主回路-開關電源的分解

隨著各種技術的發展，主回路-開關電源在各個產品中使用。主回路-開關電源中，功率電流流經的通路。主回路一般蘊含了開關電源中的開關器件、儲能器件、脈沖變壓器、濾波器、輸出整流器、等所有功率器件，以及供電輸入端和負載端。開關電源1是利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制(pWM)控制IC和MOSFET構成。開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的新增而上升，但二者上升速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源，這一點稱為成本反轉點。隨著電力電子技術的發展和創新，使得開關電源技術也在不斷地創新，這一成本反轉點日益向低輸出電力端移動，這為開關電源供應了廣闊的發展空間

開關電源主回路可以分為隔離式與非隔離式兩大類型。

1.非隔離式電路的類型：

非隔離--輸入端與輸出端電氣相通，沒有隔離。

1.1.串聯式結構

串聯--在主回路中開關器件(下圖中所示的開關三極管T)與輸入端、輸出端、電感器L、負載RL四者成串聯連接的關系。

開關管T交替工作于通/斷兩種狀態，當開關管T導通時，輸入端電源通過開關管T及電感器L對負載供電，并同時對電感器L充電，對負載R持續供電，從而保證了負載端獲得繼續的電流。

上圖是在圖1-1-a電路的基礎上，新增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，它的用途是在控制開關K接通期間Ton限制大電流通過，C是儲能濾波電容，它的用途是在控制開關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，然后在控制開關K關斷期間Toff把電荷轉化成電流持續向負載R供應能量輸出;D是整流二極管，緊要功能是續流用途，故稱它為續流二極管，其用途是在控制開關關斷期間Toff,給儲能濾波電感L釋放能量供應電流通路。

在控制開關關斷期間Toff,儲能電感L將出現反電動勢，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，然后從續流二極管D的負極流出，最后回到反電動勢eL的負極。

關于圖1-2,倘若不看控制開關T和輸入電壓Ui,它是一個典型的反г型濾波電路，它的用途是把脈動直流電壓通過平滑濾波輸出其均勻值。

串聯式開關電源輸出電壓uo的均勻值Ua為：

1.2.并聯式結構

并聯--在主回路中，相關于輸入端而言，開關器件與輸出端負載成并聯連接的關系。

開關管T交替工作于通/斷兩種狀態，當開關管T導通時，輸入端電源通過開關管T對電感器L充電，同時續流二極管D關斷，負載R靠電容器存儲的電能供電;當開關管T關斷時，續流二極管D導通，輸入端電源電壓與電感器L中的自感電動勢正向重疊后，通過續流二極管D對負載R供電，并同時對電容器C充電。

由此可見，并聯式結構中，可以獲得高于輸入電壓的輸出電壓，因此為升壓式變換。并且為了獲得繼續的負載電流，并聯結構比串聯結果對輸出濾波電容C的容量有更高的要求。例如boots拓撲型的開關電源就是屬于并聯型式的開關電源。

并聯開關電源輸出電壓Uo為：

boots拓撲輸出電壓Uo:Uo=Ui(1+D/1-D)=Ui(1/1-D)(D為占空比)

1.3.極性反轉型變換器結構(inverting)

極性反轉--輸出電壓與輸入電壓的極性相反。電路的基本結構特點是：在主回路中，相關于輸入端而言，電感器L與負載成并聯。(也是串聯式開關電源的一種，一般又稱為反轉式串聯開關電源)

這種反轉式串聯開關電源與一般串聯式開關電源的差別是，這種反轉式串聯開關電源輸出的電壓是負電壓，正好與一般串聯式開關電源輸出的正電壓極性相反;并且由于儲能電感能出現電感用途的元件統稱為電感原件，經常筆直簡稱為電感。電感器在電子制作中雖然使用得不是很多，但它們在電路中同樣緊要。我們認為電感器和電容器相同，也是一種儲能元件，它能把電能轉變為磁場能，并在磁場中儲存能量。

L只在開關K關斷時才向負載輸出電流，因此，在相同條件下，反轉式串聯開關電源輸出的電流比串聯式開關電源輸出的電流小一倍。

開關管T交替工作于通/斷兩種狀態，工作過程與并聯式結構相近，當開關管T導通時，輸入端電源通過開關管T對電感器L充電，同時續流二極管D關斷，并同時對電容器C充電;由于續流二極管D的反向極性，使輸出端獲得相反極性的電壓輸出。

反轉式串聯開關電源輸出電壓Uo為：

由(1-27)式可以看出，反轉式串聯開關電源輸出電壓與輸入電壓與開關接通的時間成正比，與開關關斷的時間成反比。

2.隔離式電路的類型：

隔離--輸入端與輸出端電氣不相通，通過脈沖變壓器的磁偶合方式傳遞能量，輸入輸出完全電氣隔離。

2.1.單端正激式singleForwardConverte

r(又叫單端正激式變壓器開關電源)

單端--通過一只開關器件單向驅動脈沖變壓器;

正激式：就是惟有在開關管導通的時候，能量才通過變壓器或電感向負載釋放，當開關封閉的時候，就停止向負載釋放能量。目前屬于這種模式的開關電源有：串聯式開關電源，buck拓撲結構開關電源，激式變壓器開關電源、推免式、半橋式、全橋式都屬于正激式模式。

反激式：就是在開關管導通的時候存儲能量，惟有在開關管關斷的時候釋放才向負載釋放能量。屬于這種模式的開關電源有：并聯式開關電源、boots、極性反轉型變換器、反激式變壓器開關電源。

正激變壓器--脈沖變壓器的原/付邊相位關系，確保在開關管導通，驅動脈沖變壓器原邊時，變壓器付邊同時對負載供電。

所謂正激式變壓器開關電源，是指當變壓器的初級線圈正在被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈正好有功率輸出。

U1是開關電源的輸入電壓，N是開關變壓器，T是控制開關，L是儲能濾波電感，C是儲能濾波電容，D2是續流二極管，D3是削反峰二極管，RL是負載電阻。

在上圖中，要特別留意的是開關變壓器初、次級線圈的同名端。倘若把開關變壓器初線圈或次級線圈的同名端弄反，上圖就不再是正激式變壓器開關電源了

該電路的最大問題是：開關管T交替工作于通/斷兩種狀態，當開關管關斷時，脈沖變壓器處于"空載"狀態，其中儲存的磁能將被積累到下一個周期，直至電感器飽和，使開關器件燒毀。圖中的D3與N3構成的磁通復位電路，供應了泄放多余磁能的渠道。

2.2.單端反激式SingleF1ybackConverter(單端反激式變壓器開關電源)

所謂反激式變壓器開關電源，是指當變壓器的初級線圈正好被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈沒有向負載供應功率輸出，而僅在變壓器初級線圈的激勵電壓被關斷后才向負載供應功率輸出，這種變壓器開關電源稱為反激式開關電源。

反激式電路與正激式電路相反，脈沖變壓器的原/付邊相位關系，確保當開關管導通，驅動脈沖變壓器原邊時，變壓器付邊不對負載供電，即原/付邊交錯通斷。從電路原理圖上看，反激式與正激式很相象，表面上只是變壓器同名端的差別，但電路的工作方式不同，D3、N3的用途也不同。

反激式變壓器開關電源的輸出電壓為：

(1-110)式中，Uo為反激式變壓器開關電源的輸出電壓，Ui變壓器初級線圈輸入電壓，D為控制開關的占空比，n為變壓器次級線圈與初級線圈的匝數比。

2.3.推挽pushpull(變壓器中心抽頭)式

這種電路結構的特點是：對稱性結構，脈沖變壓器原邊是兩個對稱線圈，兩只開關管接成對稱關系，輪流通斷，工作過程類似于線性放大電路中的乙類推挽功率放大器。

緊要優勢：高頻變壓器磁芯利用率高(與單端電路相比)、電源電壓利用率高(與后面要敘述的半橋電路相比)、輸出功率大、兩管基極均為低電平，驅動電路簡單。

緊要缺點：變壓器繞組利用率低、對開關管的耐壓要求比較高(至少是電源電壓的兩倍)。

2.4.全橋式FullBridgeConverter

這種電路結構的特點是：由四只相同的開關管接成電橋結構驅動脈沖變壓器原邊。

圖中T1、T4為一對，由同一組信號驅動，同時導通/關端;T2、T3為另一對，由另一組信號驅動，同時導通/關端。兩對開關管輪流通/斷，在變壓器原邊線圈中形成正/負交變的脈沖電流。

緊要優勢：與推挽結構相比，原邊繞組減少了一半，開關管耐壓降低一半。

緊要缺點：使用的開關管數量多，且要求參數一致性好，驅動電路復雜，實現同步比較困難。這種電路結構通常使用在1KW以上超大功率開關電源電路中。

2.5.半橋式HalfBridgeConverter

電路的結構類似于全橋式，只是把其中的兩只開關管(T3、T4)換成了兩只等值大電容C1、C2.

緊要優勢：具有一定的抗不平衡能力，對電路對稱性要求不很嚴格;適應的功率范圍較大，從幾十瓦到千瓦都可以;開關管耐壓要求較低。這種電路經常被用于各種非穩壓輸出的DC變換器，如電子熒光燈驅動電路中。

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