主回路-开关电源的分析

随着各种技术的发展，主回路-开关电源在各个产品中应用。主回路-开关电源中，功率电流流经的通路。主回路一般包含了开关电源中的开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器、等所有功率器件，以及供电输入端和负载端。开关电源1是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间

开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。

1. 非隔离式电路的类型：

非隔离--输入端与输出端电气相通，没有隔离。

1.1. 串联式结构

串联--在主回路中开关器件(下图中所示的开关三极管T)与输入端、输出端、电感器L、负载RL四者成串联连接的关系。

开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T及电感器L对负载供电，并同时对电感器L充电，对负载R继续供电，从而保证了负载端获得连续的电流。

上图是在图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，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T和输入电压Ui,它是一个典型的反г 型滤波电路，它的作用是把脉动直流电压通过平滑滤波输出其平均值。

串联式开关电源输出电压uo的平均值Ua为：

1.2. 并联式结构

并联--在主回路中，相对于输入端而言，开关器件与输出端负载成并联连接的关系。

开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T对电感器L充电，同时续流二极管D关断，负载R靠电容器存储的电能供电;当开关管T关断时，续流二极管D导通，输入端电源电压与电感器L中的自感电动势正向叠加后，通过续流二极管D对负载R供电，并同时对电容器C充电。

由此可见，并联式结构中，可以获得高于输入电压的输出电压，因此为升压式变换。并且为了获得连续的负载电流，并联结构比串联结果对输出滤波电容C的容量有更高的要求。例如boots拓扑型的开关电源就是属于并联型式的开关电源。

并联开关电源输出电压Uo为：

boots拓扑输出电压Uo:Uo=Ui(1+D/1-D)=Ui(1/1-D)(D 为占空比)

1.3.极性反转型变换器结构(inverting)

极性反转--输出电压与输入电压的极性相反。电路的基本结构特征是：在主回路中，相对于输入端而言，电感器L与负载成并联。(也是串联式开关电源的一种，一般又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，正好与一般串联式开关电源输出的正电压极性相反;并且由于储能电感能产生电感作用的元件统称为电感原件，常常直接简称为电感。电感器在电子制作中虽然使用得不是很多，但它们在电路中同样重要。我们认为电感器和电容器一样，也是一种储能元件，它能把电能转变为磁场能，并在磁场中储存能量。

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。

开关管T交替工作于通/断两种状态，工作过程与并联式结构相似，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T对电感器L充电，同时续流二极管D关断，并同时对电容器C充电;由于续流二极管D的反向极性，使输出端获得相反极性的电压输出。

反转式串联开关电源输出电压Uo为：

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。

2. 隔离式电路的类型：

隔离--输入端与输出端电气不相通，通过脉冲变压器的磁偶合方式传递能量，输入输出完全电气隔离。

2.1. 单端正激式 single Forward Converte

r(又叫单端正激式变压器开关电源 )

单端--通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器; [p]

正激式：就是只有在开关管导通的时候，能量才通过变压器或电感向负载释放，当开关关闭的时候，就停止向负载释放能量。目前属于这种模式的开关电源有：串联式开关电源，buck拓扑结构开关电源，激式变压器开关电源、推免式、半桥式、全桥式都属于正激式模式。

反激式：就是在开关管导通的时候存储能量，只有在开关管关断的时候释放才向负载释放能量。属于这种模式的开关电源有：并联式开关电源、boots、极性反转型变换器、反激式变压器开关电源。

正激变压器--脉冲变压器的原/付边相位关系，确保在开关管导通，驱动脉冲变压器原边时，变压器付边同时对负载供电。

所谓正激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正在被直流电压激励时，变压器的次级线圈正好有功率输出。

U1是开关电源的输入电压，N是开关变压器，T是控制开关，L是储能滤波电感，C是储能滤波电容，D2是续流二极管，D3是削反峰二极管，RL是负载电阻。

在上图中，需要特别注意的是开关变压器初、次级线圈的同名端。如果把开关变压器初线圈或次级线圈的同名端弄反，上图就不再是正激式变压器开关电源了

该电路的最大问题是：开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管关断时，脉冲变压器处于"空载"状态，其中储存的磁能将被积累到下一个周期，直至电感器饱和，使开关器件烧毁。图中的D3与N3构成的磁通复位电路，提供了泄放多余磁能的渠道。

2.2. 单端反激式 Single F1yback Converter(单端反激式变压器开关电源)

所谓反激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。

反激式电路与正激式电路相反，脉冲变压器的原/付边相位关系，确保当开关管导通，驱动脉冲变压器原边时，变压器付边不对负载供电，即原/付边交错通断。从电路原理图上看，反激式与正激式很相象，表面上只是变压器同名端的区别，但电路的工作方式不同，D3、N3的作用也不同。

反激式变压器开关电源的输出电压为：

(1-110)式中，Uo为反激式变压器开关电源的输出电压，Ui变压器初级线圈输入电压，D为控制开关的占空比，n为变压器次级线圈与初级线圈的匝数比。

2.3. 推挽 Push pull (变压器中心抽头)式

这种电路结构的特点是：对称性结构，脉冲变压器原边是两个对称线圈，两只开关管接成对称关系，轮流通断，工作过程类似于线性放大电路中的乙类推挽功率放大器。

主要优点：高频变压器磁芯利用率高(与单端电路相比)、电源电压利用率高(与后面要叙述的半桥电路相比)、输出功率大、两管基极均为低电平，驱动电路简单。

主要缺点：变压器绕组利用率低、对开关管的耐压要求比较高(至少是电源电压的两倍)。

2.4. 全桥式 Full Bridge Converter

这种电路结构的特点是：由四只相同的开关管接成电桥结构驱动脉冲变压器原边。

图中T1、T4为一对，由同一组信号驱动，同时导通/关端;T2、T3为另一对，由另一组信号驱动，同时导通/关端。两对开关管轮流通/断，在变压器原边线圈中形成正/负交变的脉冲电流。

主要优点：与推挽结构相比，原边绕组减少了一半，开关管耐压降低一半。

主要缺点：使用的开关管数量多，且要求参数一致性好，驱动电路复杂，实现同步比较困难。这种电路结构通常使用在1KW以上超大功率开关电源电路中。

2.5. 半桥式 Half Bridge Converter

电路的结构类似于全桥式，只是把其中的两只开关管(T3、T4)换成了两只等值大电容C1、C2.

主要优点：具有一定的抗不平衡能力，对电路对称性要求不很严格;适应的功率范围较大，从几十瓦到千瓦都可以;开关管耐压要求较低。这种电路常常被用于各种非稳压输出的DC变换器，如电子荧光灯驱动电路中。