【文章內(nèi)容簡介】 ， 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： 或 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 8 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 。 并聯(lián)式開關(guān)電源的工作原理 并聯(lián)式開關(guān)電源的工作原理比較簡單，工作效率很高，因此應(yīng)用很廣泛，特別是在一些小電子產(chǎn)品中，并聯(lián)式開關(guān)電源作為 DC/DC升壓電源應(yīng)用最廣。例如，很多使用干電池的手提式電器，由于干電池的電壓一般只有 或 3V，為了提高工作電壓，都是使用并聯(lián)式開關(guān)電源把工作電壓提高一倍。并聯(lián)式開關(guān)電源的缺點是輸入與輸出共用一個地，因此，容易產(chǎn)生 EMI 干擾。 eL = Ldi/dt = Ui —— K接通期間 圖 111a是并聯(lián)式開關(guān)電源的最簡單工作原理圖，圖 111b是并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓的波形。圖 111a 中 Ui是開關(guān)電源的工作電壓， L 是儲能電感， K 是控制開關(guān)， R是負載。圖 111b中Ui是開關(guān)電源的輸入電壓， Uo是開關(guān)電源輸出的電壓， Up是開關(guān)電源輸出的峰值電壓， Ua是開關(guān)電源輸出的平均電壓。 當(dāng)控制開關(guān) 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的電流開始增加，同時電流在儲能電感中也要產(chǎn)生磁場；當(dāng)控制開關(guān) K由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷的時候，儲能電感會產(chǎn)生反電動勢，反電動勢產(chǎn)生電流的方向與原來電流的方向相同，因此，在負載上會產(chǎn)生很高的電壓。 在 Ton 期間，控制開關(guān) K接通，儲能濾波電感 L兩端的電壓 eL正好與輸入電壓 Ui 相等，即： 對上式進行積分，可求得流過儲能電感 L 的電流為： 9 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）為流過儲能電感的初始電流，即：開關(guān) K接通前瞬間流過儲能電感的電流。一般當(dāng)占空比 D小于或等于 時， i（ 0） = 0，由此可以求得流過儲能電感 L的最大電流 ILm為： 式中 Ton 為控制開關(guān) K 接通的時間。當(dāng)圖 111a中的控制開關(guān) K 由接通狀態(tài)突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷時，儲能電感 L 會把其存儲的能量（磁能）通過反電動勢進行釋放，儲能電感 L產(chǎn)生的反電動勢為： 式中負號表示反電動勢 eL的極性與（ 135）式中的符號相反，即： K 接通與關(guān)斷時電感的反電動勢的極性正好相反。對（ 138）式階微分方程求解得： 式中 C為常數(shù)，把初始條件代入上式，就很容易求出 C，由于控制開關(guān) K由接通狀態(tài)突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷時，流過儲能電感 L中的電流 iL 不能突變，因此， i(Ton+)正好等于流過儲能電感 L的最大電流 ILm ，所以（ 139）式可以寫 為： 圖 111a并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓 uo 等于： 由（ 141）式可以看出，當(dāng) t = 0 時，即： K關(guān)斷瞬間，輸出電壓有最大值： 10 當(dāng) t 等于很大時，并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓的值將接近輸入電壓 Ui，但這種情況一般不會發(fā)生，因為控制開關(guān) K的關(guān)斷時間等不了那么長。 從（ 142）式可以看出，當(dāng)并聯(lián)式開關(guān)電源的負載 R很大或開路時，輸出脈沖電壓的 幅度將非常高。因此，并聯(lián)式開關(guān)電源經(jīng)常用于高壓脈沖發(fā)生電路。 變壓器式開關(guān)電源 變壓器開關(guān)電源的最大優(yōu)點是，變壓器可以同時輸出多組不同數(shù)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(shù)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(guān)電源也有人把它稱為離線式開關(guān)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(dǎo)線連接，完全是通過磁場偶合傳輸能量。 變壓器開關(guān)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(shè)備的絕緣 強度，降低安全風(fēng)險，同時還可以減輕 EMI 干擾，并且還容易進行功率匹配。 上圖為變壓器式開關(guān)電源， Ui是開關(guān)電源的輸入電壓， T是開關(guān)變壓器， K是控制開關(guān)， R是負載電阻。 當(dāng)控制開關(guān) 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(chǎn)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(chǎn)生感應(yīng)電動勢 e2；當(dāng)控制開關(guān) K 由接通狀態(tài)突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷狀態(tài)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(chǎn)生反電動勢 e1；同時，通過互感 M 的作用， 11 在變壓器次級線圈 N2繞組中也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 e2。 、 因此，在控制開關(guān) K接通之前和接通之后，在變壓器初、次級線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的電動勢方向是不一樣的。 所謂單激式變壓器開關(guān)電源，是指開關(guān)電源在一個工作周期之內(nèi)，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(guān)電源在 一個工作周期之內(nèi)，只有半個周期向負載提供功率（或電壓）輸出。當(dāng)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(guān)電源稱為正激式開關(guān)電源；當(dāng)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(guān)斷后才向負載提供功率輸出，這種變壓器開關(guān)電源稱為反激式開關(guān)電源。 圖 116b是單激式變壓器開關(guān)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(guān)電源輸出電壓波形的特點。圖 116b中，當(dāng)只輸出正半波電壓時，為正激式開關(guān)電源；反之，當(dāng)只輸出負半波電壓時，為反激式開關(guān)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(diào)整變壓器線圈的饒線方向（相位）來改變的。嚴格地說，只有當(dāng)控制開關(guān)的占空比等于 時，開關(guān)電源的輸出電壓才能稱為正、負半周電壓，但由于人們已習(xí)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(xí)慣地把它們稱為正、負半周。但為了與占空比不等于 ，我們有時特別把占空比不等于 時的電壓波形稱為正、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(xí)慣地把正、負半波稱為正、負半周。 圖 116a中，在 Ton 期間，控制開關(guān) 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(jīng)過，通過電磁感應(yīng)會在變壓器的鐵心中產(chǎn)生磁場，并產(chǎn)生磁力線；同時，在初級線圈 N1 繞組的兩端要產(chǎn)生自感電動勢 E1，在次級線圈 N2繞組的兩端也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 e2；感應(yīng)電動勢 e2作用于負載 R的兩端，從而產(chǎn)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(chǎn)生一個由流過變壓器初、次級線圈電流產(chǎn) 12 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(shù)目來表示。 如果用 1 來表示變壓器初級線圈電流產(chǎn)生的磁通量，用 2來表示變壓器次級線圈電流產(chǎn)生的磁通量，由于變壓器初、次級線圈電流產(chǎn)生的磁場方向總是相反，則在控制開關(guān) 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(chǎn)生的合成磁場的總磁通量 為： 其中變壓器初級線圈電流產(chǎn)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(chǎn)生的磁通 2，記為 10，另一部分是由勵磁電流產(chǎn)生的磁通，記為 Δ 1 。顯然 10 =－ 2， Δ 1 = 。即：變壓器鐵心 中產(chǎn)生的磁通量 ，只與流過變壓器初級線圈中的勵磁電流有關(guān)，與流過變壓器次級線圈中的電流無關(guān)；流過變壓器次級線圈中的電流產(chǎn)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(chǎn)生的磁通抵消。 根據(jù)電磁感應(yīng)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(jù)（ 161）和（ 162）可以求得： 圈 N1 繞組的輸入電壓； n為變壓比，即：開關(guān)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(guān)變壓器次級線圈 N2 繞組與初級線圈 N1 繞組的匝數(shù)比，即： n = N2/N1。 由此可知，在控制開關(guān) K接通期間，正激式開關(guān)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(guān)。 我們再來分析控制開關(guān) K關(guān)斷期間的情況。 在 Toff 期間，控制開關(guān) K關(guān)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(chǎn)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 13 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(xiàn)非常高的反電動勢電壓，把控制開關(guān)或變壓器擊穿。 如果變壓器鐵心中的磁通 產(chǎn)生突變，變壓器的初、次級線圈就會產(chǎn)生無限高的反電動勢，反電動勢又會產(chǎn)生無限大的電流，而電流在線圈中產(chǎn)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(guān) K關(guān)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(guān)斷時變壓器次級線圈產(chǎn)生的感應(yīng)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(shù)，把初始條件代入上式，就很容易求出 C，由于控制開關(guān) K由接通狀態(tài)突然轉(zhuǎn)為關(guān)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(guān) 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器次級線圈回路中的電流，第二項表示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的電流。 圖 116a單激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓 uo 等于： 由（ 167）式可以看出，當(dāng) t = 0 時，即： K關(guān)斷瞬間，輸出電壓有最大值： 14 （ 168）式中的 Up就是反擊式輸出電壓的峰值，或輸出電壓最大值。由此可知，在控制開關(guān) K關(guān)斷瞬間，當(dāng)變壓器次級線圈回路負載開路時，變壓器次級線圈回 路會產(chǎn)生非常高的反電動勢。理論上需要時間 t 等于無限大時，變壓器次級線圈回路輸出電壓才為 0，但這種情況一般不會發(fā)生，因為控制開關(guān) K的關(guān)斷時間等不了那么長。 從（ 163）和（ 167）式可以看出，開關(guān)變壓器的工作原理與普通變壓器的工作原理是不一樣的。當(dāng)開關(guān)電源工作于正激時，開關(guān)變壓器的工作原理與普通變壓器的工作原理基本相同；當(dāng)開關(guān)電源工作于反激時，開關(guān)變壓器的工作原理相當(dāng)于一個儲能電感。 3. 恒流開關(guān)電源的設(shè)計 設(shè)計初衷 結(jié)合以前學(xué)習(xí)的電力電子器件，功率電子技術(shù)以及數(shù)模電的相關(guān)知識，所以就針對 恒流開關(guān)電源展開了一系列的討論與設(shè)計。 開關(guān)電源設(shè)計步驟 開關(guān)電源可以采用模塊化的設(shè)計思想。由于其設(shè)計比較復(fù)雜，因此要把它分解成多個基本模塊設(shè)計，功能模塊圖見圖 原理圖 開關(guān)電源是由輸入整流與濾波電路、高頻變壓電路、整流續(xù)流與濾波電路、穩(wěn)壓恒流電路、保護電路、反饋電路、控制電路以及功率開關(guān)組成的。輸入整流濾波電路其作用是把電網(wǎng)存在雜波過濾，也是通過整流得到輸出所需要的直流電壓。高頻變壓器是開關(guān)電源設(shè)計關(guān)鍵部件之一，在電路回路中起到電器隔離、變壓、儲能、變流或者是變阻等作用的 。而輸出整流續(xù)流與濾波電路是通過整流續(xù)流功能得到輸出所需要直流電流，當(dāng)然還要通過濾波器把多余雜波給濾掉。穩(wěn)壓恒流輸出電路目的是為負載提供一個恒流電流