1、开关电源原理与设计说明1本文档有 better 在创新网上摘抄整理，学习word 使用，如涉及版权，请及时删除。供大家学习使用。网友整里，感谢整里者的努力。开关电源原理与设计目录1一、 (连载 01)开关电源的基本工作原 理 .1二、 (连载 02)串联式开关电源输出电压滤波电路 .4三、 (连载 03)串联式开关电源储能滤波电感的计算 .10四、 (连载 04)串联式开关电源储能滤波电容的计算 .12五、 (连载 05)反转式串联开关电源 .16六、 (连载 06)反转式串联开关电源储能电感的计算 .21七、 (连载 07)反转式串联开关电源储能滤波电容的计算 .23八、 (连载 08)并联
2、式开关电源的工作原理 .25九、 (连载 09)并联式开关电源输出电压滤波电路 .28十、 (连载 10)并联开关电源储能电感的计算 .33十一、 (连载 11)单激式变压器开关电源 .36十二、 (连载 12)单激式变压器开关电源工作原理 .四十十三、 (连载 13)正激式变压器开关电源 .46十四、 (连载 14)正激式变压器开关电源的优缺点 .51十五、 (连载 15)正激式变压器开关电源电路参数的计算 .55十六、 (连载 16)正激式开关电源变压器参数的计算 .57十七、 (连载 17)正激式开关电源变压器初、次级线圈匝数比的计算 .60十八、 (连载 18)反激式变压器开关电源 p
3、art1 .62十九、 (连载 19)反激式变压器开关电源 part2 .66二十、 (连载 20)开关电源电路的过渡过程 part1 .70二十一、 (连载 21)开关电源电路的过渡过程 part2 .74二十二、 (连载 22)反激式变压器开关电源电路参数计算 .78二十三、 (连载 23)反激式开关电源变压器参数的计算 .81二十四、 (连载 24)反激式开关电源变压器初级线圈电感量的计算 .83二十五、 (连载 25)反激式变压器开关电源的优缺点 .86二十六、 (连载 26)双激式变压器开关电源 part1 .88二十七、 (连载 27)双激式变压器开关电源 part2 .92二十八
4、、 (连载 28)整流输出推挽式变压器开关电源 .99二十九、 (连载 29)推挽式变压器开关电源储能滤波电感、电容参数的计算 .106三十、 (连载 30)推挽式变压器开关电源储能滤波电容参数的计算 .110三十一、 (连载 31)推挽式开关电源变压器参数的计算 .112三十二、 (连载 32)推挽式开关电源的优缺点 .116三十三、 (连载 33)半桥式变压器开关电源 .119三十四、 (连载 34)交流输出半桥式变压器开关电源 part1 .122三十五、 (连载 35)交流输出半桥式变压器开关电源 part2 .126三十六、 (连载 36)交流输出单电容半桥式变压器开关电源 part
5、1 .131三十七、 (连载 37)交流输出单电容半桥式变压器开关电源 part2 .134三十八、 (连载 38)单电容半桥式变压器开关电源输出电压 .137三十九、 (连载 39)整流输出半桥式变压器开关电源 .142开关电源不能没有负载，或输出负载太轻。开关电源输出电压或功 144四十、 (连载 40)半桥式开关电源储能滤波电感、电容参数的计算 .146四十一、 (连载 41)半桥式开关电源变压器参数的计算 .149四十二、 (连载 42)半桥式变压器开关电源的优缺点 .152四十三、 (连载 43)全桥式变压器开关电源 .154开关电源原理与设计目录2四十四、 (连载 44)整流输出全
6、桥式变压器开关电源 .160四十五、 (连载 45)全桥式开关电源变压器参数的计算 .163四十六、 (连载 46)全桥式变压器开关电源的优缺点 .165四十七、 (连载 47)开关电源主要器件之开关电源变压器 .168四十八、 (连载 48)开关变压器的工作原理 .171四十九、 (连载 49)脉冲序列对单激式开关电源变压器铁芯的磁化 part1 .173五十、 (连载 50)脉冲序列对单激式开关电源变压器铁芯的磁化 part2 .176五十一、 (连载 51)变压器铁芯的初始磁化曲线 .180五十二、 (连载 52)单激式开关电源变压器的伏秒容量与初级线圈匝数的计算 .183五十三、 (连
7、载 53)单脉冲序列对双激式开关电源变压器铁心的磁化 .186五十四、 (连载 54)双激式开关电源变压器伏秒容量与初级线圈匝数的计算 .191五十五、 (连载 55)各种波形电源变压器初级线圈匝数的计算 .192五十六、 (连载 56)双激式开关电源变压器存在的风险 .195五十七、 (连载 57)开关电源变压器磁滞损耗分析-part1 .198五十八、 (连载 58)开关电源变压器磁滞损耗分析part2 201五十九、 (连载 59)开关电源变压器铁芯磁滞回线测量 part1 206六十、 (连载 60)开关电源变压器铁芯磁滞回线测量 part2 207六十一、 (连载 61)开关电源变压
8、器涡流损耗分析part1 212六十二、 (连载 62)开关电源变压器涡流损耗分析part2 218六十三、 (连载 63)开关电源变压器铁芯气隙的选取 .223六十四、 (连载 64)单激式变压器铁芯磁滞损耗、涡流损耗的测量 part1 .226六十五、 (连载 65)单激式变压器铁芯磁滞损耗、涡流损耗的测量 part2 .230六十六、 (连载 66)双激式变压器铁芯磁滞损耗、涡流损耗的测量 .234六十七、 (连载 67)变压器铁芯脉冲导磁率与平均导磁率的测量 .238六十八、 (连载 68)开关变压器的有效导磁率 .240六十九、 (连载 69)开关电源变压器的漏感 .243七十、 (
9、连载 70)线圈电感量的计算 part1 .248七十一、 (连载 71)线圈电感量的计算 part2 .251七十二、 (连载 72)开关电源变压器的分布电容 part1 .257七十三、 (连载 73)开关电源变压器的分布电容 part2 .260七十四、 (连载 74)漏感与分布电容对输出波形的影响 part1 .263七十五、 (连载 75)漏感与分布电容对输出波形的影响 part2 .265七十六、 (连载 76)漏感与分布电容对输出波形的影响 part3 .271七十七、 (连载 77)开关变压器伏秒容量的测量 part1 .276七十八、 (连载 78)开关变压器伏秒容量的测量
10、part2 .279七十九、 (连载 79)开关变压器伏秒容量的测量 .285八十、 (连载 80)开关变压器伏秒容量的意义 .291八十一、 (连载 81)开关变压器伏秒容量测量举例 .294八十二、 (连载 82)开关变压器伏秒容量测量举例 part2 .298八十三、 (连载 83)开关变压器的消磁方法 .301开关电源原理与设计-开关电源的基本工作原理(01)1一、 (连载 01)开关电源的基本工作原理星期二, 04/14/2009 - 14:46 陶显芳 因为近日很多人在向我咨询有关开关电源设计知识，这里将我撰写的开关电源原理与设计一书在电子创新网上首发，希望给设计开关电源的工程师朋
11、友一点帮助，我会以连载的形式发布此书，欢迎提出改进建议！第一章 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
12、：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、变压器式等三种最基本的开关电源工作原理进行简单介绍，其
13、它种类的开关电源也将逐步进行详细分析。开关电源原理与设计-开关电源的基本工作原理(01)21-2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最简单工作原理图，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 u
14、o 。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：开关电源原理与设计-开关电源的基本工作原理(01)3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，
15、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。开关电源原理与设计-串联式开关电源输出电压滤波电路(02)4二、 (连载 02)串联式开关电源输出电压滤波电路星期三, 04/15/2009 - 10:36 陶显芳 1-2-2串联式开关电源输出电压
16、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
17、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。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 型滤波电路，它的作用是把脉
18、动直流电压通过平滑滤波输出其平均值。开关电源原理与设计-串联式开关电源输出电压滤波电路(02)5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 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。开关电源原理与设计-串联式开关电源输出电压滤波电路(02)6开关电源原理与
19、设计-串联式开关电源输出电压滤波电路(02)7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 U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
20、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：开关电源原理与设计-串联式开关电源输出电压滤波电路(02)8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：iLm =(Ui-Uo)Ton/L + i(0) K 关断前瞬间 (1-6)在 To
21、ff 期间，控制开关 K 关断，储能电感 L 把磁能转化成电流 iL，通过整流二极管 D 继续向负载R 提供能量，在此期间储能滤波电感 L 两端的电压 eL 为：eL = Ldi/dt = Uo K 关断期间 (1-7)式中Uo 前的负号，表示 K 关断期间电感产生电动势的方向与 K 接通期间电感产生电动势的方向正好相反。对(1-7)式进行积分得： K 关断期间 (1-8)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
22、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：开关电源原理与设计-串联式开关电源输出电压滤波电路(02)9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
23、 的电流上升率为 Ui-Uo/L： ；在 K 关断期间，流过储能电感 L 的电流上升率为： -Uo/L因此：(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，
24、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
25、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开关电源原理与设计-串联式开关电源储能滤波电感的计算(03)10三、 (连载 03)串联式开关电源储能滤波电感的计算星期四, 04/16/2009 - 09:14 陶显芳 1-2-3串联式开关电源储能滤波电感 的计算从上面分析可知，串联式开关电源输出电压 Uo 与控制开关的占空比 D 有关，还与储能电感 L 的大小有关，因为储能电感 L 决定电流的上升率(di/dt)，即输出电流的大小。因此，正确选择储能电感的参数相当重要。串联式开关电源最好工作于临界连续电流状态，或连续电流状态。串联式开关电源工作于临界
26、连续电流状态时，滤波输出电压 Uo 正好是滤波输入电压 uo 的平均值 Ua，此时，开关电源输出电压的调整率为最好，且输出电压 Uo 的纹波也不大。因此，我们可以从临界连续电流状态着手进行分析。我们先看(1-6)式：iLm =(Ui-Uo)/L *Ton + i(0) K 关断前瞬间 (1-6)当串联式开关电源工作于临界连续电流状态时，即 D = 0.5 时，i(0) = 0，iLm = 2 Io，因此，(1-6)式可以改写为：2Io = Uo/2L *T K 关断前瞬间 (1-12)式中 Io 为流过负载的电流(平均电流)，当 D = 0.5 时，其大小正好等于流过储能电感 L 最大电流iL
27、m 的二分之一； T 为开关电源的工作周期，T 正好等于 2 倍 Ton。由此求得：L = Uo/4Io *T D = 0.5 时 (1-13)或：L Uo/4Io *T =Ui/2Io*T D = 0.5 时 (1-14)(1-13)和(1-14)式，就是计算串联式开关电源储能滤波电感 L 的公式(D = 0.5 时)。(1-13) 和(1-14)式的计算结果，只给出了计算串联式开关电源储能滤波电感 L 的中间值，或平均值，对于极端情况可以在平均值的计算结果上再乘以一个大于 1 的系数。开关电源原理与设计-串联式开关电源储能滤波电感的计算(03)11如果增大储能滤波电感 L 的电感量，滤波输
28、出电压 Uo 将小于滤波输入电压 uo 的平均值 Ua，因此，在保证滤波输出电压 Uo 为一定值的情况下，势必要增大控制开关 K 的占空比 D，以保持输出电压Uo 的稳定；而控制开关 K 的占空比 D 增大，又将会使流过储能滤波电感 L 的电流 iL 不连续的时间缩短，或由电流不连续变成电流连续，从而使输出电压 Uo 的电压纹波 UP-P进一步会减小，输出电压更稳定。如果储能滤波电感 L 的值小于(1-13)式的值，串联式开关电源滤波输出的电压 Uo 将大于滤波输入电压 uo 的平均值 Ua，在保证滤波输出电压 Uo 为一定值的情况下，势必要减小控制开关 K 的占空比 D，以保持输出电压 Uo
29、 的值不变；控制开关 K 的占空比 D 减小，将会使流过滤波电感 L 的电流iL 出现不连续，从而使输出电压 Uo 的电压纹波 UP-P增大，造成输出电压不稳定。由此可知，调整串联式开关电源滤波输出电压 Uo 的大小，实际上就是同时调整流过滤波电感 L 和控制开关 K 占空比 D 的大小。由图 1-4 可以看出：当控制开关 K 的占空比 D 小于 0.5 时，流过滤波电感 L 的电流 iL 出现不连续，输出电流 Io 小于流过滤波电感 L 最大电流 iLm 的二分之一，滤波输出电压 Uo 的电压纹波 UP-P将显著增大。因此，串联式开关电源最好不要工作于图 1-4 的电流不连续状态，而最好工作
30、于图 1-3 和图 1-5 表示的临界连续电流和连续电流状态。串联式开关电源工作于临界连续电流状态，输出电压 Uo 等于输入电压 Ui 的二分之一，等于滤波输入电压 uo 的平均值 Ua；且输出电流 Io 也等于流过滤波电感 L 最大电流 iLm 的二分之一。串联式开关电源工作于连续电流状态，输出电压 Uo 大于输入电压 Ui 的二分之一，大于滤波输入电压 uo 的平均值 Ua；且输出电流 Io 也大于流过滤波电感 L 最大电流 iLm 的二分之一。开关电源原理与设计-串联式开关电源储能滤波电容的计算(04)12四、 (连载 04)串联式开关电源储能滤波电容的计算星期五, 04/17/2009
31、 - 13:55 陶显芳 1-2-4串联式开关电源储能滤波电容的计算我们同样从流过储能电感的电流为临界连续电流状态着手，对储能滤波电容 C 的充、放电过程进行分析，然后再对储能滤波电容 C 的数值进行计算。图 1-6 是串联式开关电源工作于临界连续电流状态时，串联式开关电源电路中各点电压和电流的波形。图 1-6 中，Ui 为电源的输入电压，uo 为控制开关 K 的输出电压，Uo 为电源滤波输出电压，iL 为流过储能滤波电感电流，Io 为流过负载的电流。图 1-6-a)是控制开关 K 输出电压的波形；图 1-6-b)是储能滤波电容 C 的充、放电曲线图；图 1-6-c)是流过储能滤波电感电流 i
32、L 的波形。当串联式开关电源工作于临界连续电流状态时，控制开关 K 的占空比 D 等于 0.5，流过负载的电流 Io 等于流过储能滤波电感最大电流 iLm 的二分之一。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 ，在输出电压 uo 的作用下，流过储能滤波电感 L 的电流开始增大。当作用时间 t 大于二分之一 Ton 的时候，流过储能滤波电感 L 的电流 iL 开始大于流过负载的电流 Io ，所以流过储能滤波电感 L 的电流 iL 有一部分开始对储能滤波电容 C 进行充电，储能滤波电容 C 的两端电压开始上升。开关电源原理与设计-串联式开关电源储能滤波
33、电容的计算(04)13当作用时间 t 等于 Ton 的时候，流过储能滤波电感 L 的电流 iL 为最大，但储能滤波电容 C 的两端电压并没有达到最大值，此时，储能滤波电容 C 的两端电压还在继续上升，因为，流过储能滤波电感 L 的电流 iL 还大于流过负载的电流 Io ；当作用时间 t 等于二分之一 Toff 的时候，流过储能滤波电感 L 的电流 iL 正好等于负载电流 Io，储能滤波电容 C 的两端电压达到最大值，电容停止充电，并开始从充电转为放电。可以证明，储能滤波电容进行充电时，电容两端的电压是按正弦曲线的速率变化，而储能滤波电容进行放电时，电容两端的电压是按指数曲线的速率变化，这一点后
34、面还要详细说明，请参考后面图1-23、图 1-24、图 1-25 的详细分析。开关电源原理与设计-串联式开关电源储能滤波电容的计算(04)14图 1-6 中，电容两端的充放电曲线是有意把它的曲率放大了的，实际上它们的变化曲率并没有那么大。因为储能滤波电感 L 和储能滤波电容构成的时间常数相对于控制开关的接通或关断时间来说非常大(正弦曲线的周期：(1-17)和(1-18)式，就是计算串联式开关电源储能滤波电容的公式(D = 0.5 时)。式中：Io 是流过负载的电流，T 为控制开关 K 的工作周期，UP-P 为输出电压的波纹。电压波纹 UP-P一般都取峰-峰值，所以电压波纹正好等于电容器充电或放
35、电时的电压增量，即：UP-P = 2Uc 。顺便说明，由于人们习惯上都是以输出电压的平均值为水平线，把电压纹波分成正负两部分，所以开关电源原理与设计-串联式开关电源储能滤波电容的计算(04)15这里遵照习惯也把电容器充电或放电时的电压增量分成两部分，即：2Uc。同理，(1-17)和(1-18)式的计算结果，只给出了计算串联式开关电源储能滤波电容 C 的中间值，或平均值，对于极端情况可以在平均值的计算结果上再乘以一个大于 1 的系数。当储能滤波电容的值小于(1-17)式的值时，串联式开关电源滤波输出电压 Uo 的电压纹波 UP-P会增大，并且当开关 K 工作的占空比 D 小于 0.5 时，由于流
36、过储能滤波电感 L 的电流 iL 出现不连续，电容器放电的时间大于电容器充电的时间，因此，开关电源滤波输出电压 Uo 的电压纹波 UP-P将显著增大。因此，最好按(1-17)式计算结果的 2 倍以上来选取储能滤波电容的参数。开关电源原理与设计-反转式串联开关电源(05)16五、 (连载 05)反转式串联开关电源星期日, 04/19/2009 - 01:04 陶显芳 1-3反转式串联开关电源1-3-1反转式串联开关电源的工作原理图 1-7 是另一种串联式开关电源，一般称为反转式串联开关电源。这种反转式串联开关电源与一般串联式开关电源的区别是，这种反转式串联开关电源输出的电压是负电压，正好与一般串
37、联式开关电源输出的正电压极性相反；并且由于储能电感 L 只在开关 K 关断时才向负载输出电流，因此，在相同条件下，反转式串联开关电源输出的电流比串联式开关电源输出的电流小一倍。在一般电路中大部分都是使用单极性电源，但在一些特殊场合，有时需要两组电源，其中一组为负电源。因此，选用图 1-7 所示的反转式串联开关电源作为负电源是很方便的。图 1-7 中，Ui 为输入电源，K 为控制开关，L 为储能电感，D 为整流二极管，C 为储能滤波电容，R 为负载电阻。当控制开关 K 接通的时候，输入电源 Ui 开始对储能电感 L 加电，流过储能电感 L的电流开始增加，同时电流在储能电感中也要产生磁场；当控制开
38、关 K 由接通转为关断的时候，储能电感会产生反电动势，使电流继续流动，并通过整流二极管 D 进行整流，再经电容储能滤波，然后向负载 R 提供电流输出。控制开关 K 不断地反复接通和关断过程，在负载 R 上就可以得到一个负极性的电压输出。开关电源原理与设计-反转式串联开关电源(05)17开关电源原理与设计-反转式串联开关电源(05)18图 1-8、图 1-9、图 1-10 分别是控制开关 K 的占空比 D 等于 0.5、 0.5 时，图 1-7 电路中几个关键点的电压和电流波形。图 1-8-a)、图 1-9-a)、图 1-10-a)分别为控制开关 K 输出电压 uo 的波形；图 1-8-b)、图
39、 1-9-b)、图 1-10-b)分别为储能滤波电容两端电压 uc 的波形；图 1-8-c)、图 1-9-c)、图 1-10-c)分别为流过储能电感 L 电流 iL 的波形。应该特别注意的是，图 1-8-c)、图1-9-c)、图 1-10-c)中的电流波形按原理应该取负值，但取负值后与前面图 1-5 与图 1-6 对比反而觉得不好对比和分析，因此，当进行具体计算时，一定要注意电流和电压的方向。在开关接通 Ton 期间，控制开关 K 接通，电源 Ui 开始对储能电感 L 供电，在此期间储能电感 L 两端的电压 eL 为：eL = Ldi/dt = Ui K 接通期间 (1-19)对(1-19)式
40、进行积分得：式中 iL 为流过储能电感 L 电流的瞬时值，t 为时间变量；i(0)为的初始电流，即：控制开关 K 接通开关电源原理与设计-反转式串联开关电源(05)19瞬间之前，流过储能电感 L 中的电流。当开关电源工作于临界连续电流状态时，i(0) = ，由此可以求得流过储能电感 L 的最大电流为：iLm =Ui/L *Ton K 关断前瞬间 (1-21)在开关关断 Toff 期间，控制开关 K 关断，储能电感 L 把电流 iLm 转化成反电动势，通过整流二极管 D 继续向负载 R 提供能量，在此期间储能电感 L 两端的电压 eL 为：eL = Ldi/dt = Uo K 关断期间 (1-2
41、2)式中Uo 前的负号，表示 K 关断期间电感产生电动势的方向与 K 接通期间电感产生电动势的方向正好相反。对(1-22)式进行积分得：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(1-23) 式中的 i(Ton+)就是(1-21)式中的 iLm，即：i(Ton+) = iLm K 关断前瞬间 (1-24)因此，(1-9)式可以改写为：iL =( Uo/L) *t + iLm K 关断期间 (1-25)当 t = Toff 时 i
42、L 达到最小值。其最小值为：iLX = (Uo/L)*Toff + iLm K 接通前瞬间 (1-26)反转式串联开关电源输出电压一般为负脉冲的幅值。当开关电源工作于临界连续电流状态时，流过储能电感的初始电流 i(0)等于 0(参看图 1-8-a)，即：(1-26)式中流过储能电感电流的最小值 iLX等于 0。因此，由(1-21) 和(1-26) 式，可求得反转式串联开关电源输出电压 Uo 为：开关电源原理与设计-反转式串联开关电源(05)20由(1-27)式可以看出，反转式串联开关电源输出电压与输入电压与开关接通的时间成正比，与开关关断的时间成反比。另外，从图 1-8 可以看出，由于反转式串
43、联开关电源，仅当控制开关 K 关断期间才产生反电动势向负载提供能量。因此，当占空比为 0.5 时，输出电流的平均值 Io 为流过储能电感电流最大值的四分之一；当占空比小于 0.5 时，输出电流的平均值 Io 小于流过储能电感电流最大值的四分之一(图 1-9)；当占空比大于 0.5 时，输出电流的平均值 Io 大于流过储能电感电流最大值的四分之一(图 1-10)。开关电源原理与设计-反转式串联开关电源储能电感的计算(06)21六、 (连载 06)反转式串联开关电源储能电感的计算星期一, 04/20/2009 - 11:02 陶显芳 1-3-2反转式串联开关电源储能电感的计算反转式串联开关电源储能
44、电感的计算方法与前面“串联式开关电源储能滤波电感的计算 ”方法基本相同，计算反转式串联开关电源中储能电感的数值，也是从流过储能电感的电流为临界连续电流状态进行分析。但须要特别注意，反转式串联开关电源中的储能电感仅在控制开关 K 关断期间才产生反电动势向负载提供能量，因此，流过负载的电流比串联式开关电源流过负载的电流小一倍，即：当占空比小于 0.5 时，反转式串联开关电源中流过负载 R 的电流 Io 只有流过储能电感 L 最大电流 iLm 的四分之一。根据(1-21)式：iLm =Ui*Ton/L K 关断前瞬间 (1-21)(1-21)式可以改写为：4Io = Ui*T/2L K 关断前瞬间
45、(1-28)式中 Io 为流过负载的电流，当 D = 0.5 时，其大小等于最大电流 iLm 的四分之一；T 为开关电源的工作周期，T 正好等于 2 倍 Ton。由此求得：L = Ui*T/8Io D = 0.5 时 (1-29)或：L Ui*T/8Io D = 0.5 时 (1-30)(1-29)和(1-30)式，就是计算反转式串联开关电源中储能电感的公式。同理，(1-29)和(1-30)式的计算结果，只给出了计算反转式串联开关电源储能滤波电感 L 的中间值，或平均值，对于极端情况可以在平均值的计算结果上再乘以一个大于 1 的系数。开关电源原理与设计-反转式串联开关电源储能电感的计算(06)
46、22当储能电感 L 的值小于(1-29)式的值时，流过滤波电感 L 的电流上升率将增大，如果流过滤波电感L 的电流 iL 为连续电流，输出电压 Uo 将会升高；如果为了维持滤波输出电压 Uo 不变，则必须要把控制开关 K 占空比 D 减小，但占空比 D 的减小将会使流过储能电感的电流 iL 出现不连续，从而使滤波输出电压 Uo 的电压纹波增大。如果流过滤波电感 L 的电流 iL 不是连续电流，储能电感 L 的减小，将会使流过储能电感的电流 iL不连续的时间变长，电源滤波输出电压 Uo 不但不会升高，反而会使反转式串联开关电源滤波输出电压 Uo 的电压纹波显著增大。当储能滤波电感 L 的值大于(
47、1-29)式的值时，流过储能电感 L 的电流上升率将减小，输出电压 Uo将降低，但滤波输出电压 Uo 的电压纹波显著减小；如果为了维持电源滤波输出电压 Uo 不变，控制开关 K 必须要把占空比 D 增大，而占空比 D 的增大又会使流过储能电感的电流 iL 不连续的时间缩短，或由电流不连续变成电流连续，从而使电源滤波输出电压 Uo 的电压纹波降低。开关电源原理与设计-反转式串联开关电源储能滤波电容的计算(07)23七、 (连载 07)反转式串联开关电源储能滤波电容的计算星期二, 04/21/2009 - 10:36 陶显芳 1-3-3反转式串联开关电源储能滤波电容的计算反转式串联开关电源储能滤波
48、电容参数的计算，与串联式开关电源储能滤波电容的计算方法基本相同。但要注意，即使是在占空比 D 等于 0.5 的情况下，滤波电容器充、放电的时间都不相等，滤波电容器充电的时间小于半个工作周期，而电容器放电的时间则大于半个工作周期，但电容器充、放电的电荷是相等的，即电容器充电时的电流大于放电时的电流。这是整流滤波电路的普遍规律。从图 1-8 可以看出，在占空比 D 等于 0.5 的情况下，电容器充电的时间为 3T/8 ，电容充电电流的平均值为 3iLm/8 或 3Io/2 ；而电容器放电的时间为 5T/8，电容放电电流的平均值为 0.9 Io。因此有：开关电源原理与设计-反转式串联开关电源储能滤波
49、电容的计算(07)24式中 Q为电容器充电的电荷，Io 流过负载的平均电流，T 为工作周期。电容充电时，电容两端的电压由最小值充到最大值(绝对值) ，相应的电压增量为 2Uc，由此求得电容器两端的波纹电压UP-P为：(1-33)和(1-34)式，就是计算反转式串联开关电源储能滤波电容的公式(D = 0.5 时)。式中：Io是流过负载电流的平均值，T 为开关工作周期，UP-P 为滤波输出电压的波纹，或电压纹波。一般波纹电压都是取电压增量的峰-峰值，因此，当 D = 0.5 时，波纹电压等于电容器充电的电压增量，即：UP-P = 2Uc 。同理，(1-33)和(1-34)式的计算结果，只给出了计算反转式串联开关电源储能滤波电容 C 的中间值，或平均值，对于极端情况可以在平均值的计算结果上再乘以一个大于 1 的系数。当开关 K 的占空比 D 小于 0.5 时，由于流过储能滤波电感 L 的电流会不连续，电容器放电的时间将远远大于电容器充电的时间，因此，开关电源滤波输出电压的纹波将显著增大。另外，开关电源的负载一般也
