單端正激式開關(guān)電源的設(shè)計

本文將以詳盡的開關(guān)電源案例分析為手段，深入探討各類開關(guān)電源的工作原理和應(yīng)用場景。首先，我們將聚焦于單端正激式開關(guān)電源，通過對其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)的剖析，揭示其如何實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的電壓轉(zhuǎn)換。在此基礎(chǔ)上，我們將進(jìn)一步分析自激式開關(guān)電源的特點(diǎn)，探討其在無外部驅(qū)動信號情況下如何實(shí)現(xiàn)自我振蕩和電壓輸出的過程。

接下來，本文將介紹推挽式開關(guān)電源，這種電源通過兩個開關(guān)管的交替工作，實(shí)現(xiàn)了對輸入電壓的雙向利用，從而提高了電源的效率和功率密度。此外，我們還將詳細(xì)闡述降壓式開關(guān)電源和升壓式開關(guān)電源的工作原理，這兩種電源分別適用于需要將電壓降低和升高的場合，為各種電子設(shè)備提供了靈活的電源解決方案。

最后，我們將關(guān)注反轉(zhuǎn)式開關(guān)電源，這種電源通過改變開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的極性反轉(zhuǎn)，為某些特殊設(shè)備提供了必要的電源支持。通過這一系列案例分析，本文旨在幫助讀者深入理解各類開關(guān)電源的工作原理和應(yīng)用特點(diǎn)，為實(shí)際工程應(yīng)用提供有益的參考。

在全球?qū)δ茉磫栴}日益重視的背景下，電子產(chǎn)品的耗能問題逐漸凸顯，成為了亟待解決的焦點(diǎn)。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源雖然以其電路結(jié)構(gòu)簡潔、工作穩(wěn)定可靠而受到青睞，然而，其效率低(僅40%-50%)、體積龐大、銅鐵消耗量大、工作溫度高以及調(diào)整范圍有限等缺點(diǎn)也日益明顯。

為了克服這些局限，人類研制出了開關(guān)式穩(wěn)壓電源，這一創(chuàng)新技術(shù)的出現(xiàn)，極大地提升了能源使用效率，甚至可以達(dá)到85%以上。不僅如此，開關(guān)式穩(wěn)壓電源還具有寬穩(wěn)壓范圍、高精度穩(wěn)壓、無需電源變壓器等獨(dú)特優(yōu)勢，成為了一種理想的穩(wěn)壓電源選擇。

正是基于這些顯著優(yōu)點(diǎn)，開關(guān)式穩(wěn)壓電源在各類電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。本文將對各類開關(guān)電源的工作原理進(jìn)行深入剖析，旨在更好地理解其工作原理，為未來的能源利用和電子設(shè)備發(fā)展提供參考。

一、開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本工作原理

開關(guān)式穩(wěn)壓電源的控制方式主要分為調(diào)寬式和調(diào)頻式兩種。這兩種方式各有特點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中，調(diào)寬式由于其優(yōu)越的性能和經(jīng)濟(jì)性而備受青睞。

調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源，顧名思義，是通過調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通時間來調(diào)節(jié)輸出電壓的穩(wěn)定。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，輸出電壓的紋波小，且易于實(shí)現(xiàn)。在開關(guān)電源集成電路中，絕大多數(shù)都是采用脈寬調(diào)制型，即PWM(Pulse Width Modulation)技術(shù)。

PWM技術(shù)是一種非常有效的電源控制技術(shù)，它通過不斷地調(diào)整開關(guān)管的導(dǎo)通時間，即脈沖寬度，來保持輸出電壓的穩(wěn)定。當(dāng)輸出電壓升高時，控制器會減小開關(guān)管的導(dǎo)通時間，從而降低輸出電壓;反之，當(dāng)輸出電壓降低時，控制器會增加開關(guān)管的導(dǎo)通時間，以提高輸出電壓。通過這種方式，PWM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對輸出電壓的精確控制。

除了PWM技術(shù)外，調(diào)頻式開關(guān)穩(wěn)壓電源也是一種常見的控制方式。它通過改變開關(guān)管的開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)輸出電壓。然而，由于調(diào)頻式開關(guān)穩(wěn)壓電源在實(shí)現(xiàn)上相對復(fù)雜，且對元器件的要求較高，因此在實(shí)際應(yīng)用中并不如調(diào)寬式廣泛。

綜上所述，調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源是目前使用最為廣泛的一種電源控制方式。其基于PWM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式具有響應(yīng)速度快、輸出電壓穩(wěn)定、紋波小等優(yōu)點(diǎn)，因此在各種電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。

調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源的基本原理可參見下圖。

對于單極性矩形脈沖來說，其直流平均電壓Uo取決于矩形脈沖的寬度，脈沖越寬，其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓U?？捎晒接嬎?，即Uo=Um×T1/T 式中Um為矩形脈沖最大電壓值;T為矩形脈沖周期;T1為矩形脈沖寬度。

從上式可以看出，當(dāng)Um與T不變時，直流平均電壓Uo將與脈沖寬度T1成正比。這樣，只要我們設(shè)法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可以達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的。

二、開關(guān)式穩(wěn)壓電源的原理電路

1、基本電路

圖二開關(guān)電源基本電路框圖

開關(guān)式穩(wěn)壓電源的基本電路框圖如圖二所示。

交流電壓，作為電力系統(tǒng)中最為常見的電源形式，通過整流電路及濾波電路的協(xié)同作用，其波形發(fā)生了顯著的變化。整流電路如同一位精巧的匠人，將原本起伏不定的交流波形，巧妙地雕琢成了帶有一定脈動成分的直流電壓。這一轉(zhuǎn)變，既去除了交流電的周期性變動，又保留了部分原始的脈動特征，為后續(xù)的電壓變換奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

隨后，這一經(jīng)過初步處理的直流電壓，進(jìn)入高頻變換器的舞臺。高頻變換器，就如同一位技藝高超的魔術(shù)師，將輸入的直流電壓巧妙地轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波。這個方波，既滿足了電路對于穩(wěn)定電壓的需求，又通過其獨(dú)特的波形特性，為后續(xù)的整流濾波過程提供了便利。

最后，這個方波電壓再次經(jīng)過整流濾波的處理，完成了從交流到直流的華麗轉(zhuǎn)身。經(jīng)過這一系列的變換與過濾，原本起伏不定的交流電壓，最終變成了穩(wěn)定而純凈的直流電壓，為各種電子設(shè)備提供了源源不斷的動力。這一過程，不僅體現(xiàn)了電力電子技術(shù)的精湛技藝，更展現(xiàn)了人類對電力應(yīng)用的深入探索與智慧創(chuàng)造。

控制電路為一脈沖寬度調(diào)制器，它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關(guān)電源用集成電路?？刂齐娐酚脕碚{(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時間比例，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

2.單端反激式開關(guān)電源

單端反激式開關(guān)電源的典型電路圖，正是如圖三所展示的那樣，其精妙之處在于高頻變換器的獨(dú)特工作方式。所謂單端，實(shí)際上指的是高頻變換器的磁芯僅在一側(cè)進(jìn)行磁滯回線的工作。這種設(shè)計使得電源在運(yùn)作時更為高效且穩(wěn)定。

反激，則是一個形象生動的描述，指的是當(dāng)開關(guān)管VT1處于導(dǎo)通狀態(tài)時，高頻變壓器T的初級繞組感應(yīng)電壓為上正下負(fù)。此時，整流二極管VD1處于截止?fàn)顟B(tài)，從而確保在初級繞組中有效地儲存能量。而當(dāng)開關(guān)管VT1截止時，這些在初級繞組中累積的能量，便通過次級繞組，經(jīng)過VD1的整流和電容C的濾波，最終輸出到負(fù)載中，為設(shè)備提供穩(wěn)定的電力支持。

這種單端反激式開關(guān)電源的設(shè)計，不僅具有高效、穩(wěn)定的特性，而且在應(yīng)對不同負(fù)載變化時，其表現(xiàn)同樣出色。其內(nèi)部的精密調(diào)控機(jī)制，使得電源能夠根據(jù)不同的負(fù)載需求，智能地調(diào)整輸出，確保設(shè)備始終得到最適合的電力供應(yīng)。這樣的設(shè)計，無疑為現(xiàn)代電子設(shè)備的高效、穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。

單端反激式開關(guān)電源是一種成本最低的電源電路，輸出功率為20-100W，可以同時輸出不同的電壓，且有較好的電壓調(diào)整率。唯一的缺點(diǎn)是輸出的紋波電壓較大，外特性差，適用于相對固定的負(fù)載。

單端反激式開關(guān)電源使用的開關(guān)管VT1承受的最大反向電壓是電路工作電壓值的兩倍，工作頻率在20-200kHz之間。

3.單端正激式開關(guān)電源

單端正激式開關(guān)電源的典型電路如圖四所示，其結(jié)構(gòu)與單端反激式電路頗為相似，但在工作原理上卻展現(xiàn)出別樣的風(fēng)采。當(dāng)開關(guān)管VT1欣然開啟，VD2亦步亦趨地緊隨其后，此刻電網(wǎng)如同慷慨的贈予者，向負(fù)載慷慨地輸送著能量，而濾波電感L則默默地儲存著這份力量。然而，當(dāng)開關(guān)管VT1優(yōu)雅地謝幕，電感L則化身為堅韌的守護(hù)者，借助續(xù)流二極管VD3，繼續(xù)為負(fù)載提供源源不斷的能量。這樣的電路，如同一位舞者，在舞臺的每一個角落都留下了其獨(dú)特的舞步和韻律。

在電路中還設(shè)有鉗位線圈與二極管VD2，它可以將開關(guān)管VT1的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿足磁芯復(fù)位條件，即磁通建立和復(fù)位時間應(yīng)相等，所以電路中脈沖的占空比不能大于50%。由于這種電路在開關(guān)管VT1導(dǎo)通時，通過變壓器向負(fù)載傳送能量，所以輸出功率范圍大，可輸出50-200W的功率。電路使用的變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積也較大，正因?yàn)檫@個原因，這種電路的實(shí)際應(yīng)用較少。

4.自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源

自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源的典型電路如圖五所示，恰如一位精妙的舞者，在舞臺上輕盈地跳躍。這不僅僅是一個普通的電路，而是一場由間歇振蕩電路精心編排的開關(guān)電源之舞。它如同一位技藝高超的指揮家，精準(zhǔn)地掌控著每一個音符的起伏和節(jié)奏的變化，為電子設(shè)備提供著穩(wěn)定而可靠的能量之源。自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源，正是目前廣泛使用的基本電源之一，它的優(yōu)雅和實(shí)用性，為現(xiàn)代電子設(shè)備注入了源源不斷的活力。

當(dāng)接入電源后在R1給開關(guān)管VT1提供啟動電流，使VT1開始導(dǎo)通，其集電極電流Ic在L1中線性增長，在L2中感應(yīng)出使VT1基極為正，發(fā)射極為負(fù)的正反饋電壓，使VT1很快飽和。與此同時，感應(yīng)電壓給C1充電，隨著C1充電電壓的增高，VT1基極電位逐漸變低，致使VT1退出飽和區(qū)，Ic開始減小，在L2中感應(yīng)出使VT1基極為負(fù)、發(fā)射極為正的電壓，使VT1迅速截止，這時二極管VD1導(dǎo)通，高頻變壓器T初級繞組中的儲能釋放給負(fù)載。在VT1截止時，L2中沒有感應(yīng)電壓，直流供電輸人電壓又經(jīng)R1給C1反向充電，逐漸提高VT1基極電位，使其重新導(dǎo)通，再次翻轉(zhuǎn)達(dá)到飽和狀態(tài)，電路就這樣重復(fù)振蕩下去。這里就像單端反激式開關(guān)電源那樣，由變壓器T的次級繞組向負(fù)載輸出所需要的電壓。

自激式開關(guān)電源中的開關(guān)管起著開關(guān)及振蕩的雙重作從，也省去了控制電路。電路中由于負(fù)載位于變壓器的次級且工作在反激狀態(tài)，具有輸人和輸出相互隔離的優(yōu)點(diǎn)。這種電路不僅適用于大功率電源，亦適用于小功率電源。在自激式開關(guān)電源中，開關(guān)管的作用至關(guān)重要。它既是電路的開關(guān)，負(fù)責(zé)在適當(dāng)?shù)臅r候接通和斷開電流，同時也是振蕩器，負(fù)責(zé)產(chǎn)生電源所需的高頻振蕩信號。這樣的雙重作用使得自激式開關(guān)電源的設(shè)計更為簡潔，因?yàn)樗∪チ霜?dú)立的控制電路，進(jìn)一步簡化了電路結(jié)構(gòu)。

此外，自激式開關(guān)電源中的負(fù)載位于變壓器的次級，且工作在反激狀態(tài)，這一特性使得它具有輸入和輸出相互隔離的優(yōu)點(diǎn)。這種隔離不僅提高了電源的安全性，也有效地減少了電磁干擾，使得電源能夠更穩(wěn)定、更高效地工作。

對于大功率電源來說，自激式開關(guān)電源的高效性和穩(wěn)定性是極其重要的。由于開關(guān)管在電路中的雙重作用，使得電源能夠在高功率輸出時仍能保持高效率，減少了能源的浪費(fèi)。同時，電路的簡潔性也使得散熱和維護(hù)變得更為方便。

而對于小功率電源來說，自激式開關(guān)電源同樣具有廣泛的應(yīng)用前景。由于它的體積小、重量輕，且性能穩(wěn)定，因此在便攜式電子設(shè)備、智能家居等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。同時，隨著科技的發(fā)展，人們對電源的要求也在不斷提高，自激式開關(guān)電源以其獨(dú)特的優(yōu)勢，正逐漸成為滿足這些需求的重要選擇。

總的來說，自激式開關(guān)電源以其簡潔的電路結(jié)構(gòu)、高效的工作性能以及優(yōu)良的隔離特性，在大功率和小功率電源領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。隨著科技的不斷進(jìn)步，我們有理由相信，自激式開關(guān)電源將會在未來的電源領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用。

5.推挽式開關(guān)電源

推挽式開關(guān)電源是一種高效的電源設(shè)計，其典型電路如圖六所示。該電路巧妙地運(yùn)用了雙端式變換技術(shù)，使得高頻變壓器的磁芯在磁滯回線的兩側(cè)靈活工作。這種設(shè)計不僅提高了電源的工作效率，還降低了熱損耗。

在推挽式開關(guān)電源中，兩個開關(guān)管VT1和VT2扮演著至關(guān)重要的角色。它們在外激勵方波信號的控制下，交替地進(jìn)行導(dǎo)通與截止操作。這種交替工作的方式，使得電流在高頻變壓器T的初級繞組中產(chǎn)生變化，從而在次級繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動勢。這個感應(yīng)電動勢呈現(xiàn)出方波電壓的特性，為后續(xù)的整流濾波過程提供了必要的條件。

經(jīng)過整流濾波環(huán)節(jié)的處理，方波電壓被轉(zhuǎn)換成平滑的直流電壓，滿足了電子設(shè)備對穩(wěn)定直流電源的需求。整流濾波電路中的整流器負(fù)責(zé)將交流成分濾除，而濾波器則進(jìn)一步平滑輸出電壓，確保電源的穩(wěn)定性。

綜上所述，推挽式開關(guān)電源通過巧妙的電路設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的電源輸出。它在現(xiàn)代電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用，為各種復(fù)雜電路的穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠的保障。