主回路-開關電源的分析

隨著各種技術的發展，主回路-開關電源在各個產品中應用。主回路-開關電源中，功率電流流經的通路。主回路一般包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增加而增長，但二者增長速率各異。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，這為開關電源提供了廣闊的發展空間

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繼續供電，從而保證了負載端獲得連續的電流。

上圖是在圖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，它的作用是在控制開關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把電荷轉化成電流繼續向負載R提供能量輸出;D是整流二極管，主要功能是續流作用，故稱它為續流二極管，其作用是在控制開關關斷期間Toff,給儲能濾波電感L釋放能量提供電流通路。

在控制開關關斷期間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。

對于圖1-2,如果不看控制開關T和輸入電壓Ui,它是一個典型的反г 型濾波電路，它的作用是把脈動直流電壓通過平滑濾波輸出其平均值。

串聯式開關電源輸出電壓uo的平均值Ua為：

1.2. 并聯式結構

并聯--在主回路中，相對于輸入端而言，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疊加后，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。并且為了獲得連續的負載電流，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。電路的基本結構特征是：在主回路中，相對于輸入端而言，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區別是，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產生電感作用的元件統稱為電感原件，常常直接簡稱為電感。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重要。我們認為電感器和電容器一樣，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似，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 single Forward Converte

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;