开关电源原理与设计

开关电源拓扑结构概述 降压 升压 反激 正激 主回路 开关电源中 功率电流流经的通路 主回路一般包含了开关电源中的开关器件 储能 器件 脉冲变压器 滤波器 输出整流器 等所有功率器件 以及供电输入端和负载端 开关电源 直流变换器 的类型很多 在研究开发或者维修电源系统时 全面了解开关电源主 回路的各种基本类型 以及工作原理 具有极其重要的意义 开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型 1 1 非隔离式电路的类型 非隔离式电路的类型 非隔离 输入端与输出端电气相通 没有隔离 1 1 串联式结构 串联 在主回路中开关器件 下图中所示的开关三极管 T 与输入端 输出端 电感器 L 负 载 RL 四者成串联连接的关系 开关管 T 交替工作于通 断两种状态 当开关管 T 导通时 输入端电源通过开关管 T 及电感器 L 对负载供电 并同时对电感器 L 充电 当开关管 T 关断时 电感器 L 中的反向电动势使续流二极管 D 自动导通 电感器 L 中储存的能量通过续流二极管 D 形成的回路 对负载 R 继续供电 从而保证 了负载端获得连续的电流 串联式结构 只能获得低于输入电压的输出电压 因此为降压式变换 例如 buck 拓扑型开关电 源就是属于串联式的开关电源 上图是在图 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 T 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 T 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 串联式开关电源输出电压 uo 的平均值 Ua 为 1 2 并联式结构 并联 在主回路中 相对于输入端而言 开关器件 下图中所示的开关三极管 T 与输出端 负载成并联连接的关系 开关管 T 交替工作于通 断两种状态 当开关管 T 导通时 输入端电源通过开关管 T 对电感器 L 充电 同时续流二极管 D 关断 负载 R 靠电容器存储的电能供电 当开关管 T 关断时 续流二极管 D 导通 输入端电源电压与电感器 L 中的自感电动势正向叠加后 通过续流二极管 D 对负载 R 供电 并同时对电容器 C 充电 由此可见 并联式结构中 可以获得高于输入电压的输出电压 因此为升压式变换 并且为了 获得连续的负载电流 并联结构比串联结果对输出滤波电容 C 的容量有更高的要求 例如 boots 拓 扑型的开关电源就是属于并联型式的开关电源 并联开关电源输出电压 Uo 为 boots 拓扑输出电压 Uo Uo Ui 1 D 1 D Ui 1 1 D D 为占空比 1 3 极性反转型变换器结构 inverting 极性反转 输出电压与输入电压的极性相反 电路的基本结构特征是 在主回路中 相对于 输入端而言 电感器 L 与负载成并联 也是串联式开关电源的一种 一般又称为反转式串联开关电 源 开关管 T 交替工作于通 断两种状态 工作过程与并联式结构相似 当开关管 T 导通时 输入端 电源通过开关管 T 对电感器 L 充电 同时续流二极管 D 关断 负载 RL 靠电容器存储的电能供电 当开关管 T 关断时 续流二极管 D 导通 电感器 L 中的自感电动势通过续流二极管 D 对负载 RL 供电 并同时对电容器 C 充电 由于续流二极管 D 的反向极性 使输出端获得相反极性的电压输出 反转式串联开关电源输出电压 Uo 为 由 1 27 式可以看出 反转式串联开关电源输出电压与输入电压与开关接通的时间成正比 与开 关关断的时间成反比 2 2 隔离式电路的类型 隔离式电路的类型 隔离 输入端与输出端电气不相通 通过脉冲变压器的磁偶合方式传递能量 输入输出完全 电气隔离 2 1 单端正激式 single Forward Converter 又叫单端正激式变压器开关电源 单端 通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器 正激式 就是只有在开关管导通的时候 能量才通过变压器或电感向负载释放 当开关关闭的 时候 就停止向负载释放能量 目前属于这种模式的开关电源有 串联式开关电源 buck 拓扑结构 开关电源 激式变压器开关电源 推免式 半桥式 全桥式都属于正激式模式 反激式 就是在开关管导通的时候存储能量 只有在开关管关断的时候释放才向负载释放能量 属于这种模式的开关电源有 并联式开关电源 boots 极性反转型变换器 反激式变压器开关电源 正激变压器 脉冲变压器的原 付边相位关系 确保在开关管导通 驱动脉冲变压器原 边时 变压器付边同时对负载供电 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电压激励时 变压器的次级 线圈正好有功率输出 正激式变压器开关电源是推免式变压器开关电源衍生过来的 推免式有两 个控制开关 正激式改成一个开关控制 U1 是开关电源的输入电压 N 是开关变压器 T 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 RL 是负载电阻 在上图中 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 上图就不再是正激式变压器开关电源了 该电路的最大问题是 开关管 T 交替工作于通 断两种状态 当开关管关断时 脉冲变压器处于 空载 状态 其中储存的磁能将被积累到下一个周期 直至电感器饱和 使开关器件烧毁 图中 的 D3 与 N3 构成的磁通复位电路 提供了泄放多余磁能的渠道 2 2 单端反激式 Single F1yback Converter 单端反激式变压器开关电源反激式变压器开关电源 所谓反激式变压器开关电源 是指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 反激式电路与正激式电路相反 脉冲变压器的原 付边相位关系 确保当开关管导通 驱动脉冲 变压器原边时 变压器付边不对负载供电 即原 付边交错通断 脉冲变压器磁能被积累的问题容易 解决 但是 由于变压器存在漏感 将在原边形成电压尖峰 可能击穿开关器件 需要设置电压钳 位电路予以保护 D3 N3 构成的回路 从电路原理图上看 反激式与正激式很相象 表面上只是变压 器同名端的区别 但电路的工作方式不同 D3 N3 的作用也不同 反激式变压器开关电源的输出电压为 1 110 式中 Uo 为反激式变压器开关电源的输出电压 Ui 变压器初级线圈输入电压 D 为 控制开关的占空比 n 为变压器次级线圈与初级线圈的匝数比 2 3 推挽 Push pull 变压器中心抽头 式 这种电路结构的特点是 对称性结构 脉冲变压器原边是两个对称线圈 两只开关管接成对称 关系 轮流通断 工作过程类似于线性放大电路中的乙类推挽功率放大器 主要优点 高频变压器磁芯利用率高 与单端电路相比 电源电压利用率高 与后面要叙述 的半桥电路相比 输出功率大 两管基极均为低电平 驱动电路简单 主要缺点 变压器绕组利用率低 对开关管的耐压要求比较高 至少是电源电压的两倍 2 4 全桥式 Full Bridge Converter 这种电路结构的特点是 由四只相同的开关管接成电桥结构驱动脉冲变压器原边 图中 T1 T4 为一对 由同一组信号驱动 同时导通 关端 T2 T3 为另一对 由另一组信号驱 动 同时导通 关端 两对开关管轮流通 断 在变压器原边线圈中形成正 负交变的脉冲电流 主要优点 与推挽结构相比 原边绕组减少了一半 开关管耐压降低一半 主要缺点 使用的开关管数量多 且要求参数一致性好 驱动电路复杂 实现同步比较困难 这种电路结构通常使用在 1KW 以上超大功率开关电源电路中 2 5 半桥式 Half Bridge Converter 电路的结构类似于全桥式 只是把其中的两只开关管 T3 T4 换成了两只等值大电容 C1 C2 主要优点 具有一定的抗不平衡能力 对电路对称性要求不很严格 适应的功率范围较大 从 几十瓦到千瓦都可以 开关管耐压要求较低 电路成本比全桥电路低等 这种电路常常被用于各种 非稳压输出的 DC 变换器 如电子荧光灯驱动电路中 DCDC DCDC 电源变换器的拓扑类型电源变换器的拓扑类型 0 0 引言引言 本文的第一部分为 DC DC 电源变换器拓扑的分类 第二部分是在参考美国 TI 公司资料的 基础上撰写而成的 新增加了各种 DC DC 电源变换器的主要特点及 PWM 控制器的典型产品 另外还 按照目标对电路结构 波形参数和汁算公式中的物理量作了统一 本文的特点足以表格形式归纳了 常见 DC DC 电源变换器的拓扑结构 这对电源专业的广大技术人员是一份不可多得的技术资料 1 1 DCDC DCDC 电源变换器拓扑结构的分类电源变换器拓扑结构的分类 DC DC 电源变换器的拓扑类型主要有以下 13 种 1 Buck Converter 降压式变换器 2 Boost Conyerter 升压式变换器 3 Buck Boost Converter 降压 升压式变换器 含极性反转 Inverting 式变换器 4 Cuk Converter 升压 升压串联式变换器 5 SEPIC Single Endcd Pdimary Inductor Converter 单端一次侧电感式变换器 6 F1yback Converter 反激式 亦称回扫式 变换器 7 Forward Converter 正激式变换器 8 Double Switches Forward Converter 双开关正激式变换器 9 Active Clamp Forward Converter 有源箝位 0 Half Bridge Converter 半桥式变换器 11 Full Bridge Converter 全桥式变换器 12 Push pull Convener 推挽式变换器 13 Phase Shift Switching ZVT Phase Shift Switching Zero Voltage Transition 移相式 零电压开关变换器 2 2 常见常见 DCDC DCDC 电源变换器的拓扑类型电源变换器的拓扑类型 常见 DC DC 电源变换器的拓扑类型见表 1 表 3 所列 表中给出不同的电路结构 同时也给出 相应的电压及电流波形 设相关的电感电流为连续工作方式 PWM 表示脉宽调制波形 U1 为直流输 入电压 UDS 为功率丌关管 S1 MOSFFT 的漏一源极电压 ID1 为 S1 的漏极电流 IF1 为 D1 的工作电 流 U0 为输出电压 IL 为负载电流 T 为周期 t 为 UO 呈高电平 或低电平 的时问及开关导通时间 D 为占空比 有关系式 D t T C1 C2 均为输入端滤波电容 CO 为输出端滤波电容 L1 L2 为电 感 开关电源原理与设计 连载一 开关电源的基本工作原理 因为近日很多人在向我咨询有关开关电源设计知识 这里将我撰写的 开关电源原理与设计 一书 在电子创新网上首发 希望给设计开关电源的工程师朋友一点帮助 我会以连载的形式发布此书 欢迎提出改进建议 第一章第一章 开关电源的基本工作原理开关电源的基本工作原理 1 11 1 几种基本类型的开关电源 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 21 2 串联式开关电源 串联式开关电源 1 2 11 2 1 串联式开关电源的工作原理 串联式开关电源的工作原理 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 开关电源原理与设计 连载一 第一章开关电源的基开关电源原理与设计 连载一 第一章开关电源的基 本工作原理本工作原理 星期二 04 14 2009 14 46 陶显芳 因为近日很多人在向我咨询有关开关电源设计知识 这里将我撰写的 开关电源原理与设计 一书 在电子创新网上首发 希望给设计开关电源的工程师朋友一点帮助 我会以连载的形式发布此书 欢迎提出改进建议 第一章第一章 开关电源的基本工作原理开关电源的基本工作原理 1 11 1 几种基本类型的开关电源 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 21 2 串联式开关电源 串联式开关电源 1 2 11 2 1 串联式开关电源的工作原理 串联式开关电源的工作原理 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 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 开关电源原理与设计 连载 2 6 串联式开关电源 Buck 开关电源原理与设计 连载二 串联式开关电源输出电压滤波电路开关电源原理与设计 连载二 串联式开关电源输出电压滤波电路 串联式开关电源输出电压滤波电路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 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 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 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 eL Ldi dt Ui Uo K 接通期间 1 4 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 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 式中 i Ton 为控制开关 K 从 Ton 转换到 Toff 的瞬间之前流过电感的电流 i Ton 也可以写 为 i Toff 即 控制开关 K 关断或接通瞬间 之前和之后流过电感 L 的电流相等 实际上 1 8 式中的 i Ton 就是 1 6 式中的 iLm 即 上面计算都是假设输出电压 Uo 基本不变的情况得到的结果 在实际应用电路中也正好是这样 输出 电压 Uo 的电压纹波非常小 只有输出电压的百分之几 工程计算中完全可以忽略不计 从 1 4 式到 1 11 和图 1 3 图 1 4 图 1 5 中可以看出 当开关电源工作于临界连续电流或连续电流状态时 在 K 接通和关断的整个周期内 储能电感 L 都 有电流流出 但在 K 接通期间与 K 关断期间 流过储能电感 L 的电流的上升率 绝对值 一般是不 一样的 在 K 接通期间 流过储能电感 L 的电流上升率为 Ui Uo L 在 K 关断期间 流过储能电 感 L 的电流上升率为 Uo L 因此 1 当 Ui 2Uo 时 即滤波输出电压 Uo 等于电源输入电压 Ui 的一半时 或控制开关 K 的占空比 D 为二分之一时 流过储能电感 L 的电流上升率 在 K 接通期间与 K 关断期间绝对值完全相等 即 电感存储能量的速度与释放能量的速度完全相等 此时 1 5 式中 i 0 和 1 11 式中 iLX 均等于 0 在这种情况下 流过储能电感 L 的电流 iL 为临界连续电流 且滤波输出电压 Uo 等于滤 波输入电压 uo 的平均值 Ua 参看图 1 3 2 当 Ui 2Uo 时 即 滤波输出电压 Uo 小于电源输入电压 Ui 的一半时 或控制开关 K 的占空 比小于二分之一时 虽然在 K 接通期间 流过储能电感 L 的电流上升率 绝对值 大于 在 K 关 断期间 流过储能电感 L 的电流上升率 绝对值 但由于 1 5 式中 i 0 等于 0 以及 Ton 小 于 Toff 此时 1 11 式中的 iLX 会出现负值 即输出电压反过来要对电感充电 但由于整流二 极管 D 的存在 这是不可能的 这表示流过储能电感 L 的电流提前过 0 即有断流 在这种情况下 流过储能电感 L 的电流 iL 不是连续电流 开关电源工作于电流不连续状态 因此 输出电压 Uo 的 纹波比较大 且滤波输出电压 Uo 小于滤波输入电压 uo 的平均值 Ua 参看图 1 4 3 当 Ui IO 时 iC 0 即 电容被充电 电容被充电时 其两端电压 是上升的 当 iL IO 时 iC iOiL iO 陶工 Uc 的曲线情况 为什么是在 iL iO 是一直增加的 反之减小的 而不是随 iL 增加而增加或 随 iL 减小而减小啊 谢谢 老实做人 踏实做事 要发表评论 请先登录 或 注册 星期四 04 16 2009 12 26 创新网小编 转达陶工的回复 串联式开关电源 在开关管没有导通的转达陶工的回复 串联式开关电源 在开关管没有导通的 时候 时候 转达陶工的回复 转达陶工的回复 串联式开关电源 在开关管没有导通的时候 输出功率全部都是由储能器件 储能电感和储能电容 提供 此时输出电流是由开关管刚关断时的最大值 iLm 开关管刚关断时电感存储的能量最大 随 着时间线性下降 即 储能电感产生的反电动势对负载供电和对电容充电 当 iL 还大于输出电流的 平均值 Io 时 电容还是处于被充电阶段 所以输出电压还是在继续上升的 当 iL 开始小于输出电 流的平均值 Io 时 说明此时储能电感存储的能量已经降低到不足以维持负载需要能量的输出 此时 电感停止对电容充电 同时还需要电容接替其继续向负载提供能量输出 由于此时电容处于放电阶 段 所以输出电压是下降的 当开关管导通的时候 如果开关电源的储能电感工作于电流临界连续状态或不连续状态 由占空比 和工作频率决定 图 1 3 1 4 此时 输入电压 Ui 将通过电感 L 对负载供电 流过电感 L 的电 流将从 0 开始上升 如果不是工作于电流临界连续状态或不连续状态 电流不是从 0 增加 而是从 某个值开始增加图 1 5 此时电感处于存储能量阶段 同时电容也在向负载供电 由于此时电容 属于放电阶段 所以输出电压还是在下降的 当流过电感 L 的电流将从 0 开始上升到大于输出电流 的平均值 Io 时 流过电感 L 的电流才会 一部分用来对负载供电 另一部分用来对电容充电 由于 电容处于被充电阶段 所以输出电压是在上升的 此时电感继续处于存储能量阶段 快乐地工作 开关电源原理与设计 连载三 串联式开关电源储能开关电源原理与设计 连载三 串联式开关电源储能 滤波电感的计算滤波电感的计算 星期四 04 16 2009 09 14 陶显芳 1 2 31 2 3 串联式开关电源储能滤波电感的计算 串联式开关电源储能滤波电感的计算 从上面分析可知 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 iLm Ui Uo L Ton i 0 K 关断前瞬间 1 6 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 2Io Uo 2L T K 关断前瞬间 1 12 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 L Uo 4Io T D 0 5 时 1 13 或 L Uo 4Io T Ui 2Io T D 0 5 时 1 14 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 增大 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 评论评论 星期二 08 04 2009 21 43 lvyuanpu 陶工 您好 我最近刚刚开始学习电源方面的知识 由于陶工 您好 我最近刚刚开始学习电源方面的知识 由于 以前很以前很 陶工 您好 我最近刚刚开始学习电源方面的知识 由于以前很多电子知识掌握的不是太扎实 现在学习起来感 到有些吃力 不过在网上看到您写的文章后 感到非常的好 深入浅出 很多地方很容易理解 非 常的感谢您 今天我看到这一篇文章的时候 看到您写到 从上面分析可知 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 我自己买了些材料 上面均提到过降压型的 回来的输出只与 D 有关 与电感电容都没有关系 所以感到疑惑 看到下面的解释 也不是太懂 为什么其他的作者会说道只与 D 有关 而您提到与 L 有关呢 是其他作者疏忽了 还是您的这个理 论是最新的发现呢 要发表评论 请先登录 或 注册 星期三 08 05 2009 10 49 陶显芳 我不知你买了一些什么样的参考资料 不过我相信 目前我不知你买了一些什么样的参考资料 不过我相信 目前 很少有一很少有一 我不知你买了一些什么样的参考资料 不过我相信 目前很少有一本其它书的内容比我文章中相关 的内容 对开关电源的工作原理及电路参数计算进行论述更详细的 我不知道其它书所说的 串联 式开关电源输出电压只与占空比 D 有关而与串联电感无关的前提是什么 如果你想证明它的论证正 确 你只需要在图 1 2 中对电感选值的两种极端情况产生的结果 即 电感等于零时和电感等于无 限大时所产生的结果 分别进行分析比较就可以知道了 显然这两种情况产生的结果都不可能完全 一样 这就说明 串联式开关电源输出电压不但与占空比 D 有关 而且与串联电感的大小有关 我 认为你看书的时候 最好一边看别人分析 一边自己也要用心或用笔进行计算 计算结果是验证分 析结果最可靠的方法 如果只有分析 没有计算 那么 你最好先不要对分析结果完全相信 最好 先相信 50 留 50 作为自己还没有完成的作业 继续去完成 那是最佳方法 即 对谁都不要迷信 只有经过独立思考得出的结果 才是自己的 开关电源原理与设计 连载四 串联式开关电源储能开关电源原理与设计 连载四 串联式开关电源储能 滤波电容的计算滤波电容的计算 1 2 41 2 4 串联式开关电源储能滤波电容的计算 串联式开关电源储能滤波电容的计算 我们同样从流过储能电感的电流为临界连续电流状态着手 对储能滤波电容 C 的充 放电过程进行 分析 然后再对储能滤波电容 C 的数值进行计算 图 1 6 是串联式开关电源工作于临界连续电流状态时 串联式开关电源电路中各点电压和电流的波 形 图 1 6 中 Ui 为电源的输入电压 uo 为控制开关 K 的输出电压 Uo 为电源滤波输出电压 iL 为流过储能滤波电感电流 Io 为流过负载的电流 图 1 6 a 是控制开关 K 输出电压的波形 图 1 6 b 是储能滤波电容 C 的充 放电曲线图 图 1 6 c 是流过储能滤波电感电流 iL 的波形 当串 联式开关电源工作于临界连续电流状态时 控制开关 K 的占空比 D 等于 0 5 流过负载的电流 Io 等 于流过储能滤波电感最大电流 iLm 的二分之一 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 在输出电压 uo 的作用 下 流过储能滤波电感 L 的电流开始增大 当作用时间 t 大于二分之一 Ton 的时候 流过储能滤波 电感 L 的电流 iL 开始大于流过负载的电流 Io 所以流过储能滤波电感 L 的电流 iL 有一部分开始 对储能滤波电容 C 进行充电 储能滤波电容 C 的两端电压开始上升 当作用时间 t 等于 Ton 的时候 流过储能滤波电感 L 的电流 iL 为最大 但储能滤波电容 C 的两端电 压并没有达到最大值 此时 储能滤波电容 C 的两端电压还在继续上升 因为 流过储能滤波电感 L 的电流 iL 还大于流过负载的电流 Io 当作用时间 t 等于二分之一 Toff 的时候 流过储能滤波电 感 L 的电流 iL 正好等于负载电流 Io 储能滤波电容 C 的两端电压达到最大值 电容停止充电 并 开始从充电转为放电 可以证明 储能滤波电容进行充电时 电容两端的电压是按正弦曲线的速率变化 而储能滤波电容 进行放电时 电容两端的电压是按指数曲线的速率变化 这一点后面还要详细说明 请参考后面图 1 23 图 1 24 图 1 25 的详细分析 图 1 6 中 电容两端的充放电曲线是有意把它的曲率放大了的 实际上它们的变化曲率并没有那么 大 因为储能滤波电感 L 和储能滤波电容构成的时间常数相对于控制开关的接通或关断时间来说非 常大 正弦曲线的周期 1 17 和 1 18 式 就是计算串联式开关电源储能滤波电容的公式 D 0 5 时 式中 Io 是流过负载的电流 T 为控制开关 K 的工作周期 UP P 为输出电压的波纹 电压波纹 UP P 一般 都取峰 峰值 所以电压波纹正好等于电容器充电或放电时的电压增量 即 UP P 2 Uc 顺便说明 由于人们习惯上都是以输出电压的平均值为水平线 把电压纹波分成正负两部分 所以 这里遵照习惯也把电容器充电或放电时的电压增量分成两部分 即 2 Uc 同理 1 17 和 1 18 式的计算结果 只给出了计算串联式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 当储能滤波电容的值小于 1 17 式的值时 串联式开关电源滤波输出电压 Uo 的电压纹波 UP P 会增大 并且当开关 K 工作的占空比 D 小于 0 5 时 由于流过储能滤波电感 L 的电流 iL 出现不连续 电容器放电的时间大于电容器充电的时间 因此 开关电源滤波输出电压 Uo 的电压纹波 UP P 将 显著增大 因此 最好按 1 17 式计算结果的 2 倍以上来选取储能滤波电容的参数 开关电源原理与设计 连载五 反转式串联开关电源开关电源原理与设计 连载五 反转式串联开关电源 星期日 04 19 2009 01 04 陶显芳 1 31 3 反转式串联开关电源 反转式串联开关电源 1 3 11 3 1 反转式串联开关电源的工作原理 反转式串联开关电源的工作原理 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 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 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 eL Ldi dt Ui K 接通期间 1 19 对 1 19 式进行积分得 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 iLm Ui L Ton K 关断前瞬间 1 21 在开关关断 Toff 期间 控制开关 K 关断 储能电感 L 把电流 iLm 转化成反电动势 通过整流二极管 D 继续向负载 R 提供能量 在此期间储能电感 L 两端的电压 eL 为 eL Ldi dt Uo K 关断期间 1 22 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 22 式进行积分得 式中 i Ton 为控制开关 K 从 Ton 转换到 Toff 的瞬间之前流过电感的电流 i Ton 也可以写 为 i Toff 即 控制开关 K 关断或接通瞬间 之前和之后流过电感 L 的电流相等 实际上 1 23 式中的 i Ton 就是 1 21 式中的 iLm 即 i Ton iLm K 关断前瞬间 1 24 因此 1 9 式可以改写为 iL Uo L t iLm K 关断期间 1 25 当 t Toff 时 iL 达到最小值 其最小值为 iLX Uo L Toff iLm K 接通前瞬间 1 26 反转式串联开关电源输出电压一般为负脉冲的幅值 当开关电源工作于临界连续电流状态时 流过 储能电感的初始电流 i 0 等于 0 参看图 1 8 a 即 1 26 式中流过储能电感电流的最小 值 iLX 等于 0 因此 由 1 21 和 1 26 式 可求得反转式串联开关电源输出电压 Uo 为 由 1 27 式可以看出 反转式串联开关电源输出电压与输入电压与开关接通的时间成正比 与开 关关断的时间成反比 另外 从图 1 8 可以看出 由于反转式串联开关电源 仅当控制开关 K 关断期间才产生反电动势向 负载提供能量 因此 当占空比为 0 5 时 输出电流的平均值 Io 为流过储能电感电流最大值的四分 之一 当占空比小于 0 5 时 输出电流的平均值 Io 小于流过储能电感电流最大值的四分之一 图 1 9 当占空比大于 0 5 时 输出电流的平均值 Io 大于流过储能电感电流最大值的四分之一 图 1 10 开关电源原理与设计 连载六 反转式串联开关电源开关电源原理与设计 连载六 反转式串联开关电源 储能电感的计算储能电感的计算 星期一 04 20 2009 11 02 陶显芳 1 3 21 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 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 iLm Ui Ton L K 关断前瞬间 1 21 1 21 式可以改写为 4Io Ui T 2L K 关断前瞬间 1 28 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 L Ui T 8Io D 0 5 时 1 29 或 L Ui T 8Io D 0 5 时 1 30 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