開關(guān)電源原理與設(shè)計.doc

開關(guān)電源拓撲結(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，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)，當開關(guān)管T導通時，輸入端電源通過開關(guān)管T及電感器L對負載供電，并同時對電感器L充電，當開關(guān)管T關(guān)斷時，電感器L中的反向電動勢使續(xù)流二極管D自動導通，電感器L中儲存的能量通過續(xù)流二極管D形成的回路，對負載R繼續(xù)供電，從而保證了負載端獲得連續(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拓撲型開關(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直接加到負載R上，對負載R進行電壓沖擊，同時對流過電感的電流iL轉(zhuǎn)化成磁能進行能量存儲，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的負極流出，最后回到反電動勢eL的負極。對于圖1-2，如果不看控制開關(guān)T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。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)，當開關(guān)管T導通時，輸入端電源通過開關(guān)管T對電感器L充電，同時續(xù)流二極管D關(guān)斷，負載R靠電容器存儲的電能供電；當開關(guān)管T關(guān)斷時，續(xù)流二極管D導通，輸入端電源電壓與電感器L中的自感電動勢正向疊加后，通過續(xù)流二極管D對負載R供電，并同時對電容器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)的負載電流，并聯(lián)結(jié)構(gòu)比串聯(lián)結(jié)果對輸出濾波電容C的容量有更高的要求。例如boots拓撲型的開關(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拓撲輸出電壓Uo：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，相對于輸入端而言，電感器L與負載成并聯(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，當開關(guān)管T導通時，輸入端電源通過開關(guān)管T對電感器L充電，同時續(xù)流二極管D關(guān)斷，負載RL 靠電容器存儲的電能供電；當開關(guān)管T關(guān)斷時，續(xù)流二極管D導通，電感器L中的自感電動勢通過續(xù)流二極管D對負載RL供電，并同時對電容器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)接通的時間成正比，與開關(guān)關(guān)斷的時間成反比。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)動脈沖變壓器；正激式：就是只有在開關(guān)管導通的時候，能量才通過變壓器或電感向負載釋放，當開關(guān)關(guān)閉的時候，就停止向負載釋放能量。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拓撲結(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)管導通的時候存儲能量，只有在開關(guān)管關(guān)斷的時候釋放才向負載釋放能量。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)管導通，驅(qū)動脈沖變壓器原邊時，變壓器付邊同時對負載供電。所謂正激式變壓器開關(guān)電源，是指當變壓器的初級線圈正在被直流電壓激勵時，變壓器的次級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，推免式有兩個控制開關(guān)，正激式改成一個開關(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是儲能濾波電感，C是儲能濾波電容，D2是續(xù)流二極管，D3是削反峰二極管，RL是負載電阻。在上圖中，需要特別注意的是開關(guān)變壓器初、次級線圈的同名端。如果把開關(guān)變壓器初線圈或次級線圈的同名端弄反，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)，當開關(guān)管關(guān)斷時，脈沖變壓器處于“空載”狀態(tài)，其中儲存的磁能將被積累到下一個周期，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。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，確保當開關(guān)管導通，驅(qū)動脈沖變壓器原邊時，變壓器付邊不對負載供電，即原/付邊交錯通斷。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變壓器初級線圈輸入電壓，D為控制開關(guān)的占空比，n為變壓器次級線圈與初級線圈的匝數(shù)比。2.3. 推挽 Push pull （變壓器中心抽頭）式這種電路結(jié)構(gòu)的特點是：對稱性結(jié)構(gòu)，脈沖變壓器原邊是兩個對稱線圈，兩只開關(guān)管接成對稱關(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：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)動電路簡單。主要缺點：變壓器繞組利用率低、對開關(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)的特點是：由四只相同的開關(guān)管接成電橋結(jié)構(gòu)驅(qū)動脈沖變壓器原邊。 圖中T1、T4為一對，由同一組信號驅(qū)動，同時導通/關(guān)端；T2、T3為另一對，由另一組信號驅(qū)動，同時導通/關(guān)端。兩對開關(guān)管輪流通/斷，在變壓器原邊線圈中形成正/負交變的脈沖電流。主要優(yōu)點：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：使用的開關(guān)管數(shù)量多，且要求參數(shù)一致性好，驅(qū)動電路復雜，實現(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：具有一定的抗不平衡能力，對電路對稱性要求不很嚴格；適應的功率范圍較大，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)動電路中。 DCDC電源變換器的拓撲類型/elec/8416.html0 引言 本文的第一部分為“DCDC電源變換器拓撲的分類”，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及PWM控制器的典型產(chǎn)品，另外還按照目標對電路結(jié)構(gòu)、波形參數(shù)和汁算公式中的物理量作了統(tǒng)一。本文的特點足以表格形式歸納了常見DCDC電源變換器的拓撲結(jié)構(gòu)這對電源專業(yè)的廣大技術(shù)人員是一份不可多得的技術(shù)資料。1 DCDC電源變換器拓撲結(jié)構(gòu)的分類 DCDC電源變換器的拓撲類型主要有以下13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電源變換器的拓撲類型 常見DC/DC電源變換器的拓撲類型見表1表3所列。表中給出不同的電路結(jié)構(gòu)，同時也給出相應的電壓及電流波形(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為負載電流。T為周期，t為UO呈高電平(或低電平)的時問及開關(guān)導通時間，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（連載一）開關(guān)電源的基本工作原理因為近日很多人在向我咨詢有關(guān)開關(guān)電源設(shè)計知識，這里將我撰寫的開關(guān)電源原理與設(shè)計一書在電子創(chuàng)新網(wǎng)上首發(fā)，希望給設(shè)計開關(guān)電源的工程師朋友一點幫助，我會以連載的形式發(fā)布此書，歡迎提出改進建議！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)器件對輸入電壓進行脈沖調(diào)制，從而實現(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)電源工作原理進行簡單介紹，其它種類的開關(guān)電源也將逐步進行詳細分析。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是負載。當控制開關(guān)K接通的時候，開關(guān)電源就向負載R輸出一個脈沖寬度為Ton，幅度為Ui的脈沖電壓Up；當控制開關(guān)K關(guān)斷的時候，又相當于開關(guān)電源向負載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：開關(guān)電源原理與設(shè)計（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 陶顯芳因為近日很多人在向我咨詢有關(guān)開關(guān)電源設(shè)計知識，這里將我撰寫的開關(guān)電源原理與設(shè)計一書在電子創(chuàng)新網(wǎng)上首發(fā)，希望給設(shè)計開關(guān)電源的工程師朋友一點幫助，我會以連載的形式發(fā)布此書，歡迎提出改進建議！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)器件對輸入電壓進行脈沖調(diào)制，從而實現(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)電源工作原理進行簡單介紹，其它種類的開關(guān)電源也將逐步進行詳細分析。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是負載。當控制開關(guān)K接通的時候，開關(guān)電源就向負載R輸出一個脈沖寬度為Ton，幅度為Ui的脈沖電壓Up；當控制開關(guān)K關(guān)斷的時候，又相當于開關(guān)電源向負載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：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。開關(guān)電源原理與設(shè)計（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（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直接加到負載R上，對負載R進行電壓沖擊，同時對流過電感的電流iL轉(zhuǎn)化成磁能進行能量存儲，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的負極流出，最后回到反電動勢eL的負極。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時，圖1-2電路中幾個關(guān)鍵點的電壓和電流波形。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：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相對于輸出電壓Uo來說非常小，為了簡單，我們這里把Uo當成常量來處理。在某種情況下，如需要對電容的初次充、放電過程進行分析時，必須需要建立微分方程，并求解。因為輸出電壓Uo的建立需要一定的時間，精確計算得出的結(jié)果中一般都含有指數(shù)函數(shù)項，當令時間變量等于無窮大時，即電路進入穩(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。實際上（1-8）式中的i（Ton+）就是（1-6）式中的iLm，即：上面計算都是假設(shè)輸出電壓Uo基本不變的情況得到的結(jié)果，在實際應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，工程計算中完全可以忽略不計。從（1-4）式到（1-11）和圖1-3、圖1-4、圖1-5中可以看出：當開關(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Ui-Uo/L：；在K關(guān)斷期間，流過儲能電感L的電流上升率為： -Uo/L因此：（1）當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Ui IO時，iC0，即，電容被充電，電容被充電時，其兩端電壓是上升的；當iL IO時，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??？謝謝！老實做人，踏實做事! 要發(fā)表評論，請先登錄 或 注冊 星期四, 04/16/2009 - 12:26 創(chuàng)新網(wǎng)小編 轉(zhuǎn)達陶工的回復：串聯(lián)式開關(guān)電源，在開關(guān)管沒有導通的時候，轉(zhuǎn)達陶工的回復：串聯(lián)式開關(guān)電源，在開關(guān)管沒有導通的時候，輸出功率全部都是由儲能器件（儲能電感和儲能電容）提供，此時輸出電流是由開關(guān)管剛關(guān)斷時的最大值iLm（開關(guān)管剛關(guān)斷時電感存儲的能量最大）隨著時間線性下降，即：儲能電感產(chǎn)生的反電動勢對負載供電和對電容充電。當iL還大于輸出電流的平均值Io時，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iL開始小于輸出電流的平均值Io時，說明此時儲能電感存儲的能量已經(jīng)降低到不足以維持負載需要能量的輸出，此時，電感停止對電容充電，同時還需要電容接替其繼續(xù)向負載提供能量輸出，由于此時電容處于放電階段，所以輸出電壓是下降的。當開關(guān)管導通的時候，如果開關(guān)電源的儲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，輸入電壓Ui將通過電感L對負載供電，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，而是從某個值開始增加圖1-5），此時電感處于存儲能量階段，同時電容也在向負載供電，由于此時電容屬于放電階段，所以輸出電壓還是在下降的；當流過電感L的電流將從0開始上升到大于輸出電流的平均值Io時，流過電感L的電流才會，一部分用來對負載供電，另一部分用來對電容充電，由于電容處于被充電階段，所以輸出電壓是在上升的，此時電感繼續(xù)處于存儲能量階段?？鞓返毓ぷ?！開關(guān)電源原理與設(shè)計（連載三）串聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電感的計算/blog/100019757星期四, 04/16/2009 - 09:14 陶顯芳1-2-3串聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電感的計算從上面分析可知，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)，因為儲能電感L決定電流的上升率（di/dt），即輸出電流的大小。因此，正確選擇儲能電感的參數(shù)相當重要。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：2Io = Uo/2L *T K關(guān)斷前瞬間 （1-12）式中Io為流過負載的電流（平均電流），當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：L = Uo/4Io *T D = 0.5時 （1-13）或：L Uo/4Io *T =Ui/2Io*T D = 0.5時 （1-14）（1-13）和（1-14）式，就是計算串聯(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）式的計算結(jié)果，只給出了計算串聯(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UP-P進一步會減小，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 窗體底端評論星期二, 08/04/2009 - 21:43 lvyuanpu 陶工，您好。我最近剛剛開始學習電源方面的知識，由于以前很陶工，您好。我最近剛剛開始學習電源方面的知識，由于以前很多電子知識掌握的不是太扎實，現(xiàn)在學習起來感到有些吃力。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。看到下面的解釋，也不是太懂，為什么其他的作者會說道只與D有關(guān)，而您提到與L有關(guān)呢？是其他作者疏忽了，還是您的這個理論是最新的發(fā)現(xiàn)呢？ 要發(fā)表評論，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，對開關(guān)電源的工作原理及電路參數(shù)計算進行論述更詳細的。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：電感等于零時和電感等于無限大時所產(chǎn)生的結(jié)果，分別進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)。我認為你看書的時候，最好一邊看別人分析，一邊自己也要用心或用筆進行計算。計算結(jié)果是驗證分析結(jié)果最可靠的方法，如果只有分析，沒有計算，那么，你最好先不要對分析結(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，對誰都不要迷信，只有經(jīng)過獨立思考得出的結(jié)果，才是自己的。開關(guān)電源原理與設(shè)計（連載四）串聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電容的計算/blog/1000197821-2-4串聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電容的計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、放電過程進行分析，然后再對儲能濾波電容C的數(shù)值進行計算。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的作用下，流過儲能濾波電感L的電流開始增大。當作用時間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進行充電，儲能濾波電容C的兩端電壓開始上升。當作用時間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，因為，流過儲能濾波電感L的電流iL還大于流過負載的電流Io ；當作用時間t等于二分之一Toff的時候，流過儲能濾波電感L的電流iL正好等于負載電流Io，儲能濾波電容C的兩端電壓達到最大值，電容停止充電，并開始從充電轉(zhuǎn)為放電?？梢宰C明，儲能濾波電容進行充電時，電容兩端的電壓是按正弦曲線的速率變化，而儲能濾波電容進行放電時，電容兩端的電壓是按指數(shù)曲線的速率變化，這一點后面還要詳細說明，請參考后面圖1-23、圖1-24、圖1-25的詳細分析。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，實際上它們的變化曲率并沒有那么大。因為儲能濾波電感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：（1-17）和（1-18）式，就是計算串聯(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的電壓增量，即：UP-P = 2Uc 。順便說明，由于人們習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兩部分，所以這里遵照習慣也把電容器充電或放電時的電壓增量分成兩部分，即：2Uc。同理，（1-17）和（1-18）式的計算結(jié)果，只給出了計算串聯(lián)式開關(guān)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(jié)果上再乘以一個大于1的系數(shù)。當儲能濾波電容的值小于（1-17）式的值時，串聯(lián)式開關(guān)電源濾波輸出電壓Uo的電壓紋波UP-P會增大，并且當開關(guān)K工作的占空比D小于0.5時，由于流過儲能濾波電感L的電流iL出現(xiàn)不連續(xù)，電容器放電的時間大于電容器充電的時間，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）式計算結(jié)果的2倍以上來選取儲能濾波電容的參數(shù)。開關(guān)電源原理與設(shè)計（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；并且由于儲能電感L只在開關(guān)K關(guān)斷時才向負載輸出電流，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，有時需要兩組電源，其中一組為負電源。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為儲能電感，D為整流二極管，C為儲能濾波電容，R為負載電阻。當控制開關(guān)K接通的時候，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，使電流繼續(xù)流動，并通過整流二極管D進行整流，再經(jīng)電容儲能濾波，然后向負載R提供電流輸出?？刂崎_關(guān)K不斷地反復接通和關(guān)斷過程，在負載R上就可以得到一個負極性的電壓輸出。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，圖1-7電路中幾個關(guān)鍵點的電壓和電流波形。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）分別為流過儲能電感L電流iL的波形。應該特別注意的是，圖1-8-c）、圖1-9-c）、圖1-10-c）中的電流波形按原理應該取負值，但取負值后與前面圖1-5與圖1-6對比反而覺得不好對比和分析，因此，當進行具體計算時，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開始對儲能電感L供電，在此期間儲能電感L兩端的電壓eL為：eL = Ldi/dt = Ui K接通期間 （1-19）對（1-19）式進行積分得：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(guān)K接通瞬間之前，流過儲能電感L中的電流。當開關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)時，i(0) = 0 ，由此可以求得流過儲能電感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，儲能電感L把電流iLm轉(zhuǎn)化成反電動勢，通過整流二極管D繼續(xù)向負載R提供能量，在此期間儲能電感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（1-22）式進行積分得：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t = Toff時iL達到最小值。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脈沖的幅值。當開關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)時，流過儲能電感的初始電流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)接通的時間成正比，與開關(guān)關(guān)斷的時間成反比。另外，從圖1-8可以看出，由于反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源，僅當控制開關(guān)K關(guān)斷期間才產(chǎn)生反電動勢向負載提供能量。因此，當占空比為0.5時，輸出電流的平均值Io為流過儲能電感電流最大值的四分之一；當占空比小于0.5時，輸出電流的平均值Io小于流過儲能電感電流最大值的四分之一（圖1-9）；當占空比大于0.5時，輸出電流的平均值Io大于流過儲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（連載六）反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電