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(shí)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(lì)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,。

串聯(lián)式開關(guān)電源

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(shí)候,，開關(guān)電源就向負(fù)載R輸出一個(gè)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(shí)候,，又相當(dāng)于開關(guān)電源向負(fù)載R輸出一個(gè)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(gè)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(gè)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(shí)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)電源輸出電壓的波形圖

式中Ton為控制開關(guān)K接通的時(shí)間,，T為控制開關(guān)K的工作周期,。改變控制開關(guān)K接通時(shí)間Ton與關(guān)斷時(shí)間Toff的比例，就可以改變輸出電壓uo的平均值Ua ,。一般人們都把 稱為占空比（Duty）,，用D來表示，即：

占空比計(jì)算式

串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓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(diǎn)是輸入與輸出共用一個(gè)地，因此,，容易產(chǎn)生EMI干擾和底板帶電,，當(dāng)輸入電壓為市電整流輸出電壓的時(shí)候，容易引起觸電,，對人身不安全,。

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1-2是帶有整流濾波功能的串聯(lián)式開關(guān)電源工作原理圖。

帶有整流濾波功能的串聯(lián)式開關(guān)電源工作原理圖

圖1-2是在圖1-1-a電路的基礎(chǔ)上,，增加了一個(gè)整流二極管和一個(gè)LC濾波電路,。其中L是儲能濾波電感，它的作用是在控制開關(guān)K接通期間Ton限制大電流通過,，防止輸入電壓Ui直接加到負(fù)載R上,，對負(fù)載R進(jìn)行電壓沖擊，同時(shí)對流過電感的電流iL轉(zhuǎn)化成磁能進(jìn)行能量存儲,，然后在控制開關(guān)K關(guān)斷期間Toff把磁能轉(zhuǎn)化成電流iL繼續(xù)向負(fù)載R提供能量輸出,；C是儲能濾波電容，它的作用是在控制開關(guān)K接通期間Ton把流過儲能電感L的部分電流轉(zhuǎn)化成電荷進(jìn)行存儲,，然后在控制開關(guān)K關(guān)斷期間Toff把電荷轉(zhuǎn)化成電流繼續(xù)向負(fù)載R提供能量輸出,；D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Toff，給儲能濾波電感L釋放能量提供電流通路,。

在控制開關(guān)關(guān)斷期間Toff,，儲能電感L將產(chǎn)生反電動勢，流過儲能電感L的電流iL由反電動勢eL的正極流出,，通過負(fù)載R,，再經(jīng)過續(xù)流二極管D的正極，然后從續(xù)流二極管D的負(fù)極流出,，最后回到反電動勢eL的負(fù)極,。

對于圖1-2，如果不看控制開關(guān)K和輸入電壓Ui,，它是一個(gè)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1-3,、圖1-4,、圖1-5分別是控制開關(guān)K的占空比D等于0.5、< 0.5,、> 0.5時(shí),，圖1-2電路中幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的電壓和電流波形。圖1-3-a）,、圖1-4-a）,、圖1-5-a）分別為控制開關(guān)K輸出電壓uo的波形；圖1-3-b）,、圖1-4-b）,、圖1-5-b）分別為儲能濾波電容兩端電壓uc的波形；圖1-3-c）,、圖1-4-c）,、圖1-5-c）分別為流過儲能電感L電流iL的波形。

波形圖

波形圖

在Ton期間,，控制開關(guān)K接通,，輸入電壓Ui通過控制開關(guān)K輸出電壓uo，然后加到儲能濾波電感L和儲能濾波電容C組成的濾波電路上,，在此期間儲能濾波電感L兩端的電壓eL為：

計(jì)算式

式中：Ui輸入電壓,，Uo為直流輸出電壓，即：電容兩端的電壓uc的平均值,。

在此順便說明：由于電容兩端的電壓變化量ΔU相對于輸出電壓Uo來說非常小,，為了簡單，我們這里把Uo當(dāng)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(jìn)行分析時(shí)，必須需要建立微分方程,，并求解,。因?yàn)檩敵鲭妷篣o的建立需要一定的時(shí)間，精確計(jì)算得出的結(jié)果中一般都含有指數(shù)函數(shù)項(xiàng),，當(dāng)令時(shí)間變量等于無窮大時(shí),，即電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，再對相關(guān)參量取平均值,，其結(jié)果就基本與（1-4）相等,。

對（1-4）式進(jìn)行積分得：

計(jì)算式

計(jì)算式

上面計(jì)算都是假設(shè)輸出電壓Uo基本不變的情況得到的結(jié)果，在實(shí)際應(yīng)用電路中也正好是這樣,，輸出電壓Uo的電壓紋波非常小,，只有輸出電壓的百分之幾，工程計(jì)算中完全可以忽略不計(jì),。

從（1-4）式到（1-11）和圖1-3,、圖1-4、圖1-5中可以看出：

當(dāng)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(shí),，在K接通和關(guān)斷的整個(gè)周期內(nèi),，儲能電感L都有電流流出，但在K接通期間與K關(guān)斷期間,，流過儲能電感L的電流的上升率（絕對值）一般是不一樣的,。在K接通期間，流過儲能電感L的電流上升率為： ,；在K關(guān)斷期間,，流過儲能電感L的電流上升率為： 。因此：

（1）當(dāng)Ui = 2Uo時(shí),，即濾波輸出電壓Uo等于電源輸入電壓Ui的一半時(shí),，或控制開關(guān)K的占空比D為二分之一時(shí)，流過儲能電感L的電流上升率,，在K接通期間與K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(shí),，（1-5）式中i（0）和（1-11）式中iLX均等于0,。在這種情況下，流過儲能電感L的電流iL為臨界連續(xù)電流,，且濾波輸出電壓Uo等于濾波輸入電壓uo的平均值Ua,。參看圖1-3,。

（2）當(dāng)Ui > 2Uo時(shí)，即：濾波輸出電壓Uo小于電源輸入電壓Ui的一半時(shí),，或控制開關(guān)K的占空比小于二分之一時(shí)：雖然在K接通期間,，流過儲能電感L的電流上升率（絕對值），大于,，在K關(guān)斷期間,，流過儲能電感L的電流上升率（絕對值）；但由于（1-5）式中i（0）等于0,，以及Ton小于Toff，此時(shí),，（1-11）式中的iLX會出現(xiàn)負(fù)值,，即輸出電壓反過來要對電感充電，但由于整流二極管D的存在,，這是不可能的,，這表示流過儲能電感L的電流提前過0，即有斷流,。在這種情況下,，流過儲能電感L的電流iL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Uo的紋波比較大，且濾波輸出電壓Uo小于濾波輸入電壓uo的平均值Ua,。參看圖1-4,。

（3）當(dāng)Ui < 2Uo時(shí)，即：濾波輸出電壓Uo大于電源輸入電壓Ui的一半時(shí),，或控制開關(guān)K的占空比大于二分之一時(shí)：在K接通期間,，雖然流過儲能電感L的電流上升率（絕對值），小于,，在K關(guān)斷期間,，流過儲能電感L的電流上升率（絕對值）。但由于Ton大于Toff,，（1-5）式中i（0）和（1-11）式中iLX均大于0,，即：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L的電流iL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Uo的紋波比較小,，且濾波輸出電壓Uo大于濾波輸入電壓uo的平均值Ua,。參看圖1-5,。

串聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電感的計(jì)算

從上面分析可知，串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓Uo與控制開關(guān)的占空比D有關(guān),，還與儲能電感L的大小有關(guān),，因?yàn)閮δ茈姼蠰決定電流的上升率（di/dt），即輸出電流的大小,。因此,，正確選擇儲能電感的參數(shù)相當(dāng)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(shí)，濾波輸出電壓Uo正好是濾波輸入電壓uo的平均值Ua,，此時(shí),，開關(guān)電源輸出電壓的調(diào)整率為最好，且輸出電壓Uo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(jìn)行分析。我們先看（1-6）式：

計(jì)算式

（1-13）和（1-14）式,，就是計(jì)算串聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電感L的公式（D = 0.5時(shí)）,。（1-13）和（1-14）式的計(jì)算結(jié)果，只給出了計(jì)算串聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電感L的中間值,，或平均值,，對于極端情況可以在平均值的計(jì)算結(jié)果上再乘以一個(gè)大于1的系數(shù)。

如果增大儲能濾波電感L的電感量,，濾波輸出電壓Uo將小于濾波輸入電壓uo的平均值Ua,，因此，在保證濾波輸出電壓Uo為一定值的情況下,，勢必要增大控制開關(guān)K的占空比D,，以保持輸出電壓Uo的穩(wěn)定；而控制開關(guān)K的占空比D增大,，又將會使流過儲能濾波電感L的電流iL不連續(xù)的時(shí)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Uo的電壓紋波ΔUP-P進(jìn)一步會減小,，輸出電壓更穩(wěn)定,。

如果儲能濾波電感L的值小于（1-13）式的值，串聯(lián)式開關(guān)電源濾波輸出的電壓Uo將大于濾波輸入電壓uo的平均值Ua,，在保證濾波輸出電壓Uo為一定值的情況下,，勢必要減小控制開關(guān)K的占空比D，以保持輸出電壓Uo的值不變,；控制開關(guān)K的占空比D減小,，將會使流過濾波電感L的電流iL出現(xiàn)不連續(xù),，從而使輸出電壓Uo的電壓紋波ΔUP-P增大，造成輸出電壓不穩(wěn)定,。

由此可知,，調(diào)整串聯(lián)式開關(guān)電源濾波輸出電壓Uo的大小，實(shí)際上就是同時(shí)調(diào)整流過濾波電感L和控制開關(guān)K占空比D的大小,。

由圖1-4可以看出：當(dāng)控制開關(guān)K的占空比D小于0.5時(shí),，流過濾波電感L的電流iL出現(xiàn)不連續(xù)，輸出電流Io小于流過濾波電感L最大電流iLm的二分之一,，濾波輸出電壓Uo的電壓紋波ΔUP-P將顯著增大,。因此，串聯(lián)式開關(guān)電源最好不要工作于圖1-4的電流不連續(xù)狀態(tài),，而最好工作于圖1-3和圖1-5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Uo等于輸入電壓Ui的二分之一,，等于濾波輸入電壓uo的平均值Ua；且輸出電流Io也等于流過濾波電感L最大電流iLm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Uo大于輸入電壓Ui的二分之一，大于濾波輸入電壓uo的平均值Ua,；且輸出電流Io也大于流過濾波電感L最大電流iLm的二分之一,。

串聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電容的計(jì)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C的充,、放電過程進(jìn)行分析,，然后再對儲能濾波電容C的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

圖1-6是串聯(lián)式開關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)時(shí),，串聯(lián)式開關(guān)電源電路中各點(diǎn)電壓和電流的波形,。圖1-6中，Ui為電源的輸入電壓,，uo為控制開關(guān)K的輸出電壓,，Uo為電源濾波輸出電壓，iL為流過儲能濾波電感電流,，Io為流過負(fù)載的電流,。圖1-6-a）是控制開關(guān)K輸出電壓的波形；圖1-6-b）是儲能濾波電容C的充,、放電曲線圖,；圖1-6-c）是流過儲能濾波電感電流iL的波形。當(dāng)串聯(lián)式開關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)時(shí),，控制開關(guān)K的占空比D等于0.5,，流過負(fù)載的電流Io等于流過儲能濾波電感最大電流iLm的二分之一,。

在Ton期間，控制開關(guān)K接通,，輸入電壓Ui通過控制開關(guān)K輸出電壓uo ,，在輸出電壓uo作用下，流過儲能濾波電感L的電流開始增大,。當(dāng)作用時(shí)間t大于二分之一Ton的時(shí)候,，流過儲能濾波電感L的電流iL開始大于流過負(fù)載的電流Io ，所以流過儲能濾波電感L的電流iL有一部分開始對儲能濾波電容C進(jìn)行充電,，儲能濾波電容C兩端電壓開始上升,。

當(dāng)作用時(shí)間t等于Ton的時(shí)候，流過儲能濾波電感L的電流iL為最大,，但儲能濾波電容C的兩端電壓并沒有達(dá)到最大值,，此時(shí)，儲能濾波電容C的兩端電壓還在繼續(xù)上升,，因?yàn)?，流過儲能濾波電感L的電流iL還大于流過負(fù)載的電流Io ；當(dāng)作用時(shí)間t等于二分之一Toff的時(shí)候,，流過儲能濾波電感L的電流iL正好等于負(fù)載電流Io,，儲能濾波電容C的兩端電壓達(dá)到最大值，電容停止充電,，并開始從充電轉(zhuǎn)為放電,。

儲能濾波電容進(jìn)行放電時(shí),，電容兩端電壓是按指數(shù)曲線的速率變化

可以證明,，儲能濾波電容進(jìn)行充電時(shí)，電容兩端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(shí),，電容兩端電壓是按指數(shù)曲線的速率變化，這一點(diǎn)后面還要詳細(xì)說明,，請參考后面圖1-23,、圖1-24、圖1-25的詳細(xì)分析,。

圖1-6中,，電容兩端的充放電曲線是有意把它的曲率放大了的，實(shí)際上它們的變化曲率并沒有那么大,。因?yàn)閮δ転V波電感L和儲能濾波電容構(gòu)成的時(shí)間常數(shù)相對于控制開關(guān)的接通或關(guān)斷時(shí)間來說非常大（正弦曲線的周期：T = ）,，即：由儲能濾波電感L和儲能濾波電容組成諧振回路的諧振頻率，相對于開關(guān)電源的工作頻率來說,，非常低,，而電容兩端的充放電曲線變化范圍只相當(dāng)于正弦曲線零點(diǎn)幾度的變化范圍,，因此，電容兩端的充,、放電曲線基本上可以看成是直線,，這相當(dāng)于用曲率的平均值取代曲線曲率。同理,，圖1-3,、圖1-4、圖1-5中儲能濾波電容C的兩端電壓都可以看成是按直線變化的電壓,，或稱為電壓或電流鋸齒波,。

實(shí)際應(yīng)用中，一般都是利用平均值的概念來計(jì)算儲能濾波電容C的數(shù)值,。值得注意的是：濾波電容C進(jìn)行充,、放電的電流ic的平均值Ia正好等于流過負(fù)載的電流Io，因?yàn)?，在D等于0.5的情況下,，電容充、放電的時(shí)間相等,，只要電容兩端電壓的平均值不變,，其充、放電的電流必然相等,，并等于流過負(fù)載的電流Io。

濾波電容C的計(jì)算方法如下：

由圖1-6可以看出,，在控制開關(guān)的占空比D等于0.5的情況下,，電容器充、放電的電荷和充,、放電的時(shí)間,，以及正、負(fù)電壓紋波值均應(yīng)該相等,，并且電容器充電流的平均值也正好等于流過負(fù)載的電流,。因此，電容器充時(shí),，電容器存儲的電荷ΔQ為：

計(jì)算式

（1-17）和（1-18）式,，就是計(jì)算串聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電容的公式（D = 0.5時(shí)）。式中：Io是流過負(fù)載的電流,，T為控制開關(guān)K的工作周期,，ΔUP-P為輸出電壓的波紋。電壓波紋ΔUP-P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(shí)的電壓增量,，即：ΔUP-P = 2ΔUc ,。

順便說明，由于人們習(xí)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(fù)兩部分,，所以這里遵照習(xí)慣也把電容器充電或放電時(shí)的電壓增量分成兩部分，即：2ΔUc,。

同理,，（1-17）和（1-18）式的計(jì)算結(jié)果，只給出了計(jì)算串聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電容C的中間值,，或平均值,，對于極端情況可以在平均值的計(jì)算結(jié)果上再乘以一個(gè)大于1的系數(shù)。

當(dāng)儲能濾波電容的值小于（1-17）式的值時(shí),，串聯(lián)式開關(guān)電源濾波輸出電壓Uo的電壓紋波ΔUP-P會增大,，并且當(dāng)開關(guān)K工作的占空比D小于0.5時(shí)，由于流過儲能濾波電感L的電流iL出現(xiàn)不連續(xù),，電容器放電的時(shí)間大于電容器充電的時(shí)間,，因此，開關(guān)電源濾波輸出電壓Uo的電壓紋波ΔUP-P將顯著增大,。因此,，最好按（1-17）式計(jì)算結(jié)果的2倍以上來選取儲能濾波電容的參數(shù)。