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開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)概述(降壓,升壓,反激、正激)主回路開關(guān)電源中,功率電流流經(jīng)的通路。主回路一般包含了開關(guān)電源中的開關(guān)器件、儲(chǔ)能器件、脈沖變壓器、濾波器、輸出整流器、等所有功率器件,以及供電輸入端和負(fù)載端。開關(guān)電源(直流變換器)的類型很多,在研究開發(fā)或者維修電源系統(tǒng)時(shí),全面了解開關(guān)電源主回路的各種基本類型,以及工作原理,具有極其重要的意義。開關(guān)電源主回路可以分為隔離式與非隔離式兩大類型。1. 非隔離式電路的類型:非隔離輸入端與輸出端電氣相通,沒有隔離。1.1. 串聯(lián)式結(jié)構(gòu)串聯(lián)在主回路中開關(guān)器件(下圖中所示的開關(guān)三極管T)與輸入端、輸出端、電感器L、負(fù)載RL四者成串聯(lián)連接的關(guān)系。開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài),當(dāng)開關(guān)管T導(dǎo)通時(shí),輸入端電源通過開關(guān)管T及電感器L對(duì)負(fù)載供電,并同時(shí)對(duì)電感器L充電,當(dāng)開關(guān)管T關(guān)斷時(shí),電感器L中的反向電動(dòng)勢使續(xù)流二極管D自動(dòng)導(dǎo)通,電感器L中儲(chǔ)存的能量通過續(xù)流二極管D形成的回路,對(duì)負(fù)載R繼續(xù)供電,從而保證了負(fù)載端獲得連續(xù)的電流。串聯(lián)式結(jié)構(gòu),只能獲得低于輸入電壓的輸出電壓,因此為降壓式變換。例如buck拓?fù)湫烷_關(guān)電源就是屬于串聯(lián)式的開關(guān)電源/blog/100019740上圖是在圖1-1-a電路的基礎(chǔ)上,增加了一個(gè)整流二極管和一個(gè)LC濾波電路。其中L是儲(chǔ)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(duì)負(fù)載R進(jìn)行電壓沖擊,同時(shí)對(duì)流過電感的電流iL轉(zhuǎn)化成磁能進(jìn)行能量存儲(chǔ),然后在控制開關(guān)T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(chǔ)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(chǔ)能電感L的部分電流轉(zhuǎn)化成電荷進(jìn)行存儲(chǔ),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(chǔ)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(chǔ)能電感L將產(chǎn)生反電動(dòng)勢,流過儲(chǔ)能電感L的電流iL由反電動(dòng)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(dòng)勢eL的負(fù)極。對(duì)于圖1-2,如果不看控制開關(guān)T和輸入電壓Ui,它是一個(gè)典型的反 型濾波電路,它的作用是把脈動(dòng)直流電壓通過平滑濾波輸出其平均值。串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓uo的平均值Ua為:1.2. 并聯(lián)式結(jié)構(gòu)并聯(lián)在主回路中,相對(duì)于輸入端而言,開關(guān)器件(下圖中所示的開關(guān)三極管T)與輸出端負(fù)載成并聯(lián)連接的關(guān)系。開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài),當(dāng)開關(guān)管T導(dǎo)通時(shí),輸入端電源通過開關(guān)管T對(duì)電感器L充電,同時(shí)續(xù)流二極管D關(guān)斷,負(fù)載R靠電容器存儲(chǔ)的電能供電;當(dāng)開關(guān)管T關(guān)斷時(shí),續(xù)流二極管D導(dǎo)通,輸入端電源電壓與電感器L中的自感電動(dòng)勢正向疊加后,通過續(xù)流二極管D對(duì)負(fù)載R供電,并同時(shí)對(duì)電容器C充電。 由此可見,并聯(lián)式結(jié)構(gòu)中,可以獲得高于輸入電壓的輸出電壓,因此為升壓式變換。并且為了獲得連續(xù)的負(fù)載電流,并聯(lián)結(jié)構(gòu)比串聯(lián)結(jié)果對(duì)輸出濾波電容C的容量有更高的要求。例如boots拓?fù)湫偷拈_關(guān)電源就是屬于并聯(lián)型式的開關(guān)電源。并聯(lián)開關(guān)電源輸出電壓Uo為:boots拓?fù)漭敵鲭妷篣o:Uo=Ui(1+D/1-D)=Ui(1/1-D)(D 為占空比)1.3.極性反轉(zhuǎn)型變換器結(jié)構(gòu)(inverting)極性反轉(zhuǎn)輸出電壓與輸入電壓的極性相反。電路的基本結(jié)構(gòu)特征是:在主回路中,相對(duì)于輸入端而言,電感器L與負(fù)載成并聯(lián)。(也是串聯(lián)式開關(guān)電源的一種,一般又稱為反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源) 開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài),工作過程與并聯(lián)式結(jié)構(gòu)相似,當(dāng)開關(guān)管T導(dǎo)通時(shí),輸入端電源通過開關(guān)管T對(duì)電感器L充電,同時(shí)續(xù)流二極管D關(guān)斷,負(fù)載RL 靠電容器存儲(chǔ)的電能供電;當(dāng)開關(guān)管T關(guān)斷時(shí),續(xù)流二極管D導(dǎo)通,電感器L中的自感電動(dòng)勢通過續(xù)流二極管D對(duì)負(fù)載RL供電,并同時(shí)對(duì)電容器C充電;由于續(xù)流二極管D的反向極性,使輸出端獲得相反極性的電壓輸出。反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出電壓Uo為:由(1-27)式可以看出,反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出電壓與輸入電壓與開關(guān)接通的時(shí)間成正比,與開關(guān)關(guān)斷的時(shí)間成反比。2. 隔離式電路的類型:隔離輸入端與輸出端電氣不相通,通過脈沖變壓器的磁偶合方式傳遞能量,輸入輸出完全電氣隔離。2.1. 單端正激式 single Forward Converter(又叫單端正激式變壓器開關(guān)電源 )單端通過一只開關(guān)器件單向驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器;正激式:就是只有在開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)候,能量才通過變壓器或電感向負(fù)載釋放,當(dāng)開關(guān)關(guān)閉的時(shí)候,就停止向負(fù)載釋放能量。目前屬于這種模式的開關(guān)電源有:串聯(lián)式開關(guān)電源,buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)電源,激式變壓器開關(guān)電源、推免式、半橋式、全橋式都屬于正激式模式。反激式:就是在開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)候存儲(chǔ)能量,只有在開關(guān)管關(guān)斷的時(shí)候釋放才向負(fù)載釋放能量。屬于這種模式的開關(guān)電源有:并聯(lián)式開關(guān)電源、boots、極性反轉(zhuǎn)型變換器、反激式變壓器開關(guān)電源。正激變壓器脈沖變壓器的原/付邊相位關(guān)系,確保在開關(guān)管導(dǎo)通,驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器原邊時(shí),變壓器付邊同時(shí)對(duì)負(fù)載供電。所謂正激式變壓器開關(guān)電源,是指當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈正在被直流電壓激勵(lì)時(shí),變壓器的次級(jí)線圈正好有功率輸出。(正激式變壓器開關(guān)電源是推免式變壓器開關(guān)電源衍生過來的,推免式有兩個(gè)控制開關(guān),正激式改成一個(gè)開關(guān)控制。) U1是開關(guān)電源的輸入電壓,N是開關(guān)變壓器,T是控制開關(guān),L是儲(chǔ)能濾波電感,C是儲(chǔ)能濾波電容,D2是續(xù)流二極管,D3是削反峰二極管,RL是負(fù)載電阻。在上圖中,需要特別注意的是開關(guān)變壓器初、次級(jí)線圈的同名端。如果把開關(guān)變壓器初線圈或次級(jí)線圈的同名端弄反,上圖就不再是正激式變壓器開關(guān)電源了該電路的最大問題是:開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài),當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí),脈沖變壓器處于“空載”狀態(tài),其中儲(chǔ)存的磁能將被積累到下一個(gè)周期,直至電感器飽和,使開關(guān)器件燒毀。圖中的D3與N3構(gòu)成的磁通復(fù)位電路,提供了泄放多余磁能的渠道。2.2. 單端反激式 Single F1yback Converter(單端反激式變壓器開關(guān)電源) 所謂反激式變壓器開關(guān)電源,是指當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈正好被直流電壓激勵(lì)時(shí),變壓器的次級(jí)線圈沒有向負(fù)載提供功率輸出,而僅在變壓器初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓被關(guān)斷后才向負(fù)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。反激式電路與正激式電路相反,脈沖變壓器的原/付邊相位關(guān)系,確保當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通,驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器原邊時(shí),變壓器付邊不對(duì)負(fù)載供電,即原/付邊交錯(cuò)通斷。脈沖變壓器磁能被積累的問題容易解決,但是,由于變壓器存在漏感,將在原邊形成電壓尖峰,可能擊穿開關(guān)器件,需要設(shè)置電壓鉗位電路予以保護(hù)D3、N3構(gòu)成的回路。從電路原理圖上看,反激式與正激式很相象,表面上只是變壓器同名端的區(qū)別,但電路的工作方式不同,D3、N3的作用也不同。 反激式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓為:(1-110)式中,Uo為反激式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓,Ui變壓器初級(jí)線圈輸入電壓,D為控制開關(guān)的占空比,n為變壓器次級(jí)線圈與初級(jí)線圈的匝數(shù)比。2.3. 推挽 Push pull (變壓器中心抽頭)式這種電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是:對(duì)稱性結(jié)構(gòu),脈沖變壓器原邊是兩個(gè)對(duì)稱線圈,兩只開關(guān)管接成對(duì)稱關(guān)系,輪流通斷,工作過程類似于線性放大電路中的乙類推挽功率放大器。 主要優(yōu)點(diǎn):高頻變壓器磁芯利用率高(與單端電路相比)、電源電壓利用率高(與后面要敘述的半橋電路相比)、輸出功率大、兩管基極均為低電平,驅(qū)動(dòng)電路簡單。主要缺點(diǎn):變壓器繞組利用率低、對(duì)開關(guān)管的耐壓要求比較高(至少是電源電壓的兩倍)。2.4. 全橋式 Full Bridge Converter這種電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是:由四只相同的開關(guān)管接成電橋結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器原邊。 圖中T1、T4為一對(duì),由同一組信號(hào)驅(qū)動(dòng),同時(shí)導(dǎo)通/關(guān)端;T2、T3為另一對(duì),由另一組信號(hào)驅(qū)動(dòng),同時(shí)導(dǎo)通/關(guān)端。兩對(duì)開關(guān)管輪流通/斷,在變壓器原邊線圈中形成正/負(fù)交變的脈沖電流。主要優(yōu)點(diǎn):與推挽結(jié)構(gòu)相比,原邊繞組減少了一半,開關(guān)管耐壓降低一半。主要缺點(diǎn):使用的開關(guān)管數(shù)量多,且要求參數(shù)一致性好,驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)同步比較困難。這種電路結(jié)構(gòu)通常使用在1KW以上超大功率開關(guān)電源電路中。2.5. 半橋式 Half Bridge Converter電路的結(jié)構(gòu)類似于全橋式,只是把其中的兩只開關(guān)管(T3、T4)換成了兩只等值大電容C1、C2。 主要優(yōu)點(diǎn):具有一定的抗不平衡能力,對(duì)電路對(duì)稱性要求不很嚴(yán)格;適應(yīng)的功率范圍較大,從幾十瓦到千瓦都可以;開關(guān)管耐壓要求較低;電路成本比全橋電路低等。這種電路常常被用于各種非穩(wěn)壓輸出的DC變換器,如電子熒光燈驅(qū)動(dòng)電路中。 DCDC電源變換器的拓?fù)漕愋?elec/8416.html0 引言 本文的第一部分為“DCDC電源變換器拓?fù)涞姆诸悺?,第二部分是在參考美國TI公司資料的基礎(chǔ)上撰寫而成的,新增加了各種DCDC電源變換器的主要特點(diǎn)及PWM控制器的典型產(chǎn)品,另外還按照目標(biāo)對(duì)電路結(jié)構(gòu)、波形參數(shù)和汁算公式中的物理量作了統(tǒng)一。本文的特點(diǎn)足以表格形式歸納了常見DCDC電源變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)這對(duì)電源專業(yè)的廣大技術(shù)人員是一份不可多得的技術(shù)資料。1 DCDC電源變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分類 DCDC電源變換器的拓?fù)漕愋椭饕幸韵?3種: (1)Buck Converter降壓式變換器; (2)Boost Conyerter升壓式變換器; (3)BuckBoost Converter降壓/升壓式變換器,含極性反轉(zhuǎn)(Inverting)式變換器; (4)Cuk Converter升壓,升壓串聯(lián)式變換器; (5)SEPIC(Single Endcd Pdimary Inductor Converter)單端一次側(cè)電感式變換器; (6)F1yback Converter反激式(亦稱回掃式)變換器; (7)Forward Converter正激式變換器: (8)Double Switches Forward Converter雙開關(guān)正激式變換器; (9)Active Clamp Forward Converter有源箝位 (0)Half Bridge Converter半橋式變換器; (11)Full Bridge Converter全橋式變換器; (12)Push pull Convener推挽式變換器: (13)Phase Shift Switching ZVT(Phase Shift Switching Zero Voltage Transition)移相式零電壓開關(guān)變換器。2 常見DCDC電源變換器的拓?fù)漕愋?常見DC/DC電源變換器的拓?fù)漕愋鸵姳?表3所列。表中給出不同的電路結(jié)構(gòu),同時(shí)也給出相應(yīng)的電壓及電流波形(設(shè)相關(guān)的電感電流為連續(xù)工作方式)。PWM表示脈寬調(diào)制波形,U1為直流輸入電壓,UDS為功率丌關(guān)管S1(MOSFFT)的漏一源極電壓。ID1為S1的漏極電流。IF1為D1的工作電流,U0為輸出電壓,IL為負(fù)載電流。T為周期,t為UO呈高電平(或低電平)的時(shí)問及開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間,D為占空比,有關(guān)系式:D=t/T。C1、C2均為輸入端濾波電容,CO為輸出端濾波電容,L1、L2為電感。開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)(連載一)開關(guān)電源的基本工作原理因?yàn)榻蘸芏嗳嗽谙蛭易稍冇嘘P(guān)開關(guān)電源設(shè)計(jì)知識(shí),這里將我撰寫的開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)一書在電子創(chuàng)新網(wǎng)上首發(fā),希望給設(shè)計(jì)開關(guān)電源的工程師朋友一點(diǎn)幫助,我會(huì)以連載的形式發(fā)布此書,歡迎提出改進(jìn)建議!第一章 開關(guān)電源的基本工作原理1-1幾種基本類型的開關(guān)電源顧名思義,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(duì)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(dòng)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(lì)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(duì)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。1-2串聯(lián)式開關(guān)電源1-2-1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(shí)候,開關(guān)電源就向負(fù)載R輸出一個(gè)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(shí)候,又相當(dāng)于開關(guān)電源向負(fù)載R輸出一個(gè)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(gè)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(gè)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(shí)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:開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)(連載一)第一章開關(guān)電源的基本工作原理星期二, 04/14/2009 - 14:46 陶顯芳因?yàn)榻蘸芏嗳嗽谙蛭易稍冇嘘P(guān)開關(guān)電源設(shè)計(jì)知識(shí),這里將我撰寫的開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)一書在電子創(chuàng)新網(wǎng)上首發(fā),希望給設(shè)計(jì)開關(guān)電源的工程師朋友一點(diǎn)幫助,我會(huì)以連載的形式發(fā)布此書,歡迎提出改進(jìn)建議!第一章 開關(guān)電源的基本工作原理1-1幾種基本類型的開關(guān)電源顧名思義,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(duì)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(dòng)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(lì)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(duì)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。1-2串聯(lián)式開關(guān)電源1-2-1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(shí)候,開關(guān)電源就向負(fù)載R輸出一個(gè)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(shí)候,又相當(dāng)于開關(guān)電源向負(fù)載R輸出一個(gè)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(gè)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(gè)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(shí)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: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(dòng)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(gè)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(shí)候,容易引起觸電,對(duì)人身不安全。開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)(連載2-6)串聯(lián)式開關(guān)電源(Buck)開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)(連載二)串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓濾波電路/blog/100019740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(gè)整流二極管和一個(gè)LC濾波電路。其中L是儲(chǔ)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(duì)負(fù)載R進(jìn)行電壓沖擊,同時(shí)對(duì)流過電感的電流iL轉(zhuǎn)化成磁能進(jìn)行能量存儲(chǔ),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(chǔ)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(chǔ)能電感L的部分電流轉(zhuǎn)化成電荷進(jìn)行存儲(chǔ),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(chǔ)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(chǔ)能電感L將產(chǎn)生反電動(dòng)勢,流過儲(chǔ)能電感L的電流iL由反電動(dòng)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(dòng)勢eL的負(fù)極。對(duì)于圖1-2,如果不看控制開關(guān)K和輸入電壓Ui,它是一個(gè)典型的反 型濾波電路,它的作用是把脈動(dòng)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時(shí),圖1-2電路中幾個(gè)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能濾波電感L和儲(chǔ)能濾波電容C組成的濾波電路上,在此期間儲(chǔ)能濾波電感L兩端的電壓eL為:eL = Ldi/dt = Ui Uo K接通期間 (1-4)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U相對(duì)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(duì)電容的初次充、放電過程進(jìn)行分析時(shí),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(shí)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(shí)間變量等于無窮大時(shí),即電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí),再對(duì)相關(guān)參量取平均值,其結(jié)果就基本與(1-4)相等。對(duì)(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(shí)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: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: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(shí),在K接通和關(guān)斷的整個(gè)周期內(nèi),儲(chǔ)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(chǔ)能電感L的電流的上升率(絕對(duì)值)一般是不一樣的。在K接通期間,流過儲(chǔ)能電感L的電流上升率為Ui-Uo/L:;在K關(guān)斷期間,流過儲(chǔ)能電感L的電流上升率為: -Uo/L因此:(1)當(dāng)Ui = 2Uo時(shí),即濾波輸出電壓Uo等于電源輸入電壓Ui的一半時(shí),或控制開關(guān)K的占空比D為二分之一時(shí),流過儲(chǔ)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(duì)值完全相等,即電感存儲(chǔ)能量的速度與釋放能量的速度完全相等。此時(shí),(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(chǔ)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(shí),即:濾波輸出電壓Uo小于電源輸入電壓Ui的一半時(shí),或控制開關(guān)K的占空比小于二分之一時(shí):雖然在K接通期間,流過儲(chǔ)能電感L的電流上升率(絕對(duì)值),大于,在K關(guān)斷期間,流過儲(chǔ)能電感L的電流上升率(絕對(duì)值);但由于(1-5)式中i(0)等于0,以及Ton小于Toff,此時(shí),(1-11)式中的iLX會(huì)出現(xiàn)負(fù)值,即輸出電壓反過來要對(duì)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(chǔ)能電感L的電流提前過0,即有斷流。在這種情況下,流過儲(chǔ)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 IO時(shí),iC0,即,電容被充電,電容被充電時(shí),其兩端電壓是上升的;當(dāng)iL IO時(shí),iC iO陶工,Uc的曲線情況,為什么是在iLiO 是一直增加的,反之減小的,而不是隨iL增加而增加或隨iL減小而減小啊?謝謝!老實(shí)做人,踏實(shí)做事! 要發(fā)表評(píng)論,請先登錄 或 注冊 星期四, 04/16/2009 - 12:26 創(chuàng)新網(wǎng)小編 轉(zhuǎn)達(dá)陶工的回復(fù):串聯(lián)式開關(guān)電源,在開關(guān)管沒有導(dǎo)通的時(shí)候,轉(zhuǎn)達(dá)陶工的回復(fù):串聯(lián)式開關(guān)電源,在開關(guān)管沒有導(dǎo)通的時(shí)候,輸出功率全部都是由儲(chǔ)能器件(儲(chǔ)能電感和儲(chǔ)能電容)提供,此時(shí)輸出電流是由開關(guān)管剛關(guān)斷時(shí)的最大值iLm(開關(guān)管剛關(guān)斷時(shí)電感存儲(chǔ)的能量最大)隨著時(shí)間線性下降,即:儲(chǔ)能電感產(chǎn)生的反電動(dòng)勢對(duì)負(fù)載供電和對(duì)電容充電。當(dāng)iL還大于輸出電流的平均值Io時(shí),電容還是處于被充電階段,所以輸出電壓還是在繼續(xù)上升的;當(dāng)iL開始小于輸出電流的平均值Io時(shí),說明此時(shí)儲(chǔ)能電感存儲(chǔ)的能量已經(jīng)降低到不足以維持負(fù)載需要能量的輸出,此時(shí),電感停止對(duì)電容充電,同時(shí)還需要電容接替其繼續(xù)向負(fù)載提供能量輸出,由于此時(shí)電容處于放電階段,所以輸出電壓是下降的。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)候,如果開關(guān)電源的儲(chǔ)能電感工作于電流臨界連續(xù)狀態(tài)或不連續(xù)狀態(tài)(由占空比和工作頻率決定,圖1-3、1-4),此時(shí),輸入電壓Ui將通過電感L對(duì)負(fù)載供電,流過電感L的電流將從0開始上升(如果不是工作于電流臨界連續(xù)狀態(tài)或不連續(xù)狀態(tài),電流不是從0增加,而是從某個(gè)值開始增加圖1-5),此時(shí)電感處于存儲(chǔ)能量階段,同時(shí)電容也在向負(fù)載供電,由于此時(shí)電容屬于放電階段,所以輸出電壓還是在下降的;當(dāng)流過電感L的電流將從0開始上升到大于輸出電流的平均值Io時(shí),流過電感L的電流才會(huì),一部分用來對(duì)負(fù)載供電,另一部分用來對(duì)電容充電,由于電容處于被充電階段,所以輸出電壓是在上升的,此時(shí)電感繼續(xù)處于存儲(chǔ)能量階段??鞓返毓ぷ?!開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)(連載三)串聯(lián)式開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感的計(jì)算/blog/100019757星期四, 04/16/2009 - 09:14 陶顯芳1-2-3串聯(lián)式開關(guān)電源儲(chǔ)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(chǔ)能電感L的大小有關(guān),因?yàn)閮?chǔ)能電感L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(chǔ)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(shí),濾波輸出電壓Uo正好是濾波輸入電壓uo的平均值Ua,此時(shí),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:iLm =(Ui-Uo)/L *Ton + i(0) K關(guān)斷前瞬間 (1-6)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(shí),即D = 0.5時(shí),i(0) = 0,iLm = 2 Io,因此,(1-6)式可以改寫為:2Io = Uo/2L *T K關(guān)斷前瞬間 (1-12)式中Io為流過負(fù)載的電流(平均電流),當(dāng)D = 0.5時(shí),其大小正好等于流過儲(chǔ)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:L = Uo/4Io *T D = 0.5時(shí) (1-13)或:L Uo/4Io *T =Ui/2Io*T D = 0.5時(shí) (1-14)(1-13)和(1-14)式,就是計(jì)算串聯(lián)式開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感L的公式(D = 0.5時(shí))。(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(chǔ)能濾波電感L的中間值,或平均值,對(duì)于極端情況可以在平均值的計(jì)算結(jié)果上再乘以一個(gè)大于1的系數(shù)。如果增大儲(chǔ)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(huì)使流過儲(chǔ)能濾波電感L的電流iL不連續(xù)的時(shí)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UP-P進(jìn)一步會(huì)減小,輸出電壓更穩(wěn)定。如果儲(chǔ)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(huì)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UP-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(shí)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(shí),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UP-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。窗體頂端 窗體底端評(píng)論星期二, 08/04/2009 - 21:43 lvyuanpu 陶工,您好。我最近剛剛開始學(xué)習(xí)電源方面的知識(shí),由于以前很陶工,您好。我最近剛剛開始學(xué)習(xí)電源方面的知識(shí),由于以前很多電子知識(shí)掌握的不是太扎實(shí),現(xiàn)在學(xué)習(xí)起來感到有些吃力。不過在網(wǎng)上看到您寫的文章后,感到非常的好,深入淺出,很多地方很容易理解,非常的感謝您。今天我看到這一篇文章的時(shí)候,看到您寫到“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(chǔ)能電感L的大小有關(guān)”。我自己買了些材料,上面均提到過降壓型的回來的輸出只與D有關(guān),與電感電容都沒有關(guān)系,所以感到疑惑??吹较旅娴慕忉?,也不是太懂,為什么其他的作者會(huì)說道只與D有關(guān),而您提到與L有關(guān)呢?是其他作者疏忽了,還是您的這個(gè)理論是最新的發(fā)現(xiàn)呢? 要發(fā)表評(píng)論,請先登錄 或 注冊 星期三, 08/05/2009 - 10:49 陶顯芳 我不知你買了一些什么樣的參考資料,不過我相信,目前很少有一我不知你買了一些什么樣的參考資料,不過我相信,目前很少有一本其它書的內(nèi)容比我文章中相關(guān)的內(nèi)容,對(duì)開關(guān)電源的工作原理及電路參數(shù)計(jì)算進(jìn)行論述更詳細(xì)的。我不知道其它書所說的,串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓只與占空比D有關(guān)而與串聯(lián)電感無關(guān)的前提是什么。如果你想證明它的論證正確,你只需要在圖1-2中對(duì)電感選值的兩種極端情況產(chǎn)生的結(jié)果,即:電感等于零時(shí)和電感等于無限大時(shí)所產(chǎn)生的結(jié)果,分別進(jìn)行分析比較就可以知道了。顯然這兩種情況產(chǎn)生的結(jié)果都不可能完全一樣,這就說明,串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓不但與占空比D有關(guān),而且與串聯(lián)電感的大小有關(guān)。我認(rèn)為你看書的時(shí)候,最好一邊看別人分析,一邊自己也要用心或用筆進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果是驗(yàn)證分析結(jié)果最可靠的方法,如果只有分析,沒有計(jì)算,那么,你最好先不要對(duì)分析結(jié)果完全相信,最好先相信50%,留50%作為自己還沒有完成的作業(yè),繼續(xù)去完成,那是最佳方法。即,對(duì)誰都不要迷信,只有經(jīng)過獨(dú)立思考得出的結(jié)果,才是自己的。開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)(連載四)串聯(lián)式開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容的計(jì)算/blog/1000197821-2-4串聯(lián)式開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容的計(jì)算我們同樣從流過儲(chǔ)能電感的電流為臨界連續(xù)電流狀態(tài)著手,對(duì)儲(chǔ)能濾波電容C的充、放電過程進(jìn)行分析,然后再對(duì)儲(chǔ)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(shí),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(chǔ)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(chǔ)能濾波電容C的充、放電曲線圖;圖1-6-c)是流過儲(chǔ)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(shí),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(chǔ)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的作用下,流過儲(chǔ)能濾波電感L的電流開始增大。當(dāng)作用時(shí)間t大于二分之一Ton的時(shí)候,流過儲(chǔ)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(chǔ)能濾波電感L的電流iL有一部分開始對(duì)儲(chǔ)能濾波電容C進(jìn)行充電,儲(chǔ)能濾波電容C的兩端電壓開始上升。當(dāng)作用時(shí)間t等于Ton的時(shí)候,流過儲(chǔ)能濾波電感L的電流iL為最大,但儲(chǔ)能濾波電容C的兩端電壓并沒有達(dá)到最大值,此時(shí),儲(chǔ)能濾波電容C的兩端電壓還在繼續(xù)上升,因?yàn)?,流過儲(chǔ)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(shí)間t等于二分之一Toff的時(shí)候,流過儲(chǔ)能濾波電感L的電流iL正好等于負(fù)載電流Io,儲(chǔ)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(chǔ)能濾波電容進(jìn)行充電時(shí),電容兩端的電壓是按正弦曲線的速率變化,而儲(chǔ)能濾波電容進(jìn)行放電時(shí),電容兩端的電壓是按指數(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。圖1-6中,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?chǔ)能濾波電感L和儲(chǔ)能濾波電容構(gòu)成的時(shí)間常數(shù)相對(duì)于控制開關(guān)的接通或關(guān)斷時(shí)間來說非常大(正弦曲線的周期:(1-17)和(1-18)式,就是計(jì)算串聯(lián)式開關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容的公式(D = 0.5時(shí))。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,UP-P為輸出電壓的波紋。電壓波紋UP-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(shí)的電壓增量,即:UP-P = 2Uc 。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(shí)的電壓增量分成兩部分,即:2Uc。同理,(1-17)和(1-18)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(chǔ)能濾波電容C的中間值,或平均值,對(duì)于極端情況可以在平均值的計(jì)算結(jié)果上再乘以一個(gè)大于1的系數(shù)。當(dāng)儲(chǔ)能濾波電容的值小于(1-17)式的值時(shí),串聯(lián)式開關(guān)電源濾波輸出電壓Uo的電壓紋波UP-P會(huì)增大,并且當(dāng)開關(guān)K工作的占空比D小于0.5時(shí),由于流過儲(chǔ)能濾波電感L的電流iL出現(xiàn)不連續(xù),電容器放電的時(shí)間大于電容器充電的時(shí)間,因此,開關(guān)電源濾波輸出電壓Uo的電壓紋波UP-P將顯著增大。因此,最好按(1-17)式計(jì)算結(jié)果的2倍以上來選取儲(chǔ)能濾波電容的參數(shù)。開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)(連載五)反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源星期日, 04/19/2009 - 01:04 陶顯芳1-3反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源1-3-1反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源的工作原理圖1-7是另一種串聯(lián)式開關(guān)電源,一般稱為反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源。這種反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源與一般串聯(lián)式開關(guān)電源的區(qū)別是,這種反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出的電壓是負(fù)電壓,正好與一般串聯(lián)式開關(guān)電源輸出的正電壓極性相反;并且由于儲(chǔ)能電感L只在開關(guān)K關(guān)斷時(shí)才向負(fù)載輸出電流,因此,在相同條件下,反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出的電流比串聯(lián)式開關(guān)電源輸出的電流小一倍。在一般電路中大部分都是使用單極性電源,但在一些特殊場合,有時(shí)需要兩組電源,其中一組為負(fù)電源。因此,選用圖1-7所示的反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源作為負(fù)電源是很方便的。圖1-7中,Ui為輸入電源,K為控制開關(guān),L為儲(chǔ)能電感,D為整流二極管,C為儲(chǔ)能濾波電容,R為負(fù)載電阻。當(dāng)控制開關(guān)K接通的時(shí)候,輸入電源Ui開始對(duì)儲(chǔ)能電感L加電,流過儲(chǔ)能電感L的電流開始增加,同時(shí)電流在儲(chǔ)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(shí)候,儲(chǔ)能電感會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢,使電流繼續(xù)流動(dòng),并通過整流二極管D進(jìn)行整流,再經(jīng)電容儲(chǔ)能濾波,然后向負(fù)載R提供電流輸出??刂崎_關(guān)K不斷地反復(fù)接通和關(guān)斷過程,在負(fù)載R上就可以得到一個(gè)負(fù)極性的電壓輸出。圖1-8、圖1-9、圖1-10分別是控制開關(guān)K的占空比D等于0.5、 0.5時(shí),圖1-7電路中幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的電壓和電流波形。圖1-8-a)、圖1-9-a)、圖1-10-a)分別為控制開關(guān)K輸出電壓uo的波形;圖1-8-b)、圖1-9-b)、圖1-10-b)分別為儲(chǔ)能濾波電容兩端電壓uc的波形;圖1-8-c)、圖1-9-c)、圖1-10-c)分別為流過儲(chǔ)能電感L電流iL的波形。應(yīng)該特別注意的是,圖1-8-c)、圖1-9-c)、圖1-10-c)中的電流波形按原理應(yīng)該取負(fù)值,但取負(fù)值后與前面圖1-5與圖1-6對(duì)比反而覺得不好對(duì)比和分析,因此,當(dāng)進(jìn)行具體計(jì)算時(shí),一定要注意電流和電壓的方向。在開關(guān)接通Ton期間,控制開關(guān)K接通,電源Ui開始對(duì)儲(chǔ)能電感L供電,在此期間儲(chǔ)能電感L兩端的電壓eL為:eL = Ldi/dt = Ui K接通期間 (1-19)對(duì)(1-19)式進(jìn)行積分得:式中iL為流過儲(chǔ)能電感L電流的瞬時(shí)值,t為時(shí)間變量;i(0)為的初始電流,即:控制開關(guān)K接通瞬間之前,流過儲(chǔ)能電感L中的電流。當(dāng)開關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)時(shí),i(0) = 0 ,由此可以求得流過儲(chǔ)能電感L的最大電流為:iLm =Ui/L *Ton K關(guān)斷前瞬間 (1-21)在開關(guān)關(guān)斷Toff期間,控制開關(guān)K關(guān)斷,儲(chǔ)能電感L把電流iLm轉(zhuǎn)化成反電動(dòng)勢,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(chǔ)能電感L兩端的電壓eL為:eL = Ldi/dt = Uo K關(guān)斷期間 (1-22)式中Uo前的負(fù)號(hào),表示K關(guān)斷期間電感產(chǎn)生電動(dòng)勢的方向與K接通期間電感產(chǎn)生電動(dòng)勢的方向正好相反。對(duì)(1-22)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(1-23)式中的i(Ton+)就是(1-21)式中的iLm,即:i(Ton+) = iLm K關(guān)斷前瞬間 (1-24)因此,(1-9)式可以改寫為:iL =( Uo/L) *t + iLm K關(guān)斷期間 (1-25)當(dāng)t = Toff時(shí)iL達(dá)到最小值。其最小值為:iLX = (Uo/L)*Toff + iLm K接通前瞬間 (1-26)反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出電壓一般為負(fù)脈沖的幅值。當(dāng)開關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)時(shí),流過儲(chǔ)能電感的初始電流i(0)等于0(參看圖1-8-a),即:(1-26)式中流過儲(chǔ)能電感電流的最小值iLX等于0。因此,由(1-21)和(1-26)式,可求得反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出電壓Uo為:由(1-27)式可以看出,反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出電壓與輸入電壓與開關(guān)接通的時(shí)間成正比,與開關(guān)關(guān)斷的時(shí)間成反比。另外,從圖1-8可以看出,由于反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源,僅當(dāng)控制開關(guān)K關(guān)斷期間才產(chǎn)生反電動(dòng)勢向負(fù)載提供能量。因此,當(dāng)占空比為0.5時(shí),輸出電流的平均值Io為流過儲(chǔ)能電感電流最大值的四分之一;當(dāng)占空比小于0.5時(shí),輸出電流的平均值Io小于流過儲(chǔ)能電感電流最大值的四分之一(圖1-9);當(dāng)占空比大于0.5時(shí),輸出電流的平均值Io大于流過儲(chǔ)能電感電流最大值的四分之一(圖1-10)。開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)(連載六)反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電
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