1、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(jìn)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(yīng)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(jìn)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

2、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(jìn)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：

3、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(jìn)行簡單介紹，其它種類的開關(guān)電源也將逐步進(jìn)行詳細(xì)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(fù)載。當(dāng)控制開關(guān)K接通的時候，開關(guān)電源就向負(fù)載R輸出一個脈沖寬度為Ton，幅度為Ui的脈沖電壓Up；當(dāng)控制開關(guān)K關(guān)斷的時候，又相當(dāng)于開關(guān)電源向負(fù)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”

4、和“關(guān)斷”，在負(fù)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(jìn)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

5、就是利用電子開關(guān)器件（如晶體管、場效應(yīng)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(jìn)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

6、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(jìn)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(jìn)行簡單介紹，其它種類的開關(guān)電源也將逐步進(jìn)行詳細(xì)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-

7、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(fù)載。當(dāng)控制開關(guān)K接通的時候，開關(guān)電源就向負(fù)載R輸出一個脈沖寬度為Ton，幅度為Ui的脈沖電壓Up；當(dāng)控制開關(guān)K關(guān)斷的時候，又相當(dāng)于開關(guān)電源向負(fù)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(fù)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

8、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(yīng)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(yīng)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(fù)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(dāng)輸入電壓為市

9、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20）開關(guān)電源電路的過渡過程(part1)1-7-2開關(guān)電源電路的過渡過程前面我們分析過的所有開關(guān)電源電路，很少提到電路過渡過程的概念，實際上，在開關(guān)電源電路中，工作開關(guān)的接通和關(guān)段，電路中電流和電壓的變化過程，都是屬于電路過渡過程，但我們?yōu)榱朔治龊唵危及央娐返倪^渡過程基本忽略掉了。如果認(rèn)真對開關(guān)電源電路進(jìn)行分析，輸出電路中的電流一般都不是線性的或鋸齒波；輸出電壓也不是一個矩形波或鋸齒波，我們把它們當(dāng)成矩形波或鋸齒波，只是在一個特定條件或范圍內(nèi)，把它們的變化率或數(shù)值當(dāng)成了一個平均值來看待。在具有電感、電容、電阻的電路中

10、，發(fā)生電路過渡過程的電壓、電流一般都是按指數(shù)函數(shù)的曲線規(guī)律變化，正弦或者余弦函數(shù)是指數(shù)函數(shù)的特殊情況。在具有過渡過程的電路中，我們不能簡單地用正弦波電路的計算方法來分析，用付氏變換的方法也很難分析出精確結(jié)果。用微分方程對電路過渡過程進(jìn)行分析是最好的方法。在電路的過渡過程中，一定要考慮電壓或電流的初始值，只有當(dāng)初始值基本為0或趨于某個固定值時，才可認(rèn)為電路的過渡過程已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，但嚴(yán)格來說，這種情況在開關(guān)電源電路中不存在。因為，開關(guān)電源中的工作開關(guān)總是不斷地在接通與關(guān)斷兩中工作狀態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換，并且占空比D時刻都在改變，它不可能出現(xiàn)一個穩(wěn)定值。然而，我們可以把開關(guān)電源當(dāng)成一種特殊情況來處理，

11、或把開關(guān)電源電路中，電壓或電流的初始值反復(fù)出現(xiàn)時，就可以認(rèn)為開關(guān)電源已經(jīng)工作于穩(wěn)定狀態(tài)。例如，當(dāng)開關(guān)電源在一個或兩個工作周期內(nèi)，對應(yīng)于工作開關(guān)接通或關(guān)閉的瞬間，某電路的電壓或電流的初始值基本相等，或很接近時，我們就可以認(rèn)為，開關(guān)電源已經(jīng)進(jìn)入了穩(wěn)定工作狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)電源進(jìn)入工作穩(wěn)定狀態(tài)以后，為了簡單，我們一般都用電壓或電流的其平均值或半波平均值來進(jìn)行電路電路計算或分析。例如，我們在計算流過負(fù)載的電流時，一般都是利用輸出電壓的平均值Uo來進(jìn)行計算，很少考慮輸出電壓紋波對負(fù)載的影響，計算負(fù)載電流的結(jié)果就是流過負(fù)載電流的平均值Io。然而，在開關(guān)電源的設(shè)計中，開關(guān)電源開機(jī)時刻的過渡過程也是不可忽視的，因為

12、，儲能濾波電容存儲的電荷為0，需要很多個工作周期以后，儲能濾波電容才能充滿電，其兩端電壓才基本穩(wěn)定，開關(guān)電源才能進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。下面，我們來詳細(xì)分析開關(guān)電源開機(jī)時刻的過渡過程。圖1-19中，當(dāng)工作開關(guān)由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷時，開關(guān)電源變壓器次級線圈產(chǎn)生的反電動勢為：式中，q為電容存儲的電荷量，C1和C2為待定系數(shù)， = ，為角頻率，即電容器充放電的速率。這里為了簡化在不容易混淆的情況下我們經(jīng)常把電感L和電容C的下標(biāo)省去。當(dāng)t = 0 時，q = 0，由此求得C1 = 0，當(dāng)t = Toff時，由于電容容量很大，電容器一般在一個工作周期內(nèi)是不可能充滿電的，大約需要十幾個周期以上才能充滿。當(dāng)電容充滿電時

13、，電容兩端的電壓就可以達(dá)到電源電壓的峰值，即：q = UpC，由此，求得C2 = UpC，所以（1-112）式可以寫為：這里特別指出，（1-112）、（1-113）、（1-114）式中的時間t對于電容器充電來說是不連續(xù)的，它是按正弦曲線一段、一段地進(jìn)行迭加，如圖23。圖1-23-a）中，uo為變壓器次級線圈輸出電壓的脈沖波形，虛線是整流之前變壓器次級線圈的輸出波形（半波平均值），實線是實際輸出波形，由于整流二極管的限幅作用，所以實際輸出電壓幅度要比正常工作時低很多。在每次工作開關(guān)由接通轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)斷期間，變壓器次級線圈的輸出電壓，都經(jīng)整流二極管對儲能濾波電容進(jìn)行充電，使儲能濾波電容兩端的電壓一步、

14、一步地升高，輸出電壓幅度也一步、一步地升高。圖1-23-b）是儲能濾波電容器進(jìn)行充電的電壓波形，它需要經(jīng)過多個工作周期后才能對儲能濾波電容充滿電，因此，儲能濾波電容兩端的電壓是按正弦曲線，像爬樓梯一樣，一個、一個樓梯一樣提升，直到儲能濾波電容兩端的電壓達(dá)到最大值Up。圖1-23-c），是變壓器初、次級線圈的電流波形。圖中，i1為流過變壓器初級線圈中的電流，i2為流過變壓器次級線圈中的電流（虛線所示）。實際上流過變壓器次級線圈中的電流i2也不是線性下降，而是按余弦或指數(shù)曲線變化，但由于其曲率變化很小，所以我們把它近似地看成是一根直線，或用其變化率的平均值來代替，以便與輸出電壓波形（矩形波）對應(yīng)。

15、開關(guān)電源原理與設(shè)計（連載21）開關(guān)電源電路的過渡過程(part2)圖1-24是把儲能濾波電容器進(jìn)行充電的時間全部拼湊在一起時，儲能濾波電容器按正弦曲線進(jìn)行充電的電壓波形。我們可以把圖1-24看成儲能濾波電容器剛好用了6個工作周期就把電壓充到最大值，其中，T1、T2、T6分別代表Toff1、Toff2、Toff6。Toff1代表工作開關(guān)第一次關(guān)斷時間，其它依次類推。儲能濾波電容器充滿電后，由于整流二極管的作用，它不可能向變壓器的次級線圈放電，因此，T6以后的正弦曲線不可能再繼續(xù)發(fā)生。這里必須指出，圖1-24所示的電壓波形在現(xiàn)實中是不存在的，因為，圖1-24中的電壓波形在時間軸上是不連續(xù)的，這里只

16、是為了便于分析，把工作開關(guān)的接通時間Ton全部進(jìn)行壓縮了。在實際應(yīng)用中，儲能濾波電容器不可能剛好用6個工作周期就可以把電壓被充電到最大值，一般都要經(jīng)過好十幾個周期后，儲能濾波電容器兩端的電壓才能被充電到最大值。例如：設(shè)變壓器次級線圈的電感量為10微亨，儲能濾波電容的容量為1000微法，由此可求得： = 10000，或F = 1592Hz，T = 628微秒，四分之一周期為157微秒；設(shè)開關(guān)電源的工作頻率為40kHz，D = 0.5，由此可求得，T = 25微秒，半個周期為12.5微秒；最后我們可以求得，需要經(jīng)過12.56個工作周期，即314微秒后，儲能濾波電容才能充滿電。上面的結(jié)果，還沒有考慮

17、負(fù)載電流對儲能濾波電容充電的影響。由于負(fù)載電流會對儲能濾波電容充電產(chǎn)生分流，使電容充電速度變慢；另外，反激式開關(guān)電源的占空比一般都小于0.5，會使變壓器次級線圈輸出電流產(chǎn)生斷流，如果把這些因素全部都考慮進(jìn)去，儲能濾波電容充滿電所需要的時間要比上面計算結(jié)果大好幾倍。另外，反激式開關(guān)電源的占空比是根據(jù)輸出電壓的高低不斷地改變的。在進(jìn)行開關(guān)電源電路設(shè)計的時候，一定要注意，開關(guān)電源在輸入電源剛接通時候，由于開關(guān)電源剛開始工作的時候，儲能濾波電容器剛開始充電，電路會產(chǎn)生過渡過程；在輸入電源剛接通的瞬間，儲能濾波電容器兩端的電壓很低，輸出電壓也很低，通過取樣控制電路的作用，可能會使工作開關(guān)的占空比很大，從

18、而會使變壓器鐵心飽和，電源開關(guān)管過流或過壓而損壞。為了分析簡單，在圖1-23和圖1-24中，都沒有把負(fù)載電流的作用考慮進(jìn)去，如果考慮負(fù)載電流的作用，電容器進(jìn)行充電時電壓上升率會降低，同時在開關(guān)接通期間，因電容器要向負(fù)載放電，電容器兩端的電壓也會下降。儲能濾波電容進(jìn)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(jìn)行放電時，電容兩端的電壓是按指數(shù)曲線的速率變化。為了證明電容兩端的電壓是按指數(shù)曲線的速率變化，我們對圖1-19中的電容充放電過程進(jìn)一步進(jìn)行分析。當(dāng)開關(guān)接通時，由于變壓器次級線圈輸出電壓極性相反使整流二極管反偏截止，儲能濾波電容開始對負(fù)載放電，電容放電電流由下式?jīng)Q定：其中a為任意常數(shù)，