開關(guān)電源原理與設(shè)計

開關(guān)電源原理與設(shè)計第一章開關(guān)電源的基本工作原理-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) /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逆變電源，或 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 逆變電源，或 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。-串聯(lián)式開關(guān)電源2串聯(lián)式開關(guān)電源的工作原理圖 是串聯(lián)式開關(guān)電源的最簡單工作原理圖，圖中是開關(guān)電源的工作電壓，即：直流輸入電壓；是控制開關(guān)，是負載。當控制開關(guān)接通的時候，開關(guān)電源就向負載輸出一個脈沖寬度為。幅度為的脈沖電壓；當控制開關(guān)關(guān)斷的時候，又相當于開關(guān)電源向負載輸出一個脈沖寬度為f幅度為的脈沖電壓。這樣，控制開關(guān)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。圖 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)輸出電壓是一個脈沖調(diào)制方波，脈沖幅度等于輸入電壓，脈沖寬度等于控制開關(guān)的接通時間，由此可求得串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓的平均值為：串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓的幅值等于輸入電壓，其輸出電壓的平均值總是小于輸入電壓i因此，串聯(lián)式開關(guān)電源一般都是以平均值為變量輸出電壓。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。2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 是帶有整流濾波功能的串聯(lián)式開關(guān)電源工作原理圖。圖是在圖 電路的基礎(chǔ)上，增加了一個整流二極管和一個濾波電路。其中是儲能濾波電感，它的作用是在控制開關(guān)接通期間 限制大電流通過，防止輸入電壓直接加到負載上，對負載進行電壓沖擊，同時對流過電感的電流轉(zhuǎn)化成磁能進行能量存儲，然后在控制開關(guān)關(guān)斷期間把磁能轉(zhuǎn)化成電流繼續(xù)向負載提供能量輸出；是儲能濾波電容，它的作用是在控制開關(guān)接通期間把流過儲能電感的部分電流轉(zhuǎn)化成電荷進行存儲，然后在控制開關(guān)關(guān)斷期間 把電荷轉(zhuǎn)化成電流繼續(xù)向負載提供能量輸出；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 f給儲能濾波電感釋放能量提供電流通路。在控制開關(guān)關(guān)斷期間 ，儲能電感將產(chǎn)生反電動勢，流過儲能電感的電流由反電動勢的正極流出，通過負載R再經(jīng)過續(xù)流二極管的正極，然后從續(xù)流二極管的負極流出，最后回到反電動勢的負極。對于圖,如果4看控制開關(guān)和輸入電壓i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、圖、圖 分別是控制開關(guān)的占空比等于、 、時，圖 電路中幾個關(guān)鍵點的電壓和電流波形。圖）、圖）、圖）分別為控制開關(guān)輸出電壓的波形；圖

）、圖）、圖 ）分別為儲能濾波電容兩端電壓的波形；圖）、圖）、圖）分別為流過儲能電感電流的波形。在期間，控制開關(guān)接通，輸入電壓通過控制開關(guān)輸出電壓，然后加到儲能濾波電感和儲能濾波電容組成的濾波電路上，在此期間儲能濾波電感兩端的電壓為：- ——接通期間（）式中：輸入電壓，為直流輸出電壓，即：電容兩端的電壓的平均值。在此順便說明：由于電容兩端的電壓變化量△相對于輸出電壓來說非常小，為了簡單，我們這里把當成常量來處理。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（）相等。式中（）為控制開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間（過電感的初始電流。對（）式進行積分得：式中（）為控制開關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間（過電感的初始電流。時刻），即：控制開關(guān)剛接通瞬間流過電感的電流，或稱流當控制開關(guān)由接通期間 突然轉(zhuǎn)換到關(guān)斷期間 的瞬間，流過電感的電流達到最大值:式中（ ）為控制開關(guān)從轉(zhuǎn)換到的瞬間之前流過電感的電流，（ ）也可以寫為（ ），即：控制開關(guān)關(guān)斷或接通瞬間，之前和之后流過電感的電流相等。實際上（）式中的C）就是（）式中的L即：上面計算都是假設(shè)輸出電壓基本4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4計。從（）式到（ ）1圖、圖、圖 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，在接通和關(guān)斷的整個周期內(nèi)，儲能電感都有電流流出，但在接通期間與關(guān)斷期間，流過儲能電感的電流的上升率（絕對值）一般是4一樣的。在接通期間，流過儲能電感的電流上升率為 U；在關(guān)斷期間，流過儲能電感的電流上升率為：因此：（）當 時，即濾波輸出電壓等于電源輸入電壓的一半時，或控制開關(guān)的占空比為二分之一時，流過儲能電感的電流上升率，在接通期間與關(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，（）式中（）和（）1中均等于0在這種情況下，流過儲能電感的電流為臨界連續(xù)電流，且濾波輸出電壓等于濾波輸入電壓的平均值a參看圖-（）當 時，即：濾波輸出電壓小于電源輸入電壓的一半時，或控制開關(guān)的占空比小TOC\o"1-5"\h\z于二分之一時：雖然在接通期間，流過儲能電感的電流上升率（絕對值），大于，在關(guān)斷期間，流過儲能電感的電流上升率（絕對值）；但由于（）式中（）等于，以及 小于，此時，（ ）式中的 會出現(xiàn)負值，即輸出電壓反過來要對電感充電，但由于整流二極管的存在，這是不可能的，這表示流過儲能電感的電流提前過，即有斷流。在這種情況下，流過儲能電感的電流不是連續(xù)電流，開關(guān)電源工作于電流不連續(xù)狀態(tài)，因此，輸出電壓的紋波比較大，且濾波輸出電壓小于濾波輸入電壓的平均值。參看圖 。（）當 時，即：濾波輸出電壓大于電源輸入電壓的一半時，或控制開關(guān)的占空比大于二分之一時：在接通期間，雖然流過儲能電感的電流上升率（絕對值），小于，在關(guān)斷期間，流過儲能電感的電流上升率（絕對值）。但由于大于，（）式中（）和（）式中 均大于，即：電感存儲能量每次均釋放不完。在這種情況下，流過儲能電感的電流是連續(xù)電流，開關(guān)電源工作于連續(xù)電流狀態(tài)，輸出電壓的紋波比較小，且濾波輸出電壓大于濾波輸入電壓的平均值a參看圖 -2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)電源輸出電壓與控制開關(guān)的占空比有關(guān)，還與儲能電感的大小有關(guān)，因為儲能電感決定電流的上升率（ ），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，濾波輸出電壓正好是濾波輸入電壓的平均值a此時，開關(guān)電源輸出電壓的調(diào)整率為最好，且輸出電壓的紋波也不大。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（）式：——關(guān)斷前瞬間（）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 時， ， ，因此，（）式可以改寫為：TOC\o"1-5"\h\z——關(guān)斷前瞬間（ ）式中為流過負載的電流（平均電流），當時，其大小正好等于流過儲能電感最大電流 的二分之一；為開關(guān)電源的工作周期，正好等于倍。由此求得： 時. ）或： 時（ 1（ 1和（1式，就是計算串聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電感的公式（ 時）。（ ）和（ ）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的系數(shù)。如果增大儲能濾波電感的電感量，濾波輸出電壓將小于濾波輸入電壓的平均值，因此，在保證濾波輸出電壓為一定值的情況下，勢必要增大控制開關(guān)的占空比D以保持輸出電壓的穩(wěn)定；而控制開關(guān)的占空比增大，又將會使流過儲能濾波電感的電流不連續(xù)的時間縮短，或由電流不連續(xù)變成電流連續(xù)，從而使輸出電壓的電壓紋波△進一步會減小，輸出電壓更穩(wěn)定。如果儲能濾波電感的值小于（1式的值，串聯(lián)式開關(guān)電源濾波輸出的電壓將大于濾波輸入電壓的平均值，在保證濾波輸出電壓為一定值的情況下，勢必要減小控制開關(guān)的占空比D以保持輸出電壓的值4變；控制開關(guān)的占空比減小，將會使流過濾波電感的電流出現(xiàn)4連續(xù)，從而使輸出電壓的電壓紋波△ 增大，造成輸出電壓4穩(wěn)定。由此可知，調(diào)整串聯(lián)式開關(guān)電源濾波輸出電壓的大小，實際上就是同時調(diào)整流過濾波電感和控制開關(guān)占空比的大小。由圖可以看出：當控制開關(guān)的占空比小于時，流過濾波電感的電流出現(xiàn)4連續(xù)，輸出電流小于流過濾波電感最大電流的二分之一，濾波輸出電壓的電壓紋波△將顯著增大。因此，串聯(lián)式開關(guān)電源最好不要工作于圖的電流4連續(xù)狀態(tài)，而最好工作于圖和圖表示的臨界連續(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)，輸出電壓等于輸入電壓的二分之一，等于濾波輸入電壓的平均值；且輸出電流也等于流過濾波電感最大電流 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)，輸出電壓大于輸入電壓的二分之一，大于濾波輸入電壓的平均值；且輸出電流也大于流過濾波電感最大電流 的二分之一。2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，對儲能濾波電容的充、放電過程進行分析，然后再對儲能濾波電容的數(shù)值進行計算。圖 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。圖中，為電源的輸入電壓，為控制開關(guān)的輸出電壓，為電源濾波輸出電壓，為流過儲能濾波電感電流，為流過負載的電流。圖）是控制開關(guān)輸出電壓的波形；圖）是儲能濾波電容的充、放電曲線圖；圖）是流過儲能濾波電感電流的波形。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)的占空比等于，流過負載的電流等于流過儲能濾波電感最大電流的二分之一。在 期間，控制開關(guān)接通，輸入電壓通過控制開關(guān)輸出電壓 ，在輸出電壓的作用下，流過儲能濾波電感的電流開始增大。當作用時間大于二分之一 的時候，流過儲能濾波電感的電流開始大于流過負載的電流，所以流過儲能濾波電感的電流有一部分開始對儲能濾波電容進行充電，儲能濾波電容的兩端電壓開始上升。當作用時間等于 的時候，流過儲能濾波電感的電流為最大，但儲能濾波電容的兩端電壓并沒有達到最大值，此時，儲能濾波電容的兩端電壓還在繼續(xù)上升，因為，流過儲能濾波電感的電流還大于流過負載的電流 o當作用時間等于二分之一 的時候，流過儲能濾波電感的電流正好等于負載電流，儲能濾波電容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、圖、圖的詳細分析。圖中，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和（1式，就是計算串聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電容的公式（ 時）。式中：是流過負載的電流，為控制開關(guān)的工作周期，△為輸出電壓的波紋。電壓波紋△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：△ △。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：△c同理，（ 1和（ 1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的系數(shù)。當儲能濾波電容的值小于（1式的值時，串聯(lián)式開關(guān)電源濾波輸出電壓的電壓紋波△會增大，并且當開關(guān)工作的占空比小于時，由于流過儲能濾波電感的電流出現(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)電源濾波輸出電壓的電壓紋波△將顯著增大。因此，最好按（1式計算結(jié)果的倍以上來選取儲能濾波電容的參數(shù)-反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源3反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源的工作原理圖是另一種串聯(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；并且由于儲能電感只在開關(guān)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 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L7電源網(wǎng)wwv/.dianyuan.corn圖中，為輸入電源，為控制開關(guān)，為儲能電感，為整流二極管，為儲能濾波電容，為負載電阻。當控制開關(guān)接通的時候，輸入電源開始對儲能電感加電，流過儲能電感的電流開始增加，同時電流在儲能電感中也要產(chǎn)生磁場；當控制開關(guān)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，并通過整流二極管進行整流，再經(jīng)電容儲能濾波，然后向負載提供電流輸出。控制開關(guān)不斷地反復接通和關(guān)斷過程，在負載上就可以得到一個負極性的電壓輸出。圖1-8

圖I/O電廂網(wǎng)7iwa1.dIjnyuinitom圖、圖、圖分別是控制開關(guān)的占空比等于. 0 時，圖 電路中幾個關(guān)鍵點的電壓和電流波形。圖）、圖）、圖）分別為控制開關(guān)輸出電壓的波形；圖）、圖）、圖）分別為儲能濾波電容兩端電壓 的波形；圖）、圖）、圖0分別為流過儲能電感電流 的波形。應該特別注意的是，圖 ）、圖）、圖）中的電流波形按原理應該取負值，但取負值后與前面圖 與圖 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 期間，控制開關(guān)接通，電源開始對儲能電感供電，在此期間儲能電感兩端的電壓為：接通期間對（1式進行積分得:

Il=［與5=—■■1+1（0） K接通期間 （1-20）：.1口LL電源網(wǎng)wwwdanyuanKom式中為流過儲能電感電流的瞬時值，為時間變量； 為的初始電流，即：控制開關(guān)接通瞬間之前，流過儲能電感中的電流。當開關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)時， ，由此可以求得流過儲能電感的最大電流為：TOC\o"1-5"\h\z——關(guān)斷前瞬間（ 2在開關(guān)關(guān)斷 期間，控制開關(guān)關(guān)斷，儲能電感把電流 轉(zhuǎn)化成反電動勢，通過整流二極管繼續(xù)向負載提供能量，在此期間儲能電感兩端的電壓為：— ——關(guān)斷期間（ ）式中-前的負號，表示關(guān)斷期間電感產(chǎn)生電動勢的方向與接通期間電感產(chǎn)生電動勢的方向正好相產(chǎn)UU1L=-L-^由=-芋『+舊口11+） K關(guān)斷期間 11-2瑜反。對（ ）式進行積分得：式中（ ）為控制開關(guān)從轉(zhuǎn)換到 的瞬間之前流過電感的電流，（ ）也可以寫為），即：控制開關(guān)關(guān)斷或接通瞬間，之前和之后流過電感的電流相等。實際上（ 2式中的）就是（2式中的，即：TOC\o"1-5"\h\z——關(guān)斷前瞬間（ 2因此，（）式可以改寫為：——關(guān)斷期間（ 2當 時達到最小值。其最小值為：——接通前瞬間（ 2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等于（參看圖 ）），即：（2式中流過儲能電感電流的最小值等于。UfxD

1-D因此，由（UfxD

1-D（、1Mivijancon由（2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 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)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 時，輸出電流的平均值為流過儲能電感電流最大值的四分之一；當占空比小于 時，輸出電流的平均值小于流過儲能電感電流最大值的四分之一（圖）9當占空比大于時，輸出電流的平均值 大于流過儲能電感電流最大值的四分之一（圖 ）等3反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源儲能電感的計算反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源儲能電感的計算方法與前面“串聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電感的計算”方法基本相同，計算反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源中儲能電感的數(shù)值，也是從流過儲能電感的電流為臨界連續(xù)電流狀態(tài)進行分析。但須要特別注意，反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源中的儲能電感僅在控制開關(guān)關(guān)斷期間才產(chǎn)生反電動勢向負載提供能量，因此，流過負載的電流比串聯(lián)式開關(guān)電源流過負載的電流小一倍，即：當占空比小于時，反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源中流過負載的電流只有流過儲能電感最大電流 的四分之一。TOC\o"1-5"\h\z根據(jù)（ 2式：——關(guān)斷前瞬間（ 2（ 2式可以改寫為：——關(guān)斷前瞬間（ ）式中為流過負載的電流，當 時，其大小等于最大電流 的四分之一；為開關(guān)電源的工作周期，正好等于倍。由此求得： 時（ ）或： 時（ ）（）9（3式，就是計算反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源中儲能電感的公式。同理，（29（3式的計算結(jié)果，只給出了計算反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源儲能濾波電感的中間值，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的系數(shù)。當儲能電感的值小于（ 2式的值時，流過濾波電感的電流上升率將增大，如果流過濾波電感的電流為連續(xù)電流，輸出電壓將會升高；如果為了維持濾波輸出電壓不變，則必須要把控制開關(guān)占空比減小，但占空比的減小將會使流過儲能電感的電流 出現(xiàn)不連續(xù)，從而使濾波輸出電壓的電壓紋波增大。如果流過濾波電感的電流不是連續(xù)電流，儲能電感的減小，將會使流過儲能電感的電流不連續(xù)的時間變長，電源濾波輸出電壓不但不會升高，反而會使反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源濾波輸出電壓的電壓紋波顯著增大。當儲能濾波電感的值大于（2式的值時，流過儲能電感的電流上升率將減小，輸出電壓將降低，但濾波輸出電壓的電壓紋波顯著減?。蝗绻麨榱司S持電源濾波輸出電壓不變，控制開關(guān)必須要把占空比增大，而占空比的增大又會使流過儲能電感的電流不連續(xù)的時間縮短，或由電流不連續(xù)變成電流連續(xù)，從而使電源濾波輸出電壓的電壓紋波降低。.反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源儲能濾波電容的計算反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源儲能濾波電容參數(shù)的計算，與串聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電容的計算方法基本相同。但要注意，即使是在占空比等于 的情況下，濾波電容器充、放電的時間都不相等，濾波電容器充電的時間小于半個工作周期，而電容器放電的時間則大于半個工作周期，但電容器充、放電的電荷是相等的，即電容器充電時的電流大于放電時的電流。這是整流濾波電路的普遍規(guī)律。圖I書從圖 可以看出，在占空比等于 的情況下，電容器充電的時間為 ,電容充電電流的平均值為或;而電容器放電的時間為 ,電容放電電流的平均值為 。因此有:

TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"3 3 9 .AQ= ~^= D=H5時 （1-31）；上 O lo電源網(wǎng)wv/w.dianyuan.coin式中△為電容器充電的電荷， 流過負載的平均電流，為工作周期。電容充電時，電容兩端的電壓由最小值充到最大值（絕對值），相應的電壓增量為△,由此求得電容器兩端的波紋電壓△ 為：AUp.p=2AUc=呈=-"- ——D=0.5時（1-32）C16C由此求得C= :丁—D=0.5 （1-33]16"‘U或：9C>――― 一一D=65時《1-34）（ ）和（）式，就是計算反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源儲能濾波電容的公式（ 時）。式中：是流過負載電流的平均值，為開關(guān)工作周期，△ 為濾波輸出電壓的波紋，或電壓紋波。一般波紋電壓都是取電壓增量的峰峰值，因此，當 時，波紋電壓等于電容器充電的電壓增量，即：△ Ac同理，（ ）和（ 3式的計算結(jié)果，只給出了計算反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源儲能濾波電容的中間值，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的系數(shù)。當開關(guān)的占空比小于時，由于流過儲能濾波電感的電流會不連續(xù)，電容器放電的時間將遠遠大于電容器充電的時間，因此，開關(guān)電源濾波輸出電壓的紋波將顯著增大。另外，開關(guān)電源的負載一般也不是固定的，當負載電流增大的時候，開關(guān)電源濾波輸出電壓的紋波也將會增大。因此，設(shè)計開關(guān)電源的時候要留有充分的余量，實際應用中最好按（3式計算結(jié)果的倍以上來計算儲能濾波電容的參數(shù)。4并聯(lián)式開關(guān)電源的工作原理圖 是并聯(lián)式開關(guān)電源的最簡單工作原理圖，圖 是并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓的波形。圖中是開關(guān)電源的工作電壓，是儲能電感，是控制開關(guān)，是負載。圖中是開關(guān)電源的輸入電壓，是開關(guān)電源輸出的電壓，是開關(guān)電源輸出的峰值電壓， 是開關(guān)電源輸出的平均電壓。a b圖1-11電源網(wǎng)wwwdianyuancom當控制開關(guān)接通時，輸入電源開始對儲能電感加電，流過儲能電感的電流開始增加，同時電流在儲能電感中也要產(chǎn)生磁場；當控制開關(guān)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。在期間，控制開關(guān)接通，儲能濾波電感兩端的電壓正好與輸入電壓相等，即：——接通期間（ 3對上式進行積分，可求得流過儲能電感的電流為：

gl=gl=L數(shù)由=Ui K接通期間(1-35)時上式進行積分％可求得流過儲能電感L的電流為：il=［亍"=7-1+砌 K接通期間 .{1-36）式中為流過儲能電感電流的瞬時值，為時間變量，（）為流過儲能電感的初始電流，即：開關(guān)接通前瞬間流過儲能電感的電流。一般當占空比小于或等于 時，（）0由此可以求得流過儲能電感的最大電流為：——接通期間（）（ 3式中為控制開關(guān)接通的時間。當圖 中的控制開關(guān)由接通狀態(tài)突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷時，儲能電感會把其存儲的能量（磁能）通過反電動勢進行釋放，儲能電感產(chǎn)生的反電動勢為：di乳=-L--=R^iL-Ui K關(guān)斷期間 （1-38）式中負號表示反電動勢的極性與（3式中的符號相反，即：接通與關(guān)斷時電感的反電動勢的極性正好相反。對（ 3式階微分方程求解得：U.手…、記=U一 K關(guān)斷期閭 ，.（149）A電源網(wǎng)wv/wdianyuanxom式中為常數(shù)，把初始條件代入上式，就很容易求出，由于控制開關(guān)由接通狀態(tài)突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷時，流過儲能電感中的電流 不能突變，因此， 正好等于流過儲能電感的最大電流 ，所以（ 3式可以寫為：IL=二一三?￡加 K關(guān)斷期間KKL圖1-11也并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓山等于:%=RXiL=G-(5?—工 K關(guān)斷期間?】41)JLi由（Ml）式可以看出，當t=U時，即:；K關(guān)斷瞬間，輸出電壓有最大值,Up=^—Ton K關(guān)斷瞬間 《1書）L當?shù)扔诤艽髸r，并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓的值將接近輸入電壓，但這種情況一般不會發(fā)生，因為控制開關(guān)的關(guān)斷時間等不了那么長。從（4式可以看出，當并聯(lián)式開關(guān)電源的負載很大或開路時，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。.并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓濾波電路上面已經(jīng)知道，當并聯(lián)式開關(guān)電源不帶輸出電壓濾波電路時，輸出脈沖電壓的幅度將非常高。但在應用中，大多數(shù)并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓還是經(jīng)過整流濾波后的直流電壓，因此，一般開關(guān)電源的輸出電路都帶有整流濾波電路。

圖 是帶有整流濾波功能的并聯(lián)式開關(guān)電源工作原理圖。圖 中， 是開關(guān)電源的工作電壓，是儲能電感，為電流在儲能電感兩端產(chǎn)生的反電動勢，是控制開關(guān)，是負載。而圖 、圖1圖 分別是并聯(lián)式開關(guān)電源控制開關(guān) 工作于占空比為 、 0 時，圖 電路中各點的電壓、電流波形。圖圖 、圖、圖中是開關(guān)電源的輸入電壓， 是控制開關(guān)兩端的輸出電壓， 是濾波電容兩端的輸出電壓， 是開關(guān)電源輸出的峰值電壓， 是開關(guān)電源輸出電壓（平均值），是開關(guān)電源輸出的平均電壓， 是流過儲能電感的電流， 是流過儲能電感電流的最大值， 是流過負載的電流（平均值）。圖LI2電生原網(wǎng)wvA^/.dianyua當控制開關(guān)接通時，輸入電源 開始對儲能電感加電，流過儲能電感的電流開始增加，同時電流在儲能電感中也要產(chǎn)生反電動勢；當控制開關(guān)由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷的時候，儲能電感也會產(chǎn)生反電動勢L反電動勢的方向與開關(guān)關(guān)斷前的方向相反，但與電流的方向相同，因此，在控制開關(guān)兩端的輸出電壓 等于輸入電壓 與反電動勢 之和。因此，在 期間：——接通期間（ 4ILJ,[o0Ton]TcsfrITon

ILJ,[o0Ton]TcsfrITon11。圖1/4圖1-15對上式進行積分，可求得流過儲能電感的電流為：i.L=J半排=--+l(Q) K接通期間 (144%電源網(wǎng)wv/w.di3nyuan.corn(4式中為流過儲能電感電流的瞬時值，為時間變量； 為的初始電流，即：控制開關(guān)接通瞬間之前，流過儲能電感中的電流。當開關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)時， ，由此可以求得流過儲能電感的最大電流為：——關(guān)斷前瞬間( 4在開關(guān)關(guān)斷 期間，控制開關(guān)關(guān)斷，儲能電感把電流 轉(zhuǎn)化成反電動勢，與輸入電壓 串聯(lián)迭加，通過整流二極管繼續(xù)向負載提供能量，在此期間儲能電感兩端的電壓 為：

TOC\o"1-5"\h\z— ———關(guān)斷期間（ 4式中負號表示反電動勢的極性與（ 4式相反，即：接通與關(guān)斷時電感的反電動勢的極性正好相反。對（ 4式進行積分得：Nu_U _UIl=-I_ --f-niCTon+） K關(guān)斷期間（1書》I T」a電源網(wǎng)）也可以寫為（ ），4）也可以寫為（ ），4式中的（ ）就即：控制開關(guān)關(guān)斷或接通瞬間，之前和之后流過電感的電流相等。實際上（是（4式中的，因此，（）式可以改寫為：IL=-H―-f+iLm K關(guān)斷期間 （MS）-□Li當t=Toff時也達到最小值電其最小值為:（149）等于（參看圖 1,即：（ 44式，可求得反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源1LX=、（149）等于（參看圖 1,即：（ 44式，可求得反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源電源網(wǎng)www.diaiv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式中流過儲能電感電流的最小值 等于。因此，由（ 4和輸出電壓為：Uo=1-DUo=1-D11-50)一般，并聯(lián)式開關(guān)電源的輸出電壓都是取自輸出電壓脈沖電壓的幅值 ，經(jīng)整流濾波以后儲能濾波電容兩端的輸出電壓基本就是，即：——并聯(lián)式開關(guān)電源（ ）這里特別指出：（ ）和（ 5式的結(jié)果，雖然是以開關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)的條件求得，但對于開關(guān)電源工作于連續(xù)電流狀態(tài)或斷流狀態(tài)同樣成立，因為，輸出電壓 只取其峰值電壓，而不是取其平均值。另外，并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓 的平均值與輸入電壓的大小相等，即：——并聯(lián)式開關(guān)電源（ 5由于其輸出電壓的幅值等于輸入電壓與儲能電感產(chǎn)生反電動勢之和，因此，并聯(lián)式開關(guān)電源一般都是取其輸出電壓的幅值作為輸出（電壓幅值的提取方法留待后面詳細討論）。所以，并聯(lián)式開關(guān)電源屬于升壓型開關(guān)電源。雖然并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓的幅度比輸入電壓可以提高，但其輸出電壓的平均值與控制開關(guān)的占空比的大小無關(guān)，即：并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓的平均值永遠等于輸入電壓。.并聯(lián)開關(guān)電源儲能電感的計算與前面計算反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源中儲能電感的數(shù)值方法基本相同，計算并聯(lián)式開關(guān)電源儲能電感也是從流過儲能電感的電流為臨界連續(xù)電流狀態(tài)著手進行分析。并聯(lián)式開關(guān)電源中的儲能電感與反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源中的儲能電感工作原理基本一樣，都是在控制開關(guān)關(guān)斷期間才產(chǎn)生反電動勢向負載提供能量，因此，流過負載的電流只有流過儲能電感電流的四分之一。根據(jù)（ 4式：——關(guān)斷前瞬間（ 44式可以改寫為:

TOC\o"1-5"\h\z——關(guān)斷前瞬間（ 5式中為流過負載的電流，當時，其大小等于最大電流 的四分之一；為開關(guān)電源的工作周期，正好等于倍。由此求得： 時（ 5或： 時（ ）（）和（5式，就是計算并聯(lián)式開關(guān)電源儲能電感的公式。同理，（5和（）式的計算結(jié)果，只給出了計算并聯(lián)開關(guān)電源儲能濾波電感的中間值，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的系數(shù)。對于電感取不同數(shù)值和在不同的占空比狀態(tài)下工作的情況分析，請參考前面關(guān)于“反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源儲能電感的計算”內(nèi)容的論述。4并聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電容的計算并聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電容的計算，可以參考前面串聯(lián)式開關(guān)電源或反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源中儲能濾波電容的計算方法，同時還可以參考圖 中儲能濾波電容的充、放電過程。這里要特別注意的是，并聯(lián)式開關(guān)電源與反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源中的儲能電感一樣，僅在控制開關(guān)關(guān)斷期間才產(chǎn)生反電動勢向負載提供能量，因此，即使是在占空比等于的情況下，儲能濾波電容器充電的時間與放電的時間也不相等，電容器充電的時間小于半個工作周期，而電容器放電的時間則大于半個工作周期，但電容器充、放電的電荷是相等的，即電容器充電時的電流大于放電時的電流。從圖可以看出，并聯(lián)式開關(guān)電源，流過負載的電流比串聯(lián)式開關(guān)電源流過負載的電流小一倍，流過負載的電流只有流過儲能電感最大電流的四分之一。在占空比等于的情況下，電容器充電的時間為,電容充電電流的平均值為，或;而電容器放電的時間為,電容放電電流的平均值為。因此有：3 3 9AQ=3 3 9AQ= 話U—De時(1-56)式中△為電容器充電的電荷， 流過負載的平均電流，為工作周期。電容充電時，電容兩端的電壓由最小值充到最大值（絕對值），相應的電壓增量為△,由此求得電容器兩端的波紋電壓△ 為：AUP.p=2AUc=2=//——D=0.5時(1-57)C31 1u由此求得：9C=-7;—1J——D=0.5時（l-58）「16%」曼9C>——:-以一一D=U時（1-597泉|m|wvfWrQ1qnyLian-com（ ）8（ 5式，就是計算并聯(lián)開關(guān)電源儲能濾波電容的公式（ 時）。式中：是流過負載電流的平均值，為開關(guān)工作周期，△ 為濾波輸出電壓的波紋，或電壓紋波。一般波紋電壓都是取電壓增量的峰峰值，因此，當 時，波紋電壓等于電容器充電的電壓增量，即：△ △c同理，（ 5和（ 5式的計算結(jié)果，只給出了計算并聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電容的中間值，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的系數(shù)。當開關(guān)工作占空比小于時，由于流過儲能濾波電感的電流會不連續(xù)，電容器放電的時間將遠遠大于電容器充電的時間，因此，開關(guān)電源濾波輸出電壓的紋波將顯著增大。另外，開關(guān)電源的負載一般也不是固定的，當負載電流增大的時候，開關(guān)電源濾波輸出電壓的紋波也將會增大。因此，設(shè)計開關(guān)電源的時候要留有充分的余量，實際應用中最好按（5式計算結(jié)果的倍以上來計算儲能濾波電容的參數(shù)。-單激式變壓器開關(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，降低安全風險，同時還可以減輕 干擾，并且還容易進行功率匹配。變壓器開關(guān)電源有單激式變壓器開關(guān)電源和雙激式變壓器開關(guān)電源之分，單激式變壓器開關(guān)電源普遍應用于小功率電子設(shè)備之中，因此，單激式變壓器開關(guān)電源應用非常廣泛。而雙激式變壓器開關(guān)電源一般用于功率較大的電子設(shè)備之中，并且電路一般也要復雜一些。單激式變壓器開關(guān)電源的缺點是變壓器的體積比雙激式變壓器開關(guān)電源的激式變壓器的體積大，因為單激式開關(guān)電源的變壓器的磁芯只工作在磁回路曲線的單端，磁回路曲線變化的面積很小。.單激式變壓器開關(guān)電源的工作原理圖L16圖 是單激式變壓器開關(guān)電源的最簡單工作原理圖。圖中，是開關(guān)電源的輸入電壓，是開關(guān)變壓器，是控制開關(guān)，是負載電阻。當控制開關(guān)接通的時候，直流輸入電壓首先對變壓器的初級線圈繞組供電，電流在變壓器初級線圈繞組的兩端會產(chǎn)生自感電動勢1同時，通過互感的作用，在變壓器次級線圈繞組的兩端也會產(chǎn)生感應電動勢2當控制開關(guān)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繞組中存儲的能量（磁能）也會產(chǎn)生反電動勢1同時，通過互感的作用，在變壓器次級線圈繞組中也會產(chǎn)生感應