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开关电源的基本工作原理——张飞实战电子

菜鸟
2015-04-14 14:48:29    评分
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 

图 1-1-a 是串联式开关电源的简单工作原理图,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: 




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:


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。

1-2-2.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。(学习过程中遇到什么问题,随时欢迎咨询张飞QQ:437521793 ~~~我们一起加油~)


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Γ 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。
 

 

 

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ΔU 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:  ;在K 关断期间,流
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过储能电感L 的电流上升率为:  
(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 < 2Uo 时,即:滤波输出电压Uo 大于电源输入电压Ui 的一半时,或控制开关K 的占空比大于二分之一时:在K 接通期间,虽然流过储能电感L 的电流上升率(绝对值),小于, 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Ton 大于Toff,(1-5)式中i(0) 和(1-11)式中iLX 均大于0,即:电感存储能量每次均释放不完。在这种情况下,流过储能电感L 的电流iL 是连续电流,开关电源工作于连续电流状态,输出电压Uo 的纹波比较小,且滤波输出电
压Uo 大于滤波输入电压uo 的平均值Ua。参看图1-5。 (学习过程中遇到什么问题,随时欢迎咨询张飞QQ:437521793 ~~~我们一起加油~)



关键词: 开关电源    

菜鸟
2015-07-22 17:30:52    评分
2楼
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