1-1．幾種基本類型的開關電源

顧名思義
，開關電源就是利用電子開關器件（如晶體管、場效應管、可控矽閘流管等），通過控製電路，使電子開關器件不停地“接通”和“關斷”，讓電子開關器件對輸入電壓進行脈衝調製
，從而實現DC/AC
、DC/DC電壓變換
，以及輸出電壓可調和自動穩壓等功能。

開關電源一般有三種工作模式：頻率
、脈衝寬度固定模式
，頻率固定
、脈衝寬度可變模式，頻率
、脈衝寬度可變模式。前一種工作模式多用於DC/AC逆變電源
，或DC/DC電壓變換；後兩種工作模式多用於開關穩壓電源。另外，開關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（或半波平均值）輸出電壓方式。同樣
，前一種工作方式多用於DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換；後兩種工作方式多用於開關穩壓電源。

根據開關器件在電路中連接的方式
，目前比較廣泛使用的開關電源，大體上可分為：串聯式開關電源、並聯式開關電源、變壓器式開關電源等三大類。其中
，變壓器式開關電源（後麵簡稱變壓器開關電源）還可以進一步分成：單管式
、推挽式、半橋式
、全橋式等多種；根據變壓器的激勵和輸出電壓的相位，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。

下麵我們先對串聯式、並聯式、變壓器式等三種最基本的開關電源工作原理進行簡單介紹，其它種類的開關電源也將逐步進行詳細分析。

1-2．串聯式開關電源

1-2-1．串聯式開關電源的工作原理

圖1-1-a是串聯式開關電源的最簡單工作原理圖，圖1-1-a中Ui是開關電源的工作電壓
，即：直流輸入電壓
；K是控製開關
，R是負載。當控製開關K接通的時候
，開關電源就向負載R輸出一個脈衝寬度為Ton，幅度為Ui的脈衝電壓Up；當控製開關K關斷的時候，又相當於開關電源向負載R輸出一個脈衝寬度為Toff

，幅度為0的脈衝電壓。這樣
，控製開關K不停地“接通”和“關斷”，在負載兩端就可以得到一個脈衝調製的輸出電壓uo 。

圖1-1-b是串聯式開關電源輸出電壓的波形，由圖中看出，從控製開關K輸出電壓uo是一個脈衝調製方波
，脈衝幅度Up等於輸入電壓Ui，脈衝寬度等於控製開關K的接通時間Ton，由此可求得串聯式開關電源輸出電壓uo的平均值Ua為：

式中Ton為控製開關K接通的時間，T為控製開關K的工作周期。改變控製開關K接通時間Ton與關斷時間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：

串聯式開關電源輸出電壓uo的幅值Up等於輸入電壓Ui
，其輸出電壓uo的平均值Ua總是小於輸入電壓Ui，因此，串聯式開關電源一般都是以平均值Ua為變量輸出電壓。所以，串聯式開關電源屬於降壓型開關電源。
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串chuan聯lian式shi開kai關guan電dian源yuan也ye有you人ren稱cheng它ta為wei斬zhan波bo器qi
，由you於yu它ta工gong作zuo原yuan理li簡jian單dan，工gong作zuo效xiao率lv很hen高gao

，因yin此ci其qi在zai輸shu出chu功gong率lv控kong製zhi方fang麵mian應ying用yong很hen廣guang。例li如ru
，電dian動dong摩mo托tuo車che速su度du控kong製zhi器qi以yi及ji燈deng光guang亮liang度du控kong製zhi器qi等deng，都dou是shi屬shu於yu串chuan聯lian式shi開kai關guan電dian源yuan的de應ying用yong。如ru果guo串chuan聯lian式shi開kai關guan電dian源yuan隻zhi單dan純chun用yong於yu功gong率lv輸shu出chu控kong製zhi
，電dian壓ya輸shu出chu可ke以yi不bu用yong接jie整zheng流liu濾lv波bo電dian路lu
，而er直zhi接jie給gei負fu載zai提ti供gong功gong率lv輸shu出chu即ji可ke
；但如果用於穩壓輸出，則必須要經過整流濾波。

串聯式開關電源的缺點是輸入與輸出共用一個地，因此，容易產生EMI幹擾和底板帶電，當輸入電壓為市電整流輸出電壓的時候，容易引起觸電
，對人身不安全。

1-2-2．串聯式開關電源輸出電壓濾波電路

大多數開關電源輸出都是直流電壓，因此，一般開關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式開關電源工作原理圖。

圖1-2是在圖1-1-a電路的基礎上，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，它的作用是在控製開關K接通期間Ton限製大電流通過，防止輸入電壓Ui直接加到負載R上，對負載R產生電流衝擊
；同時，流過電感的電流iL又會轉化成磁能，並存儲於電感之中，然後在控製開關K關斷期間Toff電感又會把磁能轉化成電流iL繼續向負載R提供能量輸出。因此
，圖1-2中的L是一個儲能濾波電感，它對流過電路中的電流起到平滑濾波的作用。

圖1-2中的C是儲能濾波電容，它的作用是在控製開關K接通期間Ton把流過儲能電感L的部分電流轉化成電荷進行存儲
，然後在控製開關K關斷期間Toff把電荷轉化成電流繼續向負載R提供能量輸出，它對電感L的輸出電壓起到平滑濾波的作用，使輸出到負載兩端電壓的紋波降低。

圖1-2中的D是整流二極管，它主要功能是續流作用，故稱它為續流二極管，其作用是在控製開關關斷期間Toff，給儲能濾波電感L釋放能量提供電流通路。在控製開關關斷期間Toff
，儲能電感L將產生反電動勢，流過儲能電感L的電流iL由反電動勢eL的正極流出，通過負載R，再經過續流二極管D的正極
，然後從續流二極管D的負極流出
，最後回到反電動勢eL的負極。

對於圖1-2
，如果不看控製開關K和輸入電壓Ui，它是一個典型的反 型濾波電路，它的作用是把直流脈衝電壓通過平滑濾波輸出其平均值。
圖1-3、圖1-4、圖1-5分別是控製開關K的占空比D等於0.5、< 0.5、> 0.5時
，圖1-2電路中幾個關鍵點的電壓和電流波形。圖1-3-a）

、圖1-4-a）、圖1-5-a）分別為控製開關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。

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在Ton期間，控製開關K接通
，輸入電壓Ui通過控製開關K輸出電壓uo
，然後加到儲能濾波電感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：

式中：Ui輸入電壓，Uo為直流輸出電壓
，即：電容兩端電壓uc的平均值。

在此順便說明：由於電容兩端的電壓變化量ΔU相對於輸出電壓Uo來說非常小

，為了簡單

，我們這裏把Uo當成常量來處理。在某種情況下，當我們需要對電容的初次充、放電過程進行分析時
，必須需要建立微分方程
，並求解。當開關電源剛開始工作時，由於輸出電壓Uo的建立需要一定的時間，因此，輸出電壓Uo的de建jian立li也ye需xu要yao一yi個ge過guo渡du過guo程cheng，如ru對dui此ci過guo渡du過guo程cheng進jin行xing精jing確que計ji算suan


，得de出chu的de結jie果guo中zhong一yi般ban都dou含han有you一yi指zhi數shu函han數shu項xiang，當dang令ling時shi間jian變bian量liang等deng於yu無wu窮qiong大da時shi，即ji電dian路lu進jin入ru穩wen態tai時shi
，再zai對dui相xiang關guan參can量liang取qu平ping均jun值zhi，其qi結jie果guo就jiu基ji本ben與yu（1-4）相等。

對（1-4）式進行積分得：

式中i（0）為控製開關K轉換瞬間（t = 0時刻）


，即：控製開關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。

當控製開關K由接通期間Ton突然轉換到關斷期間Toff的瞬間，流過電感L的電流iL達到最大值：

在Toff期間，控製開關K關斷，儲能電感L產生反電動勢

，並把磁能轉化成電流iL進行釋放
，通過續流二極管D繼續向負載R提供能量，在此期間儲能濾波電感L兩端的電壓eL為：

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因此
，（1-9）式可以改寫為：

上麵計算過程都是假設輸出電壓Uo基本不變的情況下得到的結果，在實際應用電路中也正好是這樣
，輸出電壓Uo的(de)電(dian)壓(ya)紋(wen)波(bo)非(fei)常(chang)小(xiao)，隻(zhi)有(you)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)百(bai)分(fen)之(zhi)幾(ji)，工(gong)程(cheng)計(ji)算(suan)中(zhong)完(wan)全(quan)可(ke)以(yi)忽(hu)略(lve)不(bu)計(ji)。不(bu)過(guo)，上(shang)麵(mian)假(jia)設(she)隻(zhi)適(shi)用(yong)於(yu)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)工(gong)作(zuo)已(yi)經(jing)進(jin)入(ru)穩(wen)定(ding)狀(zhuang)態(tai)，對(dui)於(yu)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)開(kai)機(ji)瞬(shun)態(tai)
，上(shang)麵(mian)假(jia)設(she)條(tiao)件(jian)不(bu)成(cheng)立(li)
，對(dui)於(yu)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)開(kai)機(ji)瞬(shun)態(tai)的(de)工(gong)作(zuo)過(guo)程(cheng)
，後(hou)麵(mian)《1-7-2．開關電源電路的過渡過程》章節中還會進行比較詳細的分析。

從（1-4）式到（1-11）和圖1-3、圖1-4、圖1-5中可以看出：

當開關電源工作於臨界連續電流或連續電流狀態時，在K接通和關斷的整個周期內，儲能電感L都有電流流出，但在K接通期間與K關斷期間
，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： 
；在K關斷期間，流過儲能電感L的電流上升率為： 。因此：

（1）當Ui = 2Uo時
，即濾波輸出電壓Uo等於電源輸入電壓Ui的一半時，或控製開關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均等於0。在這種情況下，流過儲能電感L的電流iL為臨界連續電流
，且濾波輸出電壓Uo等於濾波輸入電壓uo的平均值Ua。參看圖1-3。

（2）當Ui > 2Uo時，即：濾波輸出電壓Uo小於電源輸入電壓Ui的一半時，或控製開關K的占空比D小於二分之一時，雖然在K接通期間，流過儲能電感L的電流上升率（絕對值）

，大於在K關斷期間流過儲能電感L的電流上升率（絕對值）
，但由於（1-5）式中i（0）等於0，以及Ton小於Toff，此時
，（1-11）式中的iLX會出現負值，即輸出電壓反過來要對電感充電，但由於續流二極管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不是連續電流，開關電源工作於電流不連續狀態，因此
，輸出電壓Uo的紋波比較大，且濾波輸出電壓Uo小於濾波輸入電壓uo的平均值Ua。參看圖1-4。

（3）當Ui < 2Uo時，即：濾波輸出電壓Uo大於電源輸入電壓Ui的一半時，或控製開關K的占空比大於二分之一時，在K接通期間
，雖然流過儲能電感L的電流上升率（絕對值），小於在K關斷期間，流過儲能電感L的電流上升率（絕對值）。但由於Ton大於Toff，（1-5）式中i（0）和（1-11）式中iLX均大於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是連續電流，開關電源工作於連續電流狀態，輸出電壓Uo的紋波比較小

，且濾波輸出電壓Uo大於濾波輸入電壓uo的平均值Ua。參看圖1-5。

1-2-3．串聯式開關電源儲能濾波電感的計算

從上麵分析可知，串聯式開關電源輸出電壓Uo與控製開關的占空比D有關，還與儲能電感L的大小有關
，因為儲能電感L決定電流的上升率（di/dt），即輸出電流的大小。因此

，正確選擇儲能電感的參數相當重要。

串聯式開關電源最好工作於電流臨界連續狀態，或連續電流狀態。此時，開關電源輸出電壓的調整率為最好
，且輸出電壓Uo的紋波也不大。因此，我們可以從電流臨界連續狀態著手進行分析。我們先看（1-6）式：

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（1-13）和（1-14）式，就是計算串聯式開關電源儲能濾波電感L的公式。由於輸出電流的不確定性，計算時，可以先計算出串聯式開關電源儲能濾波電感L的一個中間值，或平均值，並以此為限，對於極端情況可以在平均值的計算結果上再乘以一個大於1的係數。

如果增大儲能濾波電感L的電感量，濾波輸出電壓Uo將小於濾波輸入電壓uo的平均值Ua，因此，在保證濾波輸出電壓Uo為一定值的情況下，勢必要增大控製開關K的占空比D，以保持輸出電壓Uo的穩定；而控製開關K的占空比D增大
，又將會使流過儲能濾波電感L的電流iL不連續的時間縮短，或由電流不連續變成電流連續，從而使輸出電壓Uo的電壓紋波ΔUP-P進一步會減小，輸出電壓更穩定。

如果儲能濾波電感L的值小於（1-13）式的值，串聯式開關電源濾波輸出的電壓Uo將大於濾波輸入電壓uo的平均值Ua，在保證濾波輸出電壓Uo為一定值的情況下

，勢必要減小控製開關K的占空比D，以保持輸出電壓Uo的值不變；控製開關K的占空比D減小，將會使流過濾波電感L的電流iL出現不連續，從而使輸出電壓Uo的電壓紋波ΔUP-P增大
，造成輸出電壓不穩定。

由此可知，調整串聯式開關電源濾波輸出電壓Uo的大小，實際上就是同時調整流過濾波電感L和控製開關K占空比D的大小。

由圖1-4可以看出：當控製開關K的占空比D小於0.5時
，流過濾波電感L的電流iL出現不連續
，輸出電流Io小於流過濾波電感L最大電流iLm的二分之一
，濾波輸出電壓Uo的電壓紋波ΔUP-P將顯著增大。因此，串聯式開關電源最好不要工作於圖1-4的電流不連續狀態，而最好工作於圖1-3和圖1-5表示的臨界連續電流和連續電流狀態。

當串聯式開關電源工作於電流臨界連續狀態時，輸出電壓Uo等於輸入電壓Ui的二分之一
，等於濾波輸入電壓uo的平均值Ua；且輸出電流Io也等於流過濾波電感L最大電流iLm的二分之一。

串聯式開關電源工作於連續電流狀態，輸出電壓Uo大於輸入電壓Ui的二分之一，大於濾波輸入電壓uo的平均值Ua；且輸出電流Io也大於流過濾波電感L最大電流iLm的二分之一。

1-2-4．串聯式開關電源儲能濾波電容的計算

我們同樣從流過儲能電感的電流為電流臨界連續狀態著手
，對儲能濾波電容C的充、放電過程進行分析，然後再對儲能濾波電容C的數值進行計算。

圖1-6是串聯式開關電源工作於電流臨界連續狀態時，串聯式開關電源電路中各點電壓和電流的波形。圖1-6中，Ui為電源的輸入電壓
，uo為控製開關K的輸出電壓
，Uo為電源濾波輸出電壓
，iL為流過儲能濾波電感電流

，Io為流過負載的電流。圖1-6-a）是控製開關K輸出電壓的波形；圖1-6-b）是儲能濾波電容C的充、放電波形；圖1-6-c）是流過儲能濾波電感電流iL的波形。當串聯式開關電源工作於電流臨界連續狀態時，控製開關K的占空比D等於0.5，流過負載的電流Io等於流過儲能濾波電感最大電流iLm的二分之一。

在Ton期間，控製開關K接通，輸入電壓Ui通過控製開關K輸出電壓uo ，在輸出電壓uo的作用下，流過儲能濾波電感L的電流開始增大。當時間t大於二分之一Ton的時候，流過儲能濾波電感L的電流iL開始大於流過負載的電流Io ，所以流過儲能濾波電感L的電流iL有一部分開始對儲能濾波電容C進行充電，儲能濾波電容C的兩端電壓開始上升。

當時間t等於Ton的時候

，流過儲能濾波電感L的電流iL為最大值iLm，但儲能濾波電容C的兩端電壓並沒有達到最大值
，此時，儲能濾波電容C的兩端電壓還在繼續上升，因為，流過儲能濾波電感L的電流iL還大於流過負載的電流Io 
；當作用時間t等於二分之一Toff的時候，流過儲能濾波電感L的電流iL正好與負載電流Io相等，儲能濾波電容C的兩端電壓達到最大值ucm，電容停止充電，並開始從充電轉為放電。

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可(ke)以(yi)證(zheng)明(ming)，當(dang)儲(chu)能(neng)濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)進(jin)行(xing)充(chong)電(dian)時(shi)，電(dian)容(rong)兩(liang)端(duan)的(de)電(dian)壓(ya)是(shi)按(an)正(zheng)弦(xian)曲(qu)線(xian)的(de)速(su)率(lv)變(bian)化(hua)的(de)
，而(er)當(dang)儲(chu)能(neng)濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)進(jin)行(xing)放(fang)電(dian)時(shi)，電(dian)容(rong)兩(liang)端(duan)的(de)電(dian)壓(ya)是(shi)按(an)指(zhi)數(shu)曲(qu)線(xian)的(de)速(su)率(lv)變(bian)化(hua)的(de)，這(zhe)一(yi)點(dian)後(hou)麵(mian)還(hai)要(yao)詳(xiang)細(xi)說(shuo)明(ming)，請(qing)參(can)考(kao)後(hou)麵(mian)圖(tu)1-23

、圖1-24、圖1-25的詳細分析。

圖1-6中，電容兩端的充放電曲線是有意把它的曲率放大了的，實際上它們的變化曲率並沒有那麼大。因為儲能濾波電感L和儲能濾波電容構成的時間常數相對於控製開關的接通或關斷時間來說非常大（正弦曲線的周期：T = ），即：由儲能濾波電感Lhechunenglvbodianrongzuchengxiezhenhuiludexiezhenpinlv，xiangduiyukaiguandianyuandegongzuopinlvlaishuo，feichangdi，erdianrongliangduandechongfangdianquxianbianhuafanweizhixiangdangyuzhengxianquxianlingdianjidudebianhuafanwei。yinci，zaidaduoshuqingkuangxia，keyibadianrongliangduandechong、放電曲線看成是直線。同理
，圖1-3、圖1-4、圖1-5中儲能濾波電容C的兩端電壓都可以看成是按直線變化的電壓

，或稱為電壓或電流鋸齒波。

實際應用中，一般都是利用平均值的概念來計算儲能濾波電容C的數值。值得注意的是：濾波電容C進行充

、放電的電流ic的平均值Ia正好等於流過負載的電流Io

，因為

，在D等於0.5的情況下，電容充、放電的時間相等
，隻要電容兩端電壓的平均值不變
，其充、放電的電流必然相等
，並等於流過負載的電流Io。

濾波電容C的計算方法如下：

由圖1-6可以看出
，在控製開關的占空比D等於0.5的情況下，電容器充、放電的電荷和充、放電的時間，以及正、負電壓紋波值均應該相等，並且電容器充電電流的平均值也正好等於流過負載的電流。因此，電容器充時
，電容器存儲的電荷ΔQ為：

（1-17）和（1-18）式，就是計算串聯式開關電源儲能濾波電容的公式（D = 0.5時）。式中：Io是流過負載的電流
，T為控製開關K的工作周期，ΔUP-P為輸出電壓的波紋。電壓波紋ΔUP-P一般都取峰-峰值，所以電壓波紋正好等於電容器充電或放電時的電壓增量，即：ΔUP-P = ΔUc 。

順(shun)便(bian)說(shuo)明(ming)
，由(you)於(yu)人(ren)們(men)習(xi)慣(guan)上(shang)都(dou)是(shi)以(yi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)平(ping)均(jun)值(zhi)為(wei)水(shui)平(ping)線(xian)，把(ba)電(dian)壓(ya)紋(wen)波(bo)分(fen)成(cheng)正(zheng)負(fu)兩(liang)部(bu)分(fen)，所(suo)以(yi)這(zhe)裏(li)遵(zun)照(zhao)習(xi)慣(guan)

，把(ba)電(dian)容(rong)器(qi)充(chong)電(dian)或(huo)放(fang)電(dian)時(shi)的(de)電(dian)壓(ya)增(zeng)量(liang)ΔUc分成兩部分
，即：ΔUc = 2ΔU。

同理
，（1-17）和（1-18）式的計算結果，隻給出了計算串聯式開關電源儲能濾波電容C的中間值，或平均值，由於輸出電流的不確定性，實際應用時
，可以以此為極限
，在此平均值的計算結果上再乘以一個大於1的係數。

當儲能濾波電容的值小於（1-17）式的值時

，串聯式開關電源濾波輸出電壓Uo的電壓紋波ΔUP-P會增大，並且當開關K工作的占空比D小於0.5時，由於流過儲能濾波電感L的電流iL出現不連續，電容器放電的時間大於電容器充電的時間，開關電源濾波輸出電壓Uo的電壓紋波ΔUP-P將顯著增大。因此
，在實際應用中，要對（1-17）式或（1-18）式的計算結果預留足夠的餘量。

未完待續：下次為大家介紹並聯式
、變壓器式兩種最基本的開關電源工作原理進行簡單介紹及電路參數計算。

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