开关电源原理与设计（连载二十一）开关电源电路的过渡过程

图1-24是把储能滤波电容器进行充电的时间全部拼凑在一起时，储能滤波电容器按正弦曲线进行充电的电压波形。我们可以把图1-24看成储能滤波电容器刚好用了6个工作周期就把电压充到最大值，其中，T1、T2、…T6分别代表Toff1、Toff2、…Toff6。Toff1代表工作开关第一次关断时间，其它依次类推。储能滤波电容器充满电后，由于整流二极管的作用，它不可能向变压器的次级线圈放电，因此，T6以后的正弦曲线不可能再继续发生。

这里必须指出，图1-24所示的电压波形在现实中是不存在的，因为，图1-24中的电压波形在时间轴上是不连续的，这里只是为了便于分析，把工作开关的接通时间Ton全部进行压缩了。

在实际应用中，储能滤波电容器不可能刚好用6个工作周期就可以把电压被充电到最大值，一般都要经过好十几个周期后，储能滤波电容器两端的电压才能被充电到最大值。例如：设变压器次级线圈的电感量为10微亨，储能滤波电容的容量为1000微法，由此可求得：ω = 10000，或F = 1592Hz，T = 628微秒，四分之一周期为157微秒;设开关电源的工作频率为40kHz，D = 0.5，由此可求得，T = 25微秒，半个周期为12.5微秒;最后我们可以求得，需要经过12.56个工作周期，即314微秒后，储能滤波电容才能充满电。

上面的结果，还没有考虑负载电流对储能滤波电容充电的影响。由于负载电流会对储能滤波电容充电产生分流，使电容充电速度变慢;另外，反激式开关电源的占空比一般都小于0.5，会使变压器次级线圈输出电流产生断流，如果把这些因素全部都考虑进去，储能滤波电容充满电所需要的时间要比上面计算结果大好几倍。

另外，反激式开关电源的占空比是根据输出电压的高低不断地改变的。在进行开关电源电路设计的时候，一定要注意，开关电源在输入电源刚接通时候，由于开关电源刚开始工作的时候，储能滤波电容器刚开始充电，电路会产生过渡过程;在输入电源刚接通的瞬间，储能滤波电容器两端的电压很低，输出电压也很低，通过取样控制电路的作用，可能会使工作开关的占空比很大，从而会使变压器铁心饱和，电源开关管过流或过压而损坏。

为了分析简单，在图1-23和图1-24中，都没有把负载电流的作用考虑进去，如果考虑负载电流的作用，电容器进行充电时电压上升率会降低，同时在开关接通期间，因电容器要向负载放电，电容器两端的电压也会下降。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。

为了证明电容两端的电压是按指数曲线的速率变化，我们对图1-19中的电容充放电过程进一步进行分析。当开关接通时，由于变压器次级线圈输出电压极性相反使整流二极管反偏截止，储能滤波电容开始对负载放电，电容放电电流由下式决定：

其中a为任意常数，当t = 0时，电容两端的电压为Uc，为此求得：

(1-115)式就是计算电容器放电时的公式，其中 μc为电容器两端的电压， Uc为电容刚放电时的初始电压，RC为时间常数，时间常数一般都用τ来表示，即τ = RC。

图1-25是电容器放电时的电压变化曲线图。电容放电时，电压由最大值开始下降，当放电时间为τ时，电容器两端的电压仅剩37%，当放电时间为2.3τ时，电容器两端的电压仅剩10%，当放电时间为无穷大时，电容器两端的电压为0。但在实际应用中，开关电源的工作频率一般都很高，即电容器的放、电时间非常短，因此，电容器每次放电下降的电压相对来说非常小，电压纹波相对于输出电压只有百分之几，因为储能滤波电容的容量一般都很大。

这里顺便指出，开关电源储能滤波电容的充、放电时间常数一般都很大，是开关电源工作频率周期的几十倍，乃至几百倍，因此，储能滤波电容或是按正弦曲线规律充电，或是按指数规律放电，我们都可以把它当成是按线性(直线)规律充、放电。因为，正弦曲线或指数曲线在初始阶段的曲率变化非常小。所以，前面在对开关电源的电路参数进行分析时，基本上都是采用平均值的概念进行分析，并且把波形基本上也都画成方波(矩形)或锯齿形。

采用平均值的方法来对很复杂的问题进行分析，往往可以使复杂问题简单化，这对于工程设计或计算来说是非常简便的，并且分析或计算结果对于工程应用来说已经足够准确，因此，我们后面主要都是采用这种简便方法。