(1)串联型、并联型和变压器耦合(并联)型开关电源
按开关管与负载的连接方式分类,开关电源可分为串联型、并联型和变压器耦合(并联)型3种类型。
①串联型。图1所示的开关电源基本形式即是串联型开关电源,其特点是开关调整管VT与负载R1串联。因 此,开关管和续流二极管的耐压要求较低。且滤波电容在开关管导通和截止时均有电流,故滤波性能好, 输出电压叽的纹波系数小;要求储能电感铁心截面积也较小。其缺点为:输出直流电压与电网电压之间没 有隔离变压器,即所谓“热底盘”,不够安全;若开关管内部短路,则全部输入电压直接加到负载上,会 引起负载过压或过流,损坏元件。因此输出端一般需加稳压管加以保护。
图1 开关电源基本电路及工作波形
图7-3-2 开关稳压电源的基本组成框图
②并联型。并联型开关稳压电源基本电路如图2所示,其工作波形与串联电路基本相同,因开关管VT与 负载RL并联而称为并联型。此外,二极管YD通常称为脉冲整流管,C为滤波电容。
当开关管基极输人开关控制脉冲时,开关管周期性地导通与截止。当开关管饱和导通时,输入电压Ui加 在储能电感L两端。此时电感中的电流线性上升,二极管VD反偏而截止,电感L储存能量,此时负载RL所需 的电流由前一段时间电容上所充的电压供给。当开关管截止时,VD导通,通过电感上的电流线性下降,感 应电压为左负右正,输入电压Ui和电感L上的感应电压同极性串联,电源输人Ui和电感L所释放的能量同时 给负载RL提供电流,并向电容C充电。同样,达到动态平衡时,电感L在开关管饱和时增加的电流量(能量 )与开关管截止时减小的电流量(能量)相等,即电感上能量保持一个恒量,故有
图2 并联型开关电源基本电路
可见,并联型开关稳压电源同样可通过控制δ来稳定或调整输出电压,同时还可以看出,由于δ<1,这 种并联型开关电源属于升压型电源,开关管所承受的最大反向电压Uce max=Uo(>Ui)。而图1所示的串 联型开关电源属降压型电源,开关管所承受的最大反向电压Uce max=Ui。
③脉冲变压器耦合(并联)型。变压器耦合(并联)型开关电源(自激式)基本电路如图3所示。开关器 件可以是双极型晶体管,也可以是场效应管,T为开关(脉冲)变压器,VD为脉冲整流二极管,C为滤波电 容,RL为负载。这里脉冲变压器的初级绕组起储能电感作用,脉冲变压器通过电感耦合传输能量,可使输 入端与稳压输出端之间互相隔离,实现机壳(底板)不带电,同时还可便利地得到多种直流电压,给制作 和维修带来方便,因此,大多数彩电都采用变压器耦合型开关电源。
如果将脉冲变压器视为初、次级匝数比为n:1的理想变压器,把次级参数等效至初级,可画成图2所示并 联型的电路形式,只是用nUo代替图2中的Uo。对图3电路,可得
图3 变压器耦合型开关电源基本电路
由于n>1,变压器型开关电源一般均为降压输出。开关电源中开关管所承受的最大脉冲电压为Uce max=Ui+nUo。
变压器耦合(并联)型开关电源的优点是:①通过附加一个次级绕组间接取样的办法或采用光耦合器实 现电源隔离,使主电源电路与交流电网隔离,即所谓“冷底盘”电路;②若开关管内部短路,不会引起负 载的过压或过流;③容许辅助电源负载与主电源负载无关。即不接主电源负载,辅助电源仍可从主电源中 得到。其缺点是:①对开关管和续流二极管的耐压要求高;②输出电压纹波系数较高;③要求储能电感量 较大。
(2)自激式和他激式开关电源
按开关器件的激励方式,可分为自激式和他激式开关电源。自激式开关电源不需专设振荡电路,用开关 调整管兼做振荡管,只需设置正反馈电路使电路起振工作,因而电路比较简单。
他激式开关电源需专设振荡器和启动电路,电路结构比较复杂。
(3)脉冲宽度调制式和脉冲频率调制式开关稳压电源
开关稳压电源的输出与开关管的导通时间有关,即决定于开关脉冲的占空比δ,稳压控制也就是通过调 制开关脉冲的占空比来实现的,控制方式有脉冲宽度调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)两种。脉冲宽度 控制(调宽)式开关电源稳压电路在通过改变开关脉冲宽度(控制开关管导通时间)来稳定输出电压的过 程中,开关管的工作频率不改变。脉冲频率控制(调频)式开关电源在稳压控制过程中,改变开关脉冲的 占空比的同时,开关管的工作频率也随着发生变化,故称之为调频-调宽式稳压电源。
PWM方式和PFM方式的调制波形分别如图4(a)、(b)所示,tp表示脉冲宽度(即功率开关管的导通时间 tON),T代表周期,从中很容易看出二者的区别。但它们也有共同之处:①均采用时间比率控制(TRC)的 稳压原理,无论改变tp还是T,最终调节的都是脉冲占空比。尽管采用的方式不同,但控制目标一致,可 谓殊途同归。②当负载由轻变重,或者输入电压从高变低时,分别通过增加脉宽、升高频率的方法,使输 出电压保持稳定。
图4 两种控制方式的调制波形
(4)混合调制方式
混合调制方式是指脉冲宽度与开关频率均不固定,彼此都能改变的方式,它属于PWM和PFM的混合方式。由于莎p和r均可单独调节,因此占空比调节范围最宽,适合制作供实验室使用并可宽范围调节的开关电源。
(5)开关管的典型工作方式
按开关管的连接和工作方式分类,开关稳压电源可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式4种。单端式仅用一个开关晶体管,推挽式或半桥式采用两个开关晶体管,全桥式则采用4个开关晶体管。目前彩色电视机、显示器、打印机、传真机等开关稳压电源常采用单端式,而微机开关电源均采用半桥式。