关闭

关闭

封号提示

内容

首页 开关电源原理与设计.pdf

开关电源原理与设计.pdf

开关电源原理与设计.pdf

上传者: hansen_1984 2011-10-20 评分5 评论0 下载638 收藏0 阅读量937 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《开关电源原理与设计pdf》,可适用于IT书籍领域,主题内容包含开关电源原理与设计前言电子创新网wwweetrendcom前言认识陶显芳先生是在年的首届珠三角IC设计联谊会上(当时还叫IC设计荔枝节)陶先生当时主符等。

开关电源原理与设计前言电子创新网wwweetrendcom前言认识陶显芳先生是在年的首届珠三角IC设计联谊会上(当时还叫IC设计荔枝节)陶先生当时主持一个会场讨论其犀利诙谐的言论吸引了所有与会者也包括我这个对本土IC设计不甚了解的门外汉从那以后与陶先生结下友谊对陶先生印象最深的是其古道热肠和渊博的知识作为留学德国的高材生陶先生在射频、电子系统设计方面积累深厚的经验在我担任电子工程专辑网站主编期间陶先生经常撰写技术文章其文章点击率经常创下记录年他的《为什么大学毕业生工作难找?》的文章一发表就受到各个媒体的转载引起强烈反响现在当我们回读这篇文章陶显芳先生当时的分析无不一一得到印证。创办电子创新网以后陶先生也是鼎立支持在电子创新网上首发了很多非常有分量的文章《开关电源原理与设计》一书本是陶先生准备出版的图书此书从理论深度分析开关电源的原理书中很多公式均由陶先生自己推导得出且内容由浅入深非常适合工程师朋友学习。在国内开关电源书籍中可算是位列第一的奇书此书经我看后即被约来发表电子创新网也成为此书唯一授权发表媒体陶先生淡泊名利唯希望此书可以给本土工程师电源设计上更多帮助在此衷心地感谢陶先生无私地奉献!此书目前以博文连载形式在电子创新网发表陶先生也经常在博客中回答网友的提问如果想了解最新内容可以登陆电子创新网查看。我们会将每章作为独立的电子书编辑后登出供工程师朋友下载。张国斌《开关电源原理与设计》电子书主编电子创新网CEO开关电源原理与设计前言电子创新网wwweetrendcom作者简介陶显芳先生简历:毕业于大连理工大学年经电子部选拔由国家经委派送德国企业界资助(中德政府签订的个专家学者到德进修学习项目)赴德国CDC(CARDUISBERGCENTER)和SIEMENS等大学、企业进修学习(个月)。参与开发的甲、、雷达被中国科学大会授予科学进步奖是康佳技术开发中心的创始人和技术带头人开发的KKP型彩电获全国彩电性能指标评比第一名。拥有多项国家级发明专利。现为康佳集团彩电技术开发中心总体技术设计所所长高级工程师“中国管理科学研究院”特约研究员深圳市计算机协会第六届副会长。陶先生在创新网上的博客地址http:wwweetrendcomblog开关电源原理与设计目录电子创新网wwweetrendcom目录前言••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••第章、开关电源的基本工作原理•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••几种基本类型的开关电源•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••串联式开关电源•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••串联式开关电源的工作原理••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••串联式开关电源输出电压滤波电路••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••串联式开关电源储能滤波电感的计算•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••串联式开关电源储能滤波电容的计算•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••反转式串联开关电源•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••反转式串联开关电源的工作原理••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••反转式串联开关电源储能电感的计算•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••反转式串联开关电源储能滤波电容的计算••••••••••••••••••••••••••••••••••••并联式开关电源••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••并联式开关电源的工作原理•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••并联式开关电源输出电压滤波电路•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••并联开关电源储能电感的计算••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••并联式开关电源储能滤波电容的计算•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••单激式变压器开关电源••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••单激式变压器开关电源的工作原理•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••正激式变压器开关电源••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••正激式变压器开关电源工作原理••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••正激式变压器开关电源的优缺点••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••正激式变压器开关电源电路参数计算•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••反激式变压器开关电源工作原理•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••开关电源原理与设计目录电子创新网wwweetrendcom反激式变压器开关电源工作原理••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••开关电源电路的过渡过程•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••反激式变压器开关电源电路参数计算•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••反激式变压器开关电源的优缺点••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••双激式变压器开关电源•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••推挽式变压器开关电源的工作原理•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••半桥式变压器开关电源•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••全桥式变压器开关电源••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••开关电源原理与设计第一章开关电源的基本工作原理电子创新网wwweetrendcom第章开关电源的基本工作原理几种基本类型的开关电源顾名思义开关电源就是利用电子开关器件(如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等)通过控制电路使电子开关器件不停地“接通”和“关断”让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制从而实现DCAC、DCDC电压变换以及输出电压可调和自动稳压。开关电源一般有三种工作模式:频率、脉冲宽度固定模式频率固定、脉冲宽度可变模式频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于DCAC逆变电源或DCDC电压变换后两种工作模式多用于开关稳压电源。另外开关电源输出电压也有三种工作方式:直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。同样前一种工作方式多用于DCAC逆变电源或DCDC电压变换后两种工作方式多用于开关稳压电源。根据开关器件在电路中连接的方式目前比较广泛使用的开关电源大体上可分为:串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。其中变压器式开关电源(后面简称变压器开关电源)还可以进一步分成:推挽式、半桥式、全桥式等多种根据变压器的激励和输出电压的相位又可以分成:正激式、反激式、单激式和双激式等多种如果从用途上来分还可以分成更多种类。下面我们先对串联式、并联式、变压器式等三种最基本的开关电源工作原理进行简单介绍其它种类的开关电源也将逐步进行详细分析。串联式开关电源串联式开关电源的工作原理图a是串联式开关电源的最简单工作原理图图a中Ui是开关电源的工作电压即:直流输入电压K是控制开关R是负载。当控制开关K接通的时候开关电源就向负载R输出一个脉冲宽度为Ton幅度为Ui的脉冲电压Up当控制开关K关断的时候又相当于开关电源向负载R输出一个脉冲宽度为Toff幅度为的脉冲电压。这样控制开关K不停地“接通”和“关断”在负载两端就可以得到一个脉冲调制的输出电压uo。图b是串联式开关电源输出电压的波形由图中看出控制开关K输出电压uo是一个脉冲调制方波脉冲幅度Up等于输入电压Ui脉冲宽度等于控制开关K的接通时间Ton由此可求得串联式开关电源输出电压uo的平均值Ua为:开关电源原理与设计第一章开关电源的基本工作原理电子创新网wwweetrendcom图式中Ton为控制开关K接通的时间T为控制开关K的工作周期。改变控制开关K接通时间Ton与关断时间Toff的比例就可以改变输出电压uo的平均值Ua。一般人们都把称为占空比(Duty)用D来表示即:或串联式开关电源输出电压uo的幅值Up等于输入电压Ui其输出电压uo的平均值Ua总是小于输入电压Ui因此串联式开关电源一般都是以平均值Ua为变量输出电压。所以串联式开关电源属于降压型开关电源。串联式开关电源也有人称它为斩波器由于它工作原理简单工作效率很高因此其在输出功率控制方面应用很广。例如电动摩托车速度控制器以及灯光亮度控制器等都是属于串联式开关电源的应用。如果串联式开关电源只单纯用于功率输出控制电压输出可以不用接整流滤波电路而直接给负载提供功率输出但如果用于稳压输出则必须要经过整流滤波。串联式开关电源的缺点是输入与输出共用一个地因此容易产生EMI干扰和底板带电当输入电压为市电整流输出电压的时候容易引起触电对人身不安全。串联式开关电源输出电压滤波电路大多数开关电源输出都是直流电压因此一般开关电源的输出电路都带有整流滤波电路。图是带有整流滤波功能的串联式开关电源工作原理图。开关电源原理与设计第一章开关电源的基本工作原理电子创新网wwweetrendcom图图是在图a电路的基础上增加了一个整流二极管和一个LC滤波电路。其中L是储能滤波电感它的作用是在控制开关K接通期间Ton限制大电流通过防止输入电压Ui直接加到负载R上对负载R进行电压冲击同时对流过电感的电流iL转化成磁能进行能量存储然后在控制开关K关断期间Toff把磁能转化成电流iL继续向负载R提供能量输出C是储能滤波电容它的作用是在控制开关K接通期间Ton把流过储能电感L的部分电流转化成电荷进行存储然后在控制开关K关断期间Toff把电荷转化成电流继续向负载R提供能量输出D是整流二极管主要功能是续流作用故称它为续流二极管其作用是在控制开关关断期间Toff给储能滤波电感L释放能量提供电流通路。在控制开关关断期间Toff储能电感L将产生反电动势流过储能电感L的电流iL由反电动势eL的正极流出通过负载R再经过续流二极管D的正极然后从续流二极管D的负极流出最后回到反电动势eL的负极。对于图如果不看控制开关K和输入电压Ui它是一个典型的反型滤波电路它的作用是把脉动直流电压通过平滑滤波输出其平均值。图、图、图分别是控制开关K的占空比D等于、<、>时图电路中几个关键点的电压和电流波形。图a)、图a)、图a)分别为控制开关K输出电压uo的波形图b)、图b)、图b)分别为储能滤波电容两端电压uc的波形图c)、图c)、图c)分别为流过储能电感L电流iL的波形。Administrator矩形LC开关电源原理与设计第一章开关电源的基本工作原理电子创新网wwweetrendcom图图图开关电源原理与设计第一章开关电源的基本工作原理电子创新网wwweetrendcom在Ton期间控制开关K接通输入电压Ui通过控制开关K输出电压uo然后加到储能滤波电感L和储能滤波电容C组成的滤波电路上在此期间储能滤波电感L两端的电压eL为:K接通期间()式中:Ui输入电压Uo为直流输出电压即:电容两端的电压uc的平均值。在此顺便说明:由于电容两端的电压变化量ΔU相对于输出电压Uo来说非常小为了简单我们这里把Uo当成常量来处理。在某种情况下如需要对电容的初次充、放电过程进行分析时必须需要建立微分方程并求解。因为输出电压Uo的建立需要一定的时间精确计算得出的结果中一般都含有指数函数项当令时间变量等于无穷大时即电路进入稳态时再对相关参量取平均值其结果就基本与()相等。对()式进行积分得:K接通期间()式中i()为控制开关K转换瞬间(t=时刻)即:控制开关K刚接通瞬间流过电感L的电流或称流过电感L的初始电流。当控制开关K由接通期间Ton突然转换到关断期间Toff的瞬间流过电感L的电流iL达到最大值:K关断瞬间()在Toff期间控制开关K关断储能电感L把磁能转化成电流iL通过整流二极管D继续向负载R提供能量在此期间储能滤波电感L两端的电压eL为:K关断期间()式中–Uo前的负号表示K关断期间电感产生电动势的方向与K接通期间电感产生电动势的方向正好相反。对()式进行积分得:K关断期间()式中i(Ton)为控制开关K从Ton转换到Toff的瞬间之前流过电感的电流i(Ton)也可以写为i(Toff)即:控制开关K关断或接通瞬间之前和之后流过电感L的电流相等。实际上()式中的i(Ton)就是()式中的iLm即:K关断前瞬间()开关电源原理与设计第一章开关电源的基本工作原理电子创新网wwweetrendcom因此()式可以改写为:K关断期间()当t=Toff时iL达到最小值。其最小值为:K接通前瞬间()上面计算都是假设输出电压Uo基本不变的情况得到的结果在实际应用电路中也正好是这样输出电压Uo的电压纹波非常小只有输出电压的百分之几工程计算中完全可以忽略不计。从()式到()和图、图、图中可以看出: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:()当Ui=Uo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()式中i()和()式中iLX均等于。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。()当Ui>Uo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()式中i()等于以及Ton小于Toff此时()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。()当Ui<Uo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()式中i()和()式中iLX均大于即: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。开关电源原理与设计第一章开关电源的基本工作原理电子创新网wwweetrendcom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(didt)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()式:K关断前瞬间()当串联式开关电源工作于临界连续电流状态时即D=时i()=iLm=Io因此()式可以改写为:K关断前瞬间()式中Io为流过负载的电流(平均电流)当D=时其大小正好等于流过储能电感L最大电流iLm的二分之一T为开关电源的工作周期T正好等于倍Ton。由此求得:()或:()()和()式就是计算串联式开关电源储能滤波电感L的公式(D=时)。()和()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ΔUPP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()式的值串联式开关电源滤波输出的电压Uo将大于滤波输入开关电源原理与设计第一章开关电源的基本工作原理电子创新网wwweetrendcom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ΔUPP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。由图可以看出:当控制开关K的占空比D小于时流过滤波电感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ΔUPP将显著增大。因此串联式开关电源最好不要工作于图的电流不连续状态而最好工作于图和图表示的临界连续电流和连续电流状态。串联式开关电源工作于临界连续电流状态输出电压Uo等于输入电压Ui的二分之一等于滤波输入电压uo的平均值Ua且输出电流Io也等于流过滤波电感L最大电流iLm的二分之一。串联式开关电源工作于连续电流状态输出电压Uo大于输入电压Ui的二分之一大于滤波输入电压uo的平均值Ua且输出电流Io也大于流过滤波电感L最大电流iLm的二分之一。串联式开关电源储能滤波电容的计算我们同样从流过储能电感的电流为临界连续电流状态着手对储能滤波电容C的充、放电过程进行分析然后再对储能滤波电容C的数值进行计算。图是串联式开关电源工作于临界连续电流状态时串联式开关电源电路中各点电压和电流的波形。图中Ui为电源的输入电压uo为控制开关K的输出电压Uo为电源滤波输出电压iL为流过储能滤波电感电流Io为流过负载的电流。图a)是控制开关K输出电压的波形图b)是储能滤波电容C的充、放电曲线图图c)是流过储能滤波电感电流iL的波形。当串联式开关电源工作于临界连续电流状态时控制开关K的占空比D等于流过负载的电流Io等于流过储能滤波电感最大电流iLm的二分之一。在Ton期间控制开关K接通输入电压Ui通过控制开关K输出电压uo在输出电压uo的作用下流过储能滤波电感L的电流开始增大。当作用时间t大于二分之一Ton的时候流过储能滤波电感L的电流iL开始大于流过负载的电流Io所以流过储能滤波电感L的电流iL有一部分开始对储能滤波电容C进行充电储能滤波电容C的两端电压开始上升。当作用时间t等于Ton的时候流过储能滤波电感L的电流iL为最大但储能滤波电容C的两端电压并没有达到最大值此时储能滤波电容C的两端电压还在继续上升因为流过储能滤波电感L的电流iL还大于流过负载的电流Io当作用时间t等于二分之一Toff的时候流过储能滤波电感L的电流iL正好等于负载电流Io储能滤波电容C的两端电压达到最大值电容停止充电并开始从充电转为放电。开关电源原理与设计第一章开关电源的基本工作原理电子创新网wwweetrendcom图可以证明储能滤波电容进行充电时电容两端的电压是按正弦曲线的速率变化而储能滤波电容进行放电时电容两端的电压是按指数曲线的速率变化这一点后面还要详细说明请参考后面图、图、图的详细分析。图中电容两端的充放电曲线是有意把它的曲率放大了的实际上它们的变化曲率并没有那么大。因为储能滤波电感L和储能滤波电容构成的时间常数相对于控制开关的接通或关断时间来说非常大(正弦曲线的周期:)即:由储能滤波电感L和储能滤波电容组成谐振回路的谐振频率相对于开关电源的工作频率来说非常低而电容两端的充放电曲线变化范围只相当于正弦曲线零点几度的变化范围因此电容两端的充、放电曲线基本上可以看成是直线这相当于用曲率的平均值取代曲线曲率。同理图、图、图中储能滤波电容C的两端电压都可以看成是按直线变化的电压或称为电压或电流锯齿波。实际应用中一般都是利用平均值的概念来计算储能滤波电容C的数值。值得注意的是:滤波电容C进行充、放电的电流ic的平均值Ia正好等于流过负载的电流Io因为在D等于的情况下电容充、放电的时间相等只要电容两端电压的平均值不变其充、放电的电流必然相等并等于流过负载的电流Io。滤波电容C的计算方法如下:由图可以看出在控制开关的占空比D等于的情况下电容器充、放电的电荷和充、放电的时间以及正、负电压纹波值均应该相等并且电容器充电流的平均值也正好等于流过负载的电流。因此电容器充时电容器存储的电荷ΔQ为:D=时()电容器充电的电压增量ΔUc为:开关电源原理与设计第一章开关电源的基本工作原理电子创新网wwweetrendcomD=时()由此求得:D=时()或:D=时()()和()式就是计算串联式开关电源储能滤波电容的公式(D=时)。式中:Io是流过负载的电流T为控制开关K的工作周期ΔUPP为输出电压的波纹。电压波纹ΔUPP一般都取峰峰值所以电压波纹正好等于电容器充电或放电时的电压增量即:ΔUPP=ΔUc。顺便说明由于人们习惯上都是以输出电压的平均值为水平线把电压纹波分成正负两部分所以这里遵照习惯也把电容器充电或放电时的电压增量分成两部分即:ΔUc。同理()和()式的计算结果只给出了计算串联式开关电源储能滤波电容C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的系数。当储能滤波电容的值小于()式的值时串联式开关电源滤波输出电压Uo的电压纹波ΔUPP会增大并且当开关K工作的占空比D小于时由于流过储能滤波电感L的电流iL出现不连续电容器放电的时间大于电容器充电的时间因此开关电源滤波输出电压Uo的电压纹波ΔUPP将显著增大。因此最好按()式计算结果的倍以上来选取储能滤波电容的参数。反转式串联开关电源反转式串联开关电源的工作原理图是另一种串联式开关电源一般称为反转式串联开关电源。这种反转式串联开关电源与一般串联式开关电源的区别是这种反转式串联开关电源输出的电压是负电压正好与一般串联式开关电源输出的正电压极性相反并且由于储能电感L只在开关K关断时才向负载输出电流因此在相同条件下反转式串联开关电源输出的电流比串联式开关电源输出的电流小一倍。在一般电路中大部分都是使用单极性电源但在一些特殊场合有时需要两组电源其中一组为负电源。因此选用图所示的反转式串联开关电源作为负电源是很方便的。图中Ui为输入电源K为控制开关L为储能电感D为整流二极管C为储能滤波电容R为负载电阻。当控制开关K接通的时候输入电源Ui开始对储能电感L加电流过储能电感L的电流开始增加同时电流在储能电感中也要产生磁场当控制开关K由接通转为关断的时候储能电感会产生反电动开关电源原理与设计第一章开关电源的基本工作原理电子创新网wwweetrendcom势使电流继续流动并通过整流二极管D进行整流再经电容储能滤波然后向负载R提供电流输出。控制开关K不断地反复接通和关断过程在负载R上就可以得到一个负极性的电压输出。图图图图开关电源原理与设计第一章开关电源的基本工作原理电子创新网wwweetrendcom图图、图、图分别是控制开关K的占空比D等于、<、>时图电路中几个关键点的电压和电流波形。图a)、图a)、图a)分别为控制开关K输出电压uo的波形图b)、图b)、图b)分别为储能滤波电容两端电压uc的波形图c)、图c)、图c)分别为流过储能电感L电流iL的波形。应该特别注意的是图c)、图c)、图c)中的电流波形按原理应该取负值但取负值后与前面图与图对比反而觉得不好对比和分析因此当进行具体计算时一定要注意电流和电压的方向。在开关接通Ton期间控制开关K接通电源Ui开始对储能电感L供电在此期间储能电感L两端的电压eL为:K接通期间()对()式进行积分得:K接通期间()式中iL为流过储能电感L电流的瞬时值t为时间变量i()为的初始电流即:控制开关K接通瞬间之前流过储能电感L中的电流。当开关电源工作于临界连续电流状态时i()=由此可以求得流过储能电感L的最大电流为:K关断前瞬间()在开关关断Toff期间控制开关K关断储能电感L把电流iLm转化成反电动势通过整流二极管D继续向负载R提供能量在此期间储能电感L两端的电压eL为:开关电源原理与设计第一章开关电源的基本工作原理电子创新网wwweetrendcomK关断期间()式中–Uo前的负号表示K关断期间电感产生电动势的方向与K接通期间电感产生电动势的方向正好相反。对()式进行积分得:K关断期间()式中i(Ton)为控制开关K从Ton转换到Toff的瞬间之前流过电感的电流i(Ton)也可以写为i(Toff)即:控制开关K关断或接通瞬间之前和之后流过电感L的电流相等。实际上()式中的i(Ton)就是()式中的iLm即:K关断前瞬间()因此()式可以改写为:K关断期间()当t=Toff时iL达到最小值。其最小值为:K接通前瞬间()反转式串联开关电源输出电压一般为负脉冲的幅值。当开关电源工作于临界连续电流状态时流过储能电感的初始电流i()等于(参看图a))即:()式中流过储能电感电流的最小值iLX等于。因此由()和()式可求得反转式串联开关电源输出电压Uo为:()由()式可以看出反转式串联开关电源输出电压与输入电压与开关接通的时间成正比与开关关断的时间成反比。另外从图可以看出由于反转式串联开关电源仅当控制开关K关断期间才产生反电动势向负载提供能量。因此当占空比为时输出电流的平均值Io为流过储能电感电流最大值的四分之一当占空比小于时输出电流的平均值Io小于流过储能电感电流最大值的四分之一(图)当占空比大于时输出电流的平均值Io大于流过储能电感电流最大值的四分之一(图)。反转式串联开关电源储能电感的计算反转式串联开关电源储能电感的计算方法与前面“串联式开关电源储能滤波电感的计算”方法基本相同计算反转式串联开关电源中储能电感的数值也是从流过储能电感的电流为临界连续电流状态进行分析。但须要特别注意反转式串联开关电源中的储能电感仅在控制开关K关断期间才产生反电动开关电源原理与设计第一章开关电源的基本工作原理电子创新网wwweetrendcom势向负载提供能量因此流过负载的电流比串联式开关电源流过负载的电流小一倍即:当占空比小于时反转式串联开关电源中流过负载R的电流Io只有流过储能电感L最大电流iLm的四分之一。根据()式:K关断前瞬间()()式可以改写为:K关断前瞬间()式中Io为流过负载的电流当D=时其大小等于最大电流iLm的四分之一T为开关电源的工作周期T正好等于倍Ton。由此求得:()或:()()和()式就是计算反转式串联开关电源中储能电感的公式。同理()和()式的计算结果只给出了计算反转式串联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的系数。当储能电感L的值小于()式的值时流过滤波电感L的电流上升率将增大如果流过滤波电感L的电流iL为连续电流输出电压Uo将会升高如果为了维持滤波输出电压Uo不变则必须要把控制开关K占空比D减小但占空比D的减小将会使流过储能电感的电流iL出现不连续从而使滤波输出电压Uo的电压纹波增大。如果流过滤波电感L的电流iL不是连续电流储能电感L的减小将会使流过储能电感的电流iL不连续的时间变长电源滤波输出电压Uo不但不会升高反而会使反转式串联开关电源滤波输出电压Uo的电压纹波显著增大。当储能滤波电感L的值大于()式的值时流过储能电感L的电流上升率将减小输出电压Uo将降低但滤波输出电压Uo的电压纹波显著减小如果为了维持电源滤波输出电压Uo不变控制开关K必须要把占空比D增大而占空比D的增大又会使流过储能电感的电流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电源滤波输出电压Uo的电压纹波降低。反转式串联开关电源储能滤波电容的计算开关电源原理与设计第一章开关电源的基本工作原理电子创新网wwweetrendcom反转式串联开关电源储能滤波电容参数的计算与串联式开关电源储能滤波电容的计算方法基本相同。但要注意即使是在占空比D等于的情况下滤波电容器充、放电的时间都不相等滤波电容器充电的时间小于半个工作周期而电容器放电的时间则大于半个工作周期但电容器充、放电的电荷是相等的即电容器充电时的电流大于放电时的电流。这是整流滤波电路的普遍规律。从图可以看出在占空比D等于的情况下电容器充电的时间为电容充电电流的平均值为或而电容器放电的时间为电容放电电流的平均值为Io。因此有:()式中ΔQ为电容器充电的电荷Io流过负载的平均电流T为工作周期。电容充电时电容两端的电压由最小值充到最大值(绝对值)相应的电压增量为ΔUc由此求得电容器两端的波纹电压ΔUPP为:D=时()由此求得:D=时()或:D=时()()和()式就是计算反转式串联开关电源储能滤波电容的公式(D=时)。式中:Io是流过负载电流的平均值T为开关工作周期ΔUPP为滤波输出电压的波纹或电压纹波。一般波纹电压都是取电压增量的峰峰值因此当D=时波纹电压等于电容器充电的电压增量即:ΔUPP=ΔUc。同理()和()式的计算结果只给出了计算反转式串联开关电源储能滤波电容C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的系数。当开关K的占空比D小于时由于流过储能滤波电感L的电流会不连续电容器放电的时间将远远大于电容器充电的时间因此开关电源滤波输出电压的纹波将显著增大。另外开关电源的负载一般也不是固定的当负载电流增大的时候开关电源滤波输出电压的纹波也将会增大。因此设计开关电源的时候要留有充分的余量实际应用中最好按()式计算结果的倍以上来计算储能滤波电容的参数。并联式开关电源开关电源原理与设计第一章开关电源的基本工作原理电子创新网wwweetrendcom并联式开关电源的工作原理比较简单工作效率很高因此应用很广泛特别是在一些小电子产品中并联式开关电源作为DCDC升压电源应用最广。例如很多使用干电池的手提式电器由于干电池的电压一般只有V或V为了提高工作电压都是使用并联式开关电源把工作电压提高一倍。并联式开关电源的缺点是输入与输出共用一个地因此容易产生EMI干扰。并联式开关电源的工作原理图图a是并联式开关电源的最简单工作原理图图b是并联式开关电源输出电压的波形。图a中Ui是开关电源的工作电压L是储能电感K是控制开关R是负载。图b中Ui是开关电源的输入电压Uo是开关电源输出的电压Up是开关电源输出的峰值电压Ua是开关电源输出的平均电压。当控制开关K接通时输入电源Ui开始对储能电感L加电流过储能电感L的电流开始增加同时电流在储能电感中也要产生磁场当控制开关K由接通转为关断的时候储能电感会产生反电动势反电动势产生电流的方向与原来电流的方向相同因此在负载上会产生很高的电压。在Ton期间控制开关K接通储能滤波电感L两端的电压eL正好与输入电压Ui相等即:K接通期间()对上式进行积分可求得流过储能电感L的电流为:K接通期间()式中iL为流过储能电感L电流的瞬时值t为时间变量i()为流过储能电感的初始电流即:开关K接通前瞬间流过储能电感的电流。一般当占空比D小于或等于时i()=由此可以求得流过储能电感L的最大电流ILm为:K接通期间(D=)()开关电源原理与设计第一章开关电源的基本工作原理电子创新网wwweetrendcom式中Ton为控制开关K接通的时间。当图a中的控制开关K由接通状态突然转为关断时储能电感L会把其存储的能量(磁能)通过反电动势进行释放储能电感L产生的反电动势为:K关断期间()式中负号表示反电动势eL的极性与()式中的符号相反即:K接通与关断时电感的反电动势的极性正好相反。对()式阶微分方程求解得:K关断期间()式中C为常数把初始条件代入上式就很容易求出C由于控制开关K由接通状态突然转为关断时流过储能电感L中的电流iL不能突变因此i(Ton)正好等于流过储能电感L

职业精品

人力资源管理(英文版).ppt

人力资源管理的历史及发展.doc

人力资源管理试题.doc

员工薪酬福利.docx

用户评论

0/200
    暂无评论
上传我的资料

精彩专题

相关资料换一换

资料评价:

/ 111
所需积分:0 立即下载

意见
反馈

返回
顶部