開關(guān)電源的基本工作原理(一)
發(fā)布時(shí)間:2009-04-22
編者按:此系列文章是陶顯芳老師撰寫的《開關(guān)電源工作原理與設(shè)計(jì)》一書的部分內(nèi)容,陶老師因?yàn)楣ぷ鞣泵Γ珪形赐旮?,這是該書的第一章。陶老師在授權(quán)電子元件技術(shù)網(wǎng)發(fā)表的時(shí)候特別指出:希望工程師朋友閱讀過后多提寶貴意見,陶老師將參考大家的意見和建議完善這本書的寫作。謝謝大家的支持和閱讀!
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(chǎng)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(duì)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(dòng)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(jiǎn)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(duì)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(jiǎn)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(jiǎn)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:
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:
或
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(jiǎn)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(dòng)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(duì)人身不安全。
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(chǎng)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(duì)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(dòng)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(jiǎn)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(duì)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(jiǎn)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(jiǎn)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:
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:
或
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(jiǎn)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(dòng)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(duì)人身不安全。
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