1-2-2．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,。

    圖1-2是在圖1-1-a電路的基礎(chǔ)上，增加了一個整流二極管和一個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,，它是一個典型的反г 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，圖1-2電路中幾個關(guān)鍵點的電壓和電流波形,。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,。

    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：

    eL = Ldi/dt = Ui – Uo —— K接通期間 （1-4）

    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，必須需要建立微分方程,，并求解,。因為輸出電壓Uo的建立需要一定的時間,，精確計算得出的結(jié)果中一般都含有指數(shù)函數(shù)項，當(dāng)令時間變量等于無窮大時,，即電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時,，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：

    式中i（0）為控制開關(guān)K轉(zhuǎn)換瞬間（t = 0時刻）,，即：控制開關(guān)K剛接通瞬間流過電感L的電流，或稱流過電感L的初始電流,。
    當(dāng)控制開關(guān)K由接通期間Ton突然轉(zhuǎn)換到關(guān)斷期間Toff的瞬間,，流過電感L的電流iL達(dá)到最大值：
iLm =(Ui-Uo)Ton/L + i(0) —— K關(guān)斷前瞬間 （1-6）
    在Toff期間，控制開關(guān)K關(guān)斷,，儲能電感L把磁能轉(zhuǎn)化成電流iL,，通過整流二極管D繼續(xù)向負(fù)載R提供能量，在此期間儲能濾波電感L兩端的電壓eL為：

    eL = Ldi/dt = – Uo —— K關(guān)斷期間 （1-7）

    式中–Uo前的負(fù)號,，表示K關(guān)斷期間電感產(chǎn)生電動勢的方向與K接通期間電感產(chǎn)生電動勢的方向正好相反,。對（1-7）式進(jìn)行積分得：

—— K關(guān)斷期間 （1-8）

    式中i（Ton+）為控制開關(guān)K從Ton轉(zhuǎn)換到Toff的瞬間之前流過電感的電流，i（Ton+）也可以寫為i（Toff-）,，即：控制開關(guān)K關(guān)斷或接通瞬間,，之前和之后流過電感L的電流相等。實際上（1-8）式中的i（Ton+）就是（1-6）式中的iLm,，即：

    上面計算都是假設(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,，工程計算中完全可以忽略不計。
    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，在K接通和關(guān)斷的整個周期內(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Ui-Uo/L： ；在K關(guān)斷期間,，流過儲能電感L的電流上升率為： -Uo/L
因此：
    （1）當(dāng)Ui = 2Uo時,，即濾波輸出電壓Uo等于電源輸入電壓Ui的一半時，或控制開關(guān)K的占空比D為二分之一時，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,，（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,，即：濾波輸出電壓Uo小于電源輸入電壓Ui的一半時,，或控制開關(guān)K的占空比小于二分之一時：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,，（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，即：濾波輸出電壓Uo大于電源輸入電壓Ui的一半時,，或控制開關(guān)K的占空比大于二分之一時：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。