开关电源设计技巧.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流开关电源设计技巧.精品文档.http:/bbs.big-连载一：开关电源的基本工作原理1-1.几种基本类型的开关电源顾名思义，开关电源就是利用电子开关器件(如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等)，通过控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。开 关电源一般有三种工作模式：频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于DC/AC逆变电源，或 DC/DC电压变换;后两种工作模式多用于开关稳压电源。另外，开关电源输出电压也有三种工作方式：直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压 方式。同样，前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换;后两种工作方式多用于开关稳压电源。根据开关器件在电路中连接的方式，目前比较广泛使用的开关电源，大体上可分为：串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。其中，变压器式开关电源(后面简称变压器开关电源)还可以进一步分成：推挽式、半桥式、全桥式等多种;根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分成：正激式、反激式、单激式和双激式等多种;如果从用途上来分，还可以分成更多种类。下面我们先对串联式、并联式、变压器式等三种最基本的开关电源工作原理进行简单介绍，其它种类的开关电源也将逐步进行详细分析。1-2.串联式开关电源1-2-1.串联式开关电源的工作原理此主题相关图片如下：图1-1.jpg图 1-1-a是串联式开关电源的最简单工作原理图，图1-1-a中Ui是开关电源的工作电压，即：直流输入电压;K是控制开关，R是负载。当控制开关K接通 的时候，开关电源就向负载R输出一个脉冲宽度为Ton，幅度为Ui的脉冲电压Up;当控制开关K关断的时候，又相当于开关电源向负载R输出一个脉冲宽度为 Toff，幅度为0的脉冲电压。这样，控制开关K不停地“接通”和“关断”，在负载两端就可以得到一个脉冲调制的输出电压uo 。图1-1-b是串联式开关电源输出电压的波形，由图中看出，控制开关K输出电压uo是一个脉冲调制方波，脉冲幅度Up等于输入电压Ui，脉冲宽度等于控制开关K的接通时间Ton，由此可求得串联式开关电源输出电压uo的平均值Ua为：Ua = Ui = D×Ui (1-1)式中Ton为控制开关K接通的时间，T为控制开关K的工作周期。改变控制开关K接通时间Ton与关断时间Toff的比例，就可以改变输出电压uo的平均值Ua 。一般人们都把 称为占空比(Duty)，用D来表示，即：此主题相关图片如下：（1-2）.jpg或此主题相关图片如下：（1-3）.jpg串联式开关电源输出电压uo的幅值Up等于输入电压Ui，其输出电压uo的平均值Ua总是小于输入电压Ui，因此，串联式开关电源一般都是以平均值Ua为变量输出电压。所以，串联式开关电源属于降压型开关电源。串联式开关电源也有人称它为斩波器，由于它工作原理简单，工作效率很高，因此其在输出功率控制方面应用很广。例如，电动摩托车速度控制器以及灯光亮度控制器等，都是属于串联式开关电源的应用。如果串联式开关电源只单纯用于功率输出控制，电压输出可以不用接整流滤波电路，而直接给负载提供功率输出;但如果用于稳压输出，则必须要经过整流滤波。串联式开关电源的缺点是输入与输出共用一个地，因此，容易产生EMI干扰和底板带电，当输入电压为市电整流输出电压的时候，容易引起触电，对人身不安全。连载二：串联式开关电源输出电压滤波电路大多数开关电源输出都是直流电压，因此，一般开关电源的输出电路都带有整流滤波电路。图1-2是带有整流滤波功能的串联式开关电源工作原理图。此主题相关图片如下：图1-2.jpg图1-2是在图1-1-a电路的基础上，增加了一个整流二极管和一个LC滤波电路。其中L是储能滤波电感，它的作用是在控制开关K接通期间Ton限制大电流通过，防止输入电 压Ui直接加到负载R上，对负载R进行电压冲击，同时对流过电感的电流iL转化成磁能进行能量存储，然后在控制开关K关断期间Toff把磁能转化成电流 iL继续向负载R提供能量输出;C是储能滤波电容，它的作用是在控制开关K接通期间Ton把流过储能电感L的部分电流转化成电荷进行存储，然后在控制开关 K关断期间Toff把电荷转化成电流继续向负载R提供能量输出;D是整流二极管，主要功能是续流作用，故称它为续流二极管，其作用是在控制开关关断期间 Toff，给储能滤波电感L释放能量提供电流通路。在控制开关关断期间Toff，储能电感L将产生反电动势，流过储能电感L的电流iL由反电动势eL的正极流出，通过负载R，再经过续流二极管D的正极，然后从续流二极管D的负极流出，最后回到反电动势eL的负极。对于图1-2，如果不看控制开关K和输入电压Ui，它是一个典型的反 型滤波电路，它的作用是把脉动直流电压通过平滑滤波输出其平均值。图 1-3、图1-4、图1-5分别是控制开关K的占空比D等于0.5、< 0.5、> 0.5时，图1-2电路中几个关键点的电压和电流波形。图1-3-a)、图1-4-a)、图1-5-a)分别为控制开关K输出电压uo的波形;图1-3- b)、图1-4-b)、图1-5-b)分别为储能滤波电容两端电压uc的波形;图1-3-c)、图1-4-c)、图1-5-c)分别为流过储能电感L电流 iL的波形。此主题相关图片如下：图1-3.jpg此主题相关图片如下：图1-4.jpg此主题相关图片如下：图1-5.jpg在Ton期间，控制开关K接通，输入电压Ui通过控制开关K输出电压uo，然后加到储能滤波电感L和储能滤波电容C组成的滤波电路上，在此期间储能滤波电感L两端的电压eL为：此主题相关图片如下：（1-4）.jpg式中：Ui输入电压，Uo为直流输出电压，即：电容两端的电压uc的平均值。在 此顺便说明：由于电容两端的电压变化量U相对于输出电压Uo来说非常小，为了简单，我们这里把Uo当成常量来处理。在某种情况下，如需要对电容的初次 充、放电过程进行分析时，必须需要建立微分方程，并求解。因为输出电压Uo的建立需要一定的时间，精确计算得出的结果中一般都含有指数函数项，当令时间变 量等于无穷大时，即电路进入稳态时，再对相关参量取平均值，其结果就基本与(1-4)相等。对(1-4)式进行积分得：此主题相关图片如下：（1-5）.jpg式中i(0)为控制开关K转换瞬间(t = 0时刻)，即：控制开关K刚接通瞬间流过电感L的电流，或称流过电感L的初始电流。当控制开关K由接通期间Ton突然转换到关断期间Toff的瞬间，流过电感L的电流iL达到最大值：此主题相关图片如下：（1-6）.jpg在Toff期间，控制开关K关断，储能电感L把磁能转化成电流iL，通过整流二极管D继续向负载R提供能量，在此期间储能滤波电感L两端的电压eL为：此主题相关图片如下：（1-7）.jpg式中Uo前的负号，表示K关断期间电感产生电动势的方向与K接通期间电感产生电动势的方向正好相反。对(1-7)式进行积分得：此主题相关图片如下：（1-8）.jpg连载三：串联式开关电源储能滤波电感的计算从前文的分析可知，串联式开关电源输出电压Uo与控制开关的占空比D有关，还与储能电感L的大小有关，因为储能电感L决定电流的上升率(di/dt)，即输出电流的大小。因此，正确选择储能电感的参数相当重要。串联式开关电源最好工作于临界连续电流状态，或连续电流状态。串联式开关电源工作于临界连续电流状态时，滤波输出电压Uo正好是滤波输入电压uo的平均值Ua，此时，开关电源输出电压的调整率为最好，且输出电压Uo的纹波也不大。因此，我们可以从临界连续电流状态着手进行分析。我们先看(1-6)式：此主题相关图片如下：（1-6）.jpg当串联式开关电源工作于临界连续电流状态时，即D = 0.5时，i(0) = 0，iLm = 2 Io，因此，(1-6)式可以改写为：此主题相关图片如下：（1-12）.jpg式中Io为流过负载的电流(平均电流)，当D = 0.5时，其大小正好等于流过储能电感L最大电流iLm的二分之一;T为开关电源的工作周期，T正好等于2倍Ton。由此求得：此主题相关图片如下：（1-13）.jpg或：此主题相关图片如下：（1-14）.jpg(1-13)和(1-14)式，就是计算串联式开关电源储能滤波电感L的公式(D = 0.5时)。(1-13)和(1-14)式的计算结果，只给出了计算串联式开关电源储能滤波电感L的中间值，或平均值，对于极端情况可以在平均值的计算结果上再乘以一个大于1的系数。如果增大储能滤波电感L的电感量，滤波输出电压Uo将小于滤波输入电压uo的平均值Ua，因此，在保证滤波输出电压Uo为一定值的情况下，势必 要增大控制开关K的占空比D，以保持输出电压Uo的稳定;而控制开关K的占空比D增大，又将会使流过储能滤波电感L的电流iL不连续的时 间缩短，或由电流不连续变成电流连续，从而使输出电压Uo的电压纹波UP-P进一步会减小，输出电压更稳定。如 果储能滤波电感L的值小于(1-13)式的值，串联式开关电源滤波输出的电压Uo将大于滤波输入电压uo的平均值Ua，在保证滤波输出电压Uo为一定值的 情况下，势必要减小控制开关K的占空比D，以保持输出电压Uo的值不变;控制开关K的占空比D减小，将会使流过滤波电感L的电流iL出现不连续，从而使输 出电压Uo的电压纹波UP-P*，造成输出电压不稳定。由此可知，调整串联式开关电源滤波输出电压Uo的大小，实际上就是同时调整流过滤波电感L和控制开关K占空比D的大小。由 图1-4可以看出：当控制开关K的占空比D小于0.5时，流过滤波电感L的电流iL出现不连续，输出电流Io小于流过滤波电感L最大电流iLm的二分之 一，滤波输出电压Uo的电压纹波UP-P将显著增大。因此，串联式开关电源最好不要工作于图1-4的电流不连续状态，而最好工作于图1-3和图 1-5表示的临界连续电流和连续电流状态。串联式开关电源工作于临界连续电流状态，输出电压Uo等于输入电压Ui的二分之一，等于滤波输入电压uo的平均值Ua;且输出电流Io也等于流过滤波电感L最大电流iLm的二分之一。串联式开关电源工作于连续电流状态，输出电压Uo大于输入电压Ui的二分之一，大于滤波输入电压uo的平均值Ua;且输出电流Io也大于流过滤波电感L最大电流iLm的二分之一。连载四：反转式串联开关电源的工作原理 1-3-1.反转式串联开关电源的工作原理此主题相关图片如下：图1-7.jpg图1-7是另一种串联式开关电源，一般称为反转式串联开关电源。这种反转式串联开关电源与一般串联式开关电源的区别是，这种反转式串联开关电源输出的电压是负电压，正好与一般串联式开关电源输出的正电压极性相反;并且由于储能电感L只在开关K关断时才向负载输出电流，因此，在相同条件下，反转式串联开关电源输出的电流比串联式开关电源输出的电流小一倍。在一般电路中大部分都是使用单极性电源，但在一些特殊场合，有时需要两组电源，其中一组为负电源。因此，选用图1-7所示的反转式串联开关电源作为负电源是很方便的。图1-7中，Ui为输入电源，K为控制开关，L为储能电感，D为整流二极管，C为储能滤波电 容，R为负载电阻。当控制开关K接通的时候，输入电源Ui开始对储能电感L加电，流过储能电感L的电流开始增加，同时电流在储能电感中也要产生磁场;当控 制开关K由接通转为关断的时候，储能电感会产生反电动势，使电流继续流动，并通过整流二极管D进行整流，再经电容储能滤波，然后向负载R提供电流输出。控 制开关K不断地反复接通和关断过程，在负载R上就可以得到一个负极性的电压输出。此主题相关图片如下：图1-8.jpg此主题相关图片如下：图1-9.jpg此主题相关图片如下：图1-10.jpg图 1-8、图1-9、图1-10分别是控制开关K的占空比D等于0.5、< 0.5、> 0.5时，图1-7电路中几个关键点的电压和电流波形。图1-8-a)、图1-9-a)、图1-10-a)分别为控制开关K输出电压uo的波形;图 1-8-b)、图1-9-b)、图1-10-b)分别为储能滤波电容两端电压uc的波形;图1-8-c)、图1-9-c)、图1-10-c)分别为流过储 能电感L电流iL的波形。应该特别注意的是，图1-8-c)、图1-9-c)、图1-10-c)中的电流波形按原理应该取负值，但取负值后与前面图1-5 与图1-6对比反而觉得不好对比和分析，因此，当进行具体计算时，一定要注意电流和电压的方向。在开关接通Ton期间，控制开关K接通，电源Ui开始对储能电感L供电，在此期间储能电感L两端的电压eL为：此主题相关图片如下：（1-19）.jpg对(1-19)式进行积分得：此主题相关图片如下：（1-20）.jpg式中iL为流过储能电感L电流的瞬时值，t为时间变量;i(0)为的初始电流，即：控制开关K接通瞬间之前，流过储能电感L中的电流。当开关电源工作于临界连续电流状态时，i(0) = 0 ，由此可以求得流过储能电感L的最大电流为：此主题相关图片如下：（1-21）.jpg      连载五：反转式串联开关电源储能电感的计算1-3-2.反转式串联开关电源储能电感的计算反转式串联开关电源储能电感的计算方法与前面“串联式开关电源储能滤波电感的计算”方法基本相同，计算反转式串联开关电源中储能电感的数值，也是从 流过储能电感的电流为临界连续电流状态进行分析。但须要特别注意，反转式串联开关电源中的储能电感仅在控制开关K关断期间才产生反电动势向负载提供能量， 因此，流过负载的电流比串联式开关电源流过负载的电流小一倍，即：当占空比小于0.5时，反转式串联开关电源中流过负载R的电流Io只有流过储能电感L最 大电流iLm的四分之一。根据(1-21)式：此主题相关图片如下：（1-21）.jpg(1-21)式可以改写为：此主题相关图片如下：（1-28）.jpg式中Io为流过负载的电流，当D = 0.5时，其大小等于最大电流iLm的四分之一;T为开关电源的工作周期，T正好等于2倍Ton。由此求得：此主题相关图片如下：（1-29）.jpg或：此主题相关图片如下：（1-30）.jpg(1-29)和(1-30)式，就是计算反转式串联开关电源中储能电感的公式。同理，(1-29)和(1-30)式的计算结果，只给出了计算反转式串联开关电源储能滤波电感L的中间值，或平均值，对于极端情况可以在平均值的计算结果上再乘以一个大于1的系数。当储能电感L的值小于(1-29)式的值时，流过滤波电感L的电流上升率将增大，如果流过滤波电感L的电流iL为连续电流，输出电压Uo将会升高;如果为 了维持滤波输出电压Uo不变，则必须要把控制开关K占空比D减小，但占空比D的减小将会使流过储能电感的电流iL出现不连续，从而使滤波输出电压Uo的电 压纹波增大。如果流过滤波电感L的电流iL不是连续电流，储能电感L的减小，将会使流过储能电感的电流iL不连续的时间变长，电源滤波输出电压Uo不但不会升高，反而会使反转式串联开关电源滤波输出电压Uo的电压纹波显著增大。当储能滤波电感L的值大于(1-29)式的值时，流过储能电感L的电流上升率将减小，输出电压Uo将降低，但滤波输出电压Uo的电压纹波显著减小;如果为 了维持电源滤波输出电压Uo不变，控制开关K必须要把占空比D增大，而占空比D的增大又会使流过储能电感的电流iL不连续的时间缩短，或由电流不连续变成 电流连续，从而使电源滤波输出电压Uo的电压纹波降低。1-3-3.反转式串联开关电源储能滤波电容的计算反转式串联开关电源储能滤波电容参数的计算，与串联式开关电源储能滤波电容的计算方法基本相同。但要注意，即使是在占空比D等于0.5的情况下，滤 波电容器充、放电的时间都不相等，滤波电容器充电的时间小于半个工作周期，而电容器放电的时间则大于半个工作周期，但电容器充、放电的电荷是相等的，即电 容器充电时的电流大于放电时的电流。这是整流滤波电路的普遍规律。从图1-8可以看出，在占空比D等于0.5的情况下，电容器充电的时间为3/8T，电容充电电流的平均值为3/8iLm，或3/2Io;而电容器放电的时间为5/8T，电容放电电流的平均值为0.9 Io。因此有：此主题相关图片如下：（1-31）.jpg式中Q为电容器充电的电荷，Io流过负载的平均电流，T为工作周期。电容充电时，电容两端的电压由最小值充到最大值(绝对值)，相应的电压增量为2Uc，由此求得电容器两端的波纹电压UP-P为：此主题相关图片如下：（1-32）.jpg由此求得：此主题相关图片如下：（1-33）.jpg或：此主题相关图片如下：（1-34）.jpg(1-33)和(1-34)式，就是计算反转式串联开关电源储能滤波电容的公式(D = 0.5时)。式中：Io是流过负载电流的平均值，T为开关工作周期，UP-P为滤波输出电压的波纹，或电压纹波。一般波纹电压都是取电压增量的峰-峰 值，因此，当D = 0.5时，波纹电压等于电容器充电的电压增量，即：UP-P = 2Uc 。同理，(1-33)和(1-34)式的计算结果，只给出了计算反转式串联开关电源储能滤波电容C的中间值，或平均值，对于极端情况可以在平均值的计算结果上再乘以一个大于1的系数。当开关K的占空比D小于0.5时，由于流过储能滤波电感L的电流会不连续，电容器放电的时间将远远大于电容器充电的时间，因此，开关电源滤波输出电压的纹 波将显著增大。另外，开关电源的负载一般也不是固定的，当负载电流增大的时候，开关电源滤波输出电压的纹波也将会增大。因此，设计开关电源的时候要留有充 分的余量，实际应用中最好按(1-33)式计算结果的2倍以上来计算储能滤波电容的参数。连载六：并联式开关电源1-4.并联式开关电源并联式开关电源的工作原理比较简单，工作效率很高，因此应用很广泛，特别是在一些小电子产品中，并联式开关电源作为DC/DC升压电源应用最广。例如，很多使用干电池的手提式电器，由于干电池的电压一般只有1.5V或3V，为了提高工作电压，都是使用并联式开关电源把工作电压提高一倍。并联式开关电源的缺点是输入与输出共用一个地，因此，容易产生EMI干扰。1-4-1.并联式开关电源的工作原理此主题相关图片如下：图1-11.jpgeL = Ldi/dt = Ui K接通期间 图1-11-a是并联式开关电源的最简单工作原理图，图1-11-b是并联式开关电源输出电压的波形。图1-11-a中Ui是开关电源的工作电压，L是储能电感，K是控制开关，R是负载。图1-11-b中Ui是开关电源的输入电压，Uo是开关电源输出的电压，Up是开关电源输出的峰值电压，Ua是开关电源输出的平均电压。当控制开关K接通时，输入电源Ui开始对储能电感L加电，流过储能电感L的电流开始增加，同时电流在储能电感中也要产生磁场;当控制开关K由接通转为关断的时候，储能电感会产生反电动势，反电动势产生电流的方向与原来电流的方向相同，因此，在负载上会产生很高的电压。在Ton期间，控制开关K接通，储能滤波电感L两端的电压eL正好与输入电压Ui相等，即：此主题相关图片如下：（1-35）.jpg对上式进行积分，可求得流过储能电感L的电流为：此主题相关图片如下：（1-36）.jpg式中iL为流过储能电感L电流的瞬时值，t为时间变量，i(0)为流过储能电感的初始电流，即：开关K接通前瞬间流过储能电感的电流。一般当占空比D小于或等于0.5时，i(0)= 0，由此可以求得流过储能电感L的最大电流ILm为：此主题相关图片如下：（1-37）.jpg式中Ton为控制开关K接通的时间。当图1-11-a中的控制开关K由接通状态突然转为关断时，储能电感L会把其存储的能量(磁能)通过反电动势进行释放，储能电感L产生的反电动势为：此主题相关图片如下：（1-38）.jpg式中负号表示反电动势eL的极性与(1-35)式中的符号相反，即：K接通与关断时电感的反电动势的极性正好相反。对(1-38)式阶微分方程求解得：此主题相关图片如下：（1-39）.jpg式中C为常数，把初始条件代入上式，就很容易求出C，由于控制开关K由接通状态突然转为关断时，流过储能电感L中的电流iL不能突变，因此，i(Ton+)正好等于流过储能电感L的最大电流ILm ，所以(1-39)式可以写为：此主题相关图片如下：（1-40）.jpg图1-11-a并联式开关电源输出电压uo等于：此主题相关图片如下：（1-41）.jpg由(1-41)式可以看出，当t = 0时，即：K关断瞬间，输出电压有最大值：此主题相关图片如下：（1-42）.jpg当t等于很大时，并联式开关电源输出电压的值将接近输入电压Ui，但这种情况一般不会发生，因为控制开关K的关断时间等不了那么长。从(1-42)式可以看出，当并联式开关电源的负载R很大或开路时，输出脉冲电压的幅度将非常高。因此，并联式开关电源经常用于高压脉冲发生电路。连载七：并联开关电源储能电感的计算1-4-3.并联开关电源储能电感的计算与前面计算反转式串联开关电源中储能电感的数值方法基本相同，计算并联式开关电源储能电感也是从流过储能电感的电流为临界连续电流状态着手进行分析。并联式开关电源中的储能电感与反转式串联开关电源中的储能电感工作原理基本一样，都是在控制开关K关断期间才产生反电动势向负载提供能量，因此，流过负载的电流只有流过储能电感电流的四分之一。此主题相关图片如下：（1-45）.jpg(1-45)式可以改写为：此主题相关图片如下：（1-53）.jpg式中Io为流过负载的电流，当D = 0.5时，其大小等于最大电流iLm的四分之一;T为开关电源的工作周期，T正好等于2倍Ton。由此求得：此主题相关图片如下：（1-54）.jpg此主题相关图片如下：（1-55）.jpg(1-54)和(1-55)式，就是计算并联式开关电源储能电感的公式。同理，(1-54)和(1-55)式的计算结果，只给出了计算并联开关电源储能滤波电感L的中间值，或平均值，对于极端情况可以在平均值的计算结果上再乘以一个大于1的系数。对于电感取不同数值和在不同的占空比状态下工作的情况分析，请参考前面关于“反转式串联开关电源储能电感的计算”内容的论述。连载八：单激式变压器开关电源1-5.单激式变压器开关电源变压器开关电源的最大优点是，变压器可以同时输出多组不同数值的电压，改变输出电压和输出电流很容易，只需改变变压器的匝数比和漆包线截面积的大小即可;另外，变压器初、次级互相隔离，不需共用同一个地。因此，变压器开关电源也有人把它称为离线式开关电源。这里的离线并不是不需要输入电源，而是输入电源与输出电源之间没有导线连接，完全是通过磁场偶合传输能量。变压器开关电源采用变压器把输入输出进行电器隔离的最大好处是，提高设备的绝缘强度，降低安全风险，同时还可以减轻EMI干扰，并且还容易进行功率匹配。变压器开关电源有单激式变压器开关电源和双激式变压器开关电源之分，单激式变压器开关电源普遍应用于小功率电子设备之中，因此，单激式变压器开关电源应用非常广泛。而双激式变压器开关电源一般用于功率较大的电子设备之中，并且电路一般也要复杂一些。单激式变压器开关电源的缺点是变压器的体积比双激式变压器开关电源的激式变压器的体积大，因为单激式开关电源的变压器的磁芯只工作在磁回路曲线的单端，磁回路曲线变化的面积很小。1-5-1.单激式变压器开关电源的工作原理此主题相关图片如下：图1-16.jpg图1-16-a是单激式变压器开关电源的最简单工作原理图。图1-16-a中，Ui是开关电源的输入电压，T是开关变压器，K是控制开关，R是负载电阻。当控制开关K接通的时候，直流输入电压Ui首先对变压器T的初级线圈N1绕组供电，电流在变压器初级线圈N1绕组的两端会产生自感电动势e1;同时，通过互 感M的作用，在变压器次级线圈N2绕组的两端也会产生感应电动势e2;当控制开关K由接通状态突然转为关断状态的时候，电流在变压器初级线圈N1绕组中存 储的能量(磁能)也会产生反电动势e1;同时，通过互感M的作用，在变压器次级线圈N2绕组中也会产生感应电动势e2。因此，在控制开关K接通之前和接通之后，在变压器初、次级线圈中感应产生的电动势方向是不一样的。所谓单激式变压器开关电源，是指开关电源在一个工作周期之内，变压器的初级线圈只被直流电压激励一次。一般单激式变压器开关电源在一个工作周期之内，只有半 个周期向负载提供功率(或电压)输出。当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈也正好向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为正激 式开关电源;当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功 率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。图1-16-b是单激式变压器开关电源输出电压的波形，由于输出电压是由变压器的次级输出，因此，在输出电压uo中完全没有直流成份。输出电压正半波的面积 与负半波的面积完全相等，这是单激式变压器开关电源输出电压波形的特点。图1-16-b中，当只输出正半波电压时，为正激式开关电源;反之，当只输出负半 波电压时，为反激式开关电源。顺便指出，图1-16-b中变压器输出电压波形极性的正负，是可以通过调整变压器线圈的饶线方向(相位)来改变的。严格地说，只有当控制开关的占空比等于 0.5时，开关电源的输出电压才能称为正、负半周电压，但由于人们已习惯了正、负半周的叫法，所以，只要是有正、负电压输出的电源，我们还是习惯地把它们 称为正、负半周。但为了与占空比不等于0.5时的电压波形相区别，我们有时特别把占空比不等于0.5时的电压波形称为正、负半波。因此，有些场合在不影响 对正、负半波电压的理解时，或占空比不确定时，我们也习惯地把正、负半波称为正、负半周。图1-16-a中，在Ton期间，控制开关K接通，输入电源Ui开始对变压器初级线圈N1绕组加电，电流从变压器初级线圈N1绕组的两端经过，通过电磁感应 会在变压器的铁心中产生磁场，并产生磁力线;同时，在初级线圈N1绕组的两端要产生自感电动势E1，在次级线圈N2绕组的两端也会产生感应电动势e2;感 应电动势e2作用于负载R的两端，从而产生负载电流。因此，在初、次级电流的共同作用下，在变压器的铁心中会产生一个由流过变压器初、次级线圈电流产生的 合成磁场，这个磁场的大小可用磁力线通量(简称磁通量)，即磁力线的数目 来表示。如果用 1来表示变压器初级线圈电流产生的磁通量，用 2来表示变压器次级线圈电流产生的磁通量，由于变压器初、次级线圈电流产生的磁场方向总是相反，则在控制开关K接通期间，由流过变压器初、次级线圈电流在变压器铁心中产生的合成磁场的总磁通量 为：此主题相关图片如下：（1-60）.jpg其中变压器初级线圈电流产生的磁通 1还可以分成两个部分，一部分用来抵消变压器次级线圈电流产生的磁通 2，记为 10，另一部分是由励磁电流产生的磁通，记为 1。显然 10 =- 2， 1 = 。即：变压器铁心中产生的磁通量 ，只与流过变压器初级线圈中的励磁电流有关，与流过变压器次级线圈中的电流无关;流过变压器次级线圈中的电流产生的磁通，完全被流过变压器初级线圈中的另 一部分电流产生的磁通抵消。根据电磁感应定律可以对变压器初级线圈N1绕组回路列出方程：此主题相关图片如下：（1-61）.jpg同样，可以对变压器次级线圈N2绕组回路列出方程：此主题相关图片如下：（1-62）.jpg根据(1-61)和(1-62)可以求得：此主题相关图片如下：（1-63）.jpg圈N1绕组的输入电压;n为变压比，即：开关变压器次级线圈输出电压与初级线圈输入电压之比，n也可以看成是开关变压器次级线圈N2绕组与初级线圈N1绕组的匝数比，即：n = N2/N1。由此可知，在控制开关K接通期间，正激式开关变压器次级输出电压的幅值只与输入电压和变压器的次/初级变压比有关。连载九：正激式变压器开关电源正激式变压器开关电源输出电压的瞬态控制特性和输出电压负载特性，相对来说比较好，因此，工作比较稳定，输出电压不容易产生抖动，在一些对输出电压参数要求比较高的场合，经常使用。1-6-1.正激式变压器开关电源工作原理所谓正激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正在被直流脉冲电压激励时，变压器的次级线圈正好有功率输出。图1-17是正激式变压器开关电源的简单工作原理图，图1-17中Ui是开关电源的输入电压，T是开关变压器，K是控制开关，L是储能滤波电感，C是储能滤波电容，D2是续流二极管，D3是削反峰二极管，R是负载电阻。在图1-17中，需要特别注意的是开关变压器初、次级线圈的同名端。如果把开关变压器初线圈或次级线圈的同名端弄反，图1-17就不再是正激式变压器开关电源了。 此主题相关图片如下：图1-17.jpg我们从(1-76)和(1-77)两式可知，改变控制开关K的占空比D，只能改变输出电压(图1-16-b中正半周)的平均值Ua ，而输出电压的幅值Up不变。因此，正激式变压器开关电源用于稳压电源，只能采用电压平均值输出方式。图1-17中，储能滤波电感L和储能滤波电容C，还有续流二极管D2，就是电压平均值输出滤波电路。其工作原理与图1-2的串联式开关电源电压滤波输出电路完全相同，这里不再赘述。关于电压平均值输出滤波电路的详细工作原理，请参看“1-2.串联式开关电源”部分中的“串联式开关电源电压滤波输出电路”内容。正激式变压器开关电源有一个最大的缺点，就是在控制开关K关断的瞬间开关变压器的初、次线圈绕组都会产生很高的反电动势，这个反电动势是由流过变压器初线圈绕组的励磁电流存储的磁能量产生的。因此，在图1-17中，为了防止在控制开关K关断瞬间产生反电动势击穿开关器件，在开关变压器中增加一个反电动势能量吸收反馈线圈N3绕组，以及增加了一个削反峰二极管D3。反 馈线圈N3绕组和削反峰二极管D3对于正激式变压器开关电源是十分必要的，一方面，反馈线圈N3绕组产生的感应电动势通过二极管D3可以对反电动势进行限 幅，并把限幅能量返回给电源，对电源进行充电;另一方面，流过反馈线圈N3绕组中的电流产生的磁场可以使变压器的铁心退磁，使变压器铁心中的磁场强度恢复 到初始状态。由 于控制开关突然关断，流过变压器初级线圈的励磁电流突然为0，此时，流过反馈线圈N3绕组中的电流正好接替原来励磁电流的作用，使变压器铁心中的磁感应强 度由最大值Bm返回到剩磁所对应的磁感应强度Br位置，即：流过反馈线圈N3绕组中电流是由最大值逐步变化到0的。由此可知，反馈线圈N3绕组产生的感应 电动势在对电源进行充电的同时，流过反馈线圈N3绕组中的电流也在对变压器铁心进行退磁。 此主题相关图片如下：图1-18.jpg图 1-18是图1-17中正激式变压器开关电源中几个关键点的电压、电流波形图。图1-18-a)是变压器次级线圈N2绕组整流输出电压波形，图1-18- b)是变压器次级线圈N3绕组整流输出电压波形，图1-18-c)是流过变压器初级线圈N1绕组和次级线圈N3绕组的电流波形。图 1-17中，在Ton期间，控制开关K接通，输入电源Ui对变压器初级线圈N1绕组加电，初级线圈N1绕组有电流i1流过，在N1两端产生自感电动势的同 时，在变压器次级线圈N2绕组的两端也同时产生感应电动势，并向负载提供输出电压。开关变压器次级线圈输出电压大小由 (1-63)、(1-69)、(1-76)、(1-77)等式给出，电压输出波形如图1-18-a)。图 1-18-c)是流过变压器初级线圈电流i1的波形。流过正激式开关变压器的电流与流过电感线圈的电流不同，流过正激式开关变压器中的电流有突变，而流过 电感线圈的电流不能突变。因此，在控制开关K接通瞬间流过正激式开关变压器的电流立刻就可以达到某个稳定值，这个稳定电流值是与变压器次级线圈电流大小相 关的。如果我们把这个电流记为i10，变压器次级线圈电流为i2，那么就是：i10 = n i2 ，其中n为变压器次级电压与初级电压比。另外，流过正激式开关变压器的电流i1除了i10之外还有一个励磁电流，我们把励磁电流记为?i1。从图1-18-c)中可以看出，?i1就是i1中随着时间线性增长的部份，励磁电流?i1由下式给出： 此主题相关图片如下：（1-80）.jpg当 控制开关K由接通突然转为关断瞬间，流过变压器初级线圈的电流i1突然为0，由于变压器铁心中的磁通量 不能突变，必须要求流过变压器次级线圈回路的电流也跟着突变，以抵消变压器初级线圈电流突变的影响，要么，在变压器初级线圈回路中将出现非常高的反电动势 电压，把控制开关或变压器击穿。如果变压器铁心中的磁通 产生突变，变压器的初、次级线圈就会产生无限高的反电动势，反电动势又会产生无限大的电流，而电流又会抵制磁通的变化，因此，变压器铁心中的磁通变化，最终还是要受到变压器初、次级线圈中的电流来约束的。因 此，控制开关K由接通状态突然转为关断，变压器初级线圈回路中的电流突然为0时，变压器次级线圈回路中的电流i2一定正好等于控制开关K接通期间的电流 i2(Ton+)，与变压器初级线圈励磁电流?i1被折算到变压器次级线圈的电流之和。但由于变压器初级线圈中励磁电流?i1被折算到变压器次级线圈的电 流?i1/n的方向与原来变压器次级线圈的电流i2(Ton+)的方向是相反的，整流二极管D1对电流?i1/n并不导通，因此，电流?i1/n只能通过 变压器次级线圈N3绕组产生的反电动势，经整流二极管D3向输入电压Ui进行反充电。在 Ton期间，由于开关变压器的电流的i10等于0，变压器次级线圈N2绕组回路中的电流i2自然也等于