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(多图) 系统详解开关电源的基本工作原理

陶显芳?? 2012年04月18日 ?? 收藏6

从(1-4)式到(1-11)和图1-3、图1-4、图1-5中可以看出:

当开关电源工作于临界连续电流或连续电流状态时,在K接通和关断的整个周期内,储能电感L都有电流流出,但在K接通期间与K关断期间,流过储能电感L的电流的上升率(绝对值)一般是不一样的。在K接通期间,流过储能电感L的电流上升率为: ;在K关断期间,流过储能电感L的电流上升率为: 。因此:

(1)当Ui = 2Uo时,即滤波输出电压Uo等于电源输入电压Ui的一半时,或控制开关K的占空比D为二分之一时,流过储能电感L的电流上升率,在K接通期间与K关断期间绝对值完全相等,即电感存储能量的速度与释放能量的速度完全相等。此时,(1-5)式中i(0)和(1-11)式中iLX均等于0。在这种情况下,流过储能电感L的电流iL为临界连续电流,且滤波输出电压Uo等于滤波输入电压uo的平均值Ua。参看图1-3。

(2)当Ui > 2Uo时,即:滤波输出电压Uo小于电源输入电压Ui的一半时,或控制开关K的占空比小于二分之一时:虽然在K接通期间,流过储能电感L的电流上升率(绝对值),大于,在K关断期间,流过储能电感L的电流上升率(绝对值);但由于(1-5)式中i(0)等于0,以及Ton小于Toff,此时,(1-11)式中的iLX会出现负值,即输出电压反过来要对电感充电,但由于整流二极管D的存在,这是不可能的,这表示流过储能电感L的电流提前过0,即有断流。在这种情况下,流过储能电感L的电流iL不是连续电流,开关电源工作于电流不连续状态,因此,输出电压Uo的纹波比较大,且滤波输出电压Uo小于滤波输入电压uo的平均值Ua。参看图1-4。

(3)当Ui < 2Uo时,即:滤波输出电压Uo大于电源输入电压Ui的一半时,或控制开关K的占空比大于二分之一时:在K接通期间,虽然流过储能电感L的电流上升率(绝对值),小于,在K关断期间,流过储能电感L的电流上升率(绝对值)。但由于Ton大于Toff,(1-5)式中i(0)和(1-11)式中iLX均大于0,即:电感存储能量每次均释放不完。在这种情况下,流过储能电感L的电流iL是连续电流,开关电源工作于连续电流状态,输出电压Uo的纹波比较小,且滤波输出电压Uo大于滤波输入电压uo的平均值Ua。参看图1-5。

串联式开关电源储能滤波电感的计算

从上面分析可知,串联式开关电源输出电压Uo与控制开关的占空比D有关,还与储能电感L的大小有关,因为储能电感L决定电流的上升率(di/dt),即输出电流的大小。因此,正确选择储能电感的参数相当重要。

串联式开关电源最好工作于临界连续电流状态,或连续电流状态。串联式开关电源工作于临界连续电流状态时,滤波输出电压Uo正好是滤波输入电压uo的平均值Ua,此时,开关电源输出电压的调整率为最好,且输出电压Uo的纹波也不大。因此,我们可以从临界连续电流状态着手进行分析。我们先看(1-6)式:

计算式
计算式

(1-13)和(1-14)式,就是计算串联式开关电源储能滤波电感L的公式(D = 0.5时)。(1-13)和(1-14)式的计算结果,只给出了计算串联式开关电源储能滤波电感L的中间值,或平均值,对于极端情况可以在平均值的计算结果上再乘以一个大于1的系数。

如果增大储能滤波电感L的电感量,滤波输出电压Uo将小于滤波输入电压uo的平均值Ua,因此,在保证滤波输出电压Uo为一定值的情况下,势必要增大控制开关K的占空比D,以保持输出电压Uo的稳定;而控制开关K的占空比D增大,又将会使流过储能滤波电感L的电流iL不连续的时间缩短,或由电流不连续变成电流连续,从而使输出电压Uo的电压纹波ΔUP-P进一步会减小,输出电压更稳定。

如果储能滤波电感L的值小于(1-13)式的值,串联式开关电源滤波输出的电压Uo将大于滤波输入电压uo的平均值Ua,在保证滤波输出电压Uo为一定值的情况下,势必要减小控制开关K的占空比D,以保持输出电压Uo的值不变;控制开关K的占空比D减小,将会使流过滤波电感L的电流iL出现不连续,从而使输出电压Uo的电压纹波ΔUP-P增大,造成输出电压不稳定。

由此可知,调整串联式开关电源滤波输出电压Uo的大小,实际上就是同时调整流过滤波电感L和控制开关K占空比D的大小。

由图1-4可以看出:当控制开关K的占空比D小于0.5时,流过滤波电感L的电流iL出现不连续,输出电流Io小于流过滤波电感L最大电流iLm的二分之一,滤波输出电压Uo的电压纹波ΔUP-P将显著增大。因此,串联式开关电源最好不要工作于图1-4的电流不连续状态,而最好工作于图1-3和图1-5表示的临界连续电流和连续电流状态。

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