波電感L的電感量，濾波輸出電壓Uo將小于濾波輸入電壓uo的平均值Ua，因此，在保證濾波輸出電壓Uo為一定值的情況下，勢必要增大控制開關(guān)K的占空比D，以保持輸出電壓Uo的穩(wěn)定；而控制開關(guān)K的占空比D增大，又將會使流過儲能濾波電感L的電流iL不連續(xù)的時間縮短，或由電流不連續(xù)變成電流連續(xù)，從而使輸出電壓Uo的電壓紋波ΔUP-P進(jìn)一步會減小，輸出電壓更穩(wěn)定。
如果儲能濾波電感L的值小于（1-13）式的值，串聯(lián)式開關(guān)電源濾波輸出的電壓Uo將大于濾波輸入電壓uo的平均值Ua，在保證濾波輸出電壓Uo為一定值的情況下，勢必要減小控制開關(guān)K的占空比D，以保持輸出電壓Uo的值不變；控制開關(guān)K的占空比D減小，將會使流過濾波電感L的電流iL出現(xiàn)不連續(xù)，從而使輸出電壓Uo的電壓紋波ΔUP-P增大，造成輸出電壓不穩(wěn)定。
由此可知，調(diào)整串聯(lián)式開關(guān)電源濾波輸出電壓Uo的大小，實(shí)際上就是同時調(diào)整流過濾波電感L和控制開關(guān)K占空比D的大小。
由圖1-4可以看出：當(dāng)控制開關(guān)K的占空比D小于0.5時，流過濾波電感L的電流iL出現(xiàn)不連續(xù)，輸出電流Io小于流過濾波電感L最大電流iLm的二分之一，濾波輸出電壓Uo的電壓紋波ΔUP-P將顯著增大。因此，串聯(lián)式開關(guān)電源最好不要工作于圖1-4的電流不連續(xù)狀態(tài)，而最好工作于圖1-3和圖1-5表示的臨界連續(xù)電流和連續(xù)電流狀態(tài)。
串聯(lián)式開關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)，輸出電壓Uo等于輸入電壓Ui的二分之一，等于濾波輸入電壓uo的平均值Ua；且輸出電流Io也等于流過濾波電感L最大電流iLm的二分之一。
串聯(lián)式開關(guān)電源工作于連續(xù)電流狀態(tài)，輸出電壓Uo大于輸入電壓Ui的二分之一，大于濾波輸入電壓uo的平均值Ua；且輸出電流Io也大于流過濾波電感L最大電流iLm的二分之一。
串聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電容的計(jì)算
我們同樣從流過儲能電感的電流為臨界連續(xù)電流狀態(tài)著手，對儲能濾波電容C的充、放電過程進(jìn)行分析，然后再對儲能濾波電容C的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。
圖1-6是串聯(lián)式開關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)時，串聯(lián)式開關(guān)電源電路中各點(diǎn)電壓和電流的波形。圖1-6中，Ui為電源的輸入電壓，uo為控制開關(guān)K的輸出電壓，Uo為電源濾波輸出電壓，iL為流過儲能濾波電感電流，Io為流過負(fù)載的電流。圖1-6-a）是控制開關(guān)K輸出電壓的波形；圖1-6-b）是儲能濾波電容C的充、放電曲線圖；圖1-6-c）是流過儲能濾波電感電流iL的波形。當(dāng)串聯(lián)式開關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)時，控制開關(guān)K的占空比D等于0.5，流過負(fù)載的電流Io等于流過儲能濾波電感最大電流iLm的二分之一。
在Ton期間，控制開關(guān)K接通，輸入電壓Ui通過控制開關(guān)K輸出電壓uo ，在輸出電壓uo作用下，流過儲能濾波電感L的電流開始增大。當(dāng)作用時間t大于二分之一Ton的時候，流過儲能濾波電感L的電流iL開始大于流過負(fù)載的電流Io ，所以流過儲能濾波電感L的電流iL有一部分開始對儲能濾波電容C進(jìn)行充電，儲能濾波電容C兩端電壓開始上升。
當(dāng)作用時間t等于Ton的時候，流過儲能濾波電感L的電流iL為最大，但儲能濾波電容C的兩端電壓并沒有達(dá)到最大值，此時，儲能濾波電容C的兩端電壓還在繼續(xù)上升，因?yàn)�，流過儲能濾波電感L的電流iL還大于流過負(fù)載的電流Io ；當(dāng)作用時間t等于二分之一Toff的時候，流過儲能濾波電感L的電流iL正好等于負(fù)載電流Io，儲能濾波電容C的兩端電壓達(dá)到最大值，電容停止充電，并開始從充電轉(zhuǎn)為放電。
可以證明，儲能濾波電容進(jìn)行充電時，電容兩端電壓是按正弦曲線的速率變化，而儲能濾波電容進(jìn)行放電時，電容兩端電壓是按指數(shù)曲線的速率變化，這一點(diǎn)后面還要詳細(xì)說明，請參考后面圖1-23、圖1-24、圖1-25的詳細(xì)分析。
電容兩端的充放電曲線是有意把它的曲率放大了的，實(shí)際上它們的變化曲率并沒有那么大。因?yàn)閮δ転V波電感L和儲能濾波電容構(gòu)成的時間常數(shù)相對于控制開關(guān)的接通或關(guān)斷時間來說非常大（正弦曲線的周期：T = ），即：由儲能濾波電感L和儲能濾波電容組成諧振回路的諧振頻率，相對于開關(guān)電源的工作頻率來說，非常低，而電容兩端的充放電曲線變化范圍只相當(dāng)于正弦曲線零點(diǎn)幾度的變化范圍，因此，電容兩端的充、放電曲線基本上可以看成是直線，這相當(dāng)于用曲率的平均值取代曲線曲率。同理，圖1-3、圖1-4、圖1-5中儲能濾波電容C的兩端電壓都可以看成是按直線變化的電壓，或稱為電壓或電流鋸齒波。
實(shí)際應(yīng)用中，一般都是利用平均值的概念來計(jì)算儲能濾波電容C的數(shù)值。值得注意的是：濾波電容C進(jìn)行充、放電的電流ic的平均值Ia正好等于流過負(fù)載的電流Io，因?yàn)椋贒等于0.5的情況下，電容充、放電的時間相等，只要電容兩端電壓的平均值不變，其充、放電的電流必然相等，并等于流過負(fù)載的電流Io。
濾波電容C的計(jì)算方法如下：
由圖1-6可以看出，在控制開關(guān)的占空比D等于0.5的情況下，電容器充、放電的電荷和充、放電的時間，以及正、負(fù)電壓紋波值均應(yīng)該相等，并且電容器充電流的平均值也正好等于流過負(fù)載的電流。因此，電容器充時，電容器存儲的電荷ΔQ為：
（1-17）和（1-18）式，就是計(jì)算串聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電容的公式（D = 0.5時）。式中：Io是流過負(fù)載的電流，T為控制開關(guān)K的工作周期，ΔUP-P為輸出電壓的波紋。電壓波紋ΔUP-P一般都取峰-峰值，所以電壓波紋正好等于電容器充電或放電時的電壓增量，即：ΔUP-P = 2ΔUc 。
順便說明，由于人們習(xí)慣上都是以輸出電壓的平均值為水平線，把電壓紋波分成正負(fù)兩部分，所以這里遵照習(xí)慣也把電容器充電或放電時的電壓增量分成兩部分，即：2ΔUc。
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