開關電源的定義、分類及拓撲結構

1、開關電源的定義

輸入交流電壓(AC)經(jīng)由整流濾波以后可獲得一高壓的直流電壓(DC=1.4AC)，此電壓接入交換元件當做開關使用在20KHZ~100KHZ的高頻狀態(tài)。這時直流高壓會被切割成高頻的方波信號，這個方波信號經(jīng)由功率隔離變壓器，在二次側可以獲得事先所設定的電壓值，然后再經(jīng)由整流與濾波就可以獲得所需的直流輸出電壓。開關電源的方框圖如下：

2、開關電源的分類

開關電源按照輸入電壓與輸出電壓的類型可以分為四類，即DC-DC，AC-DC，DC-AC，AC-AC。其中DC-AC，AC-AC在實際應用中很少見到，本文敘述從略。

2.1 DC/DC變換

將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調制方式Ts不變，改變ton(通用)，二是頻率調制方式，ton不變，改變Ts(易產生干擾)。其具體的電路由以下幾類：

(1) Buck電路——降壓斬波器，其輸出平均電壓Uo小于輸入電壓Ui，極性相同。

(2) Boost電路——升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于輸入電壓Ui，極性相同。

(3) Buck-Boost電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。

(4) Cuk電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo 大于或小于輸入電壓UI,極性相反，電容傳輸。

2.2 AC/DC變換

AC/DC變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負載的稱為“整流”，功率流由負載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經(jīng)整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標準(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、FCC、CSA)，交流輸入側必須加EMC濾波及使用符合安全標準的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化，另外，由于內部的高頻、高壓、大電流開關動作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大，也就對內部高密度安裝電路設計提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關使得電源工作消耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進程，因此必須采用電源系統(tǒng)優(yōu)化設計方法才能使其工作效率達到一定的滿意程度。

3、常用的拓撲結構

3.1 單端反激變換器

3.1.1電路拓撲圖

3.1.2 電路原理

其變壓器T1起隔離和傳遞儲存能量的作用，即在開關管Q開通時Np儲存能量，開關管Q關斷時Np向Ns釋放能量。在輸出端要加由電感器Lo和兩Co電容組成一個低通濾波器，變壓器初級需有Cr、Rr和Dr組成的RCD漏感尖峰吸收電路。輸出回路需有一個整流二極管D1。由于其變壓器使用有氣隙的磁芯，故其銅損較大，變壓器溫相對較高。并且其輸出的紋波電壓比較大。但其優(yōu)點就是電路結構簡單，適用于200W以下的電源且多路輸出交調特性相對較好。

3.2 雙管反激變換器

3.2.1電路拓撲圖

3.2.2 電路原理

其變壓器T1起隔離和傳遞儲存能量的作用，即在開關管Q1、Q2開通時Np儲存能量，開關管Q1、Q2關斷時Np向Ns釋放能量，同時Np的漏感將通過D2、D3返回給輸入，可省去RCD漏感尖峰吸收電路。在輸出端要加由電感器Lo和兩Co電容組成一個低通濾波器。輸出回路需有一個整流二極管D1(最好使用恢復時間快的整流管)。

3.2.3工作特點

a、在任何工作條件下，為使兩個調整管所承受的電壓不會超過Vs+Vd　(Vs：輸入電壓;Vd:D2、D3的正向壓降，)，D2、D3必須是快恢復管(當然用超快恢復管更好)。

b、在反激開始時，儲存在原邊Np的漏電感的能量會經(jīng)D2、D3反饋回輸入，系統(tǒng)能量損失會小，效率高。

c、在與單端反激變換器相比，無需RCD吸收電路;功率器件可選擇較低的耐壓值;功率等級也會很大。

d、在輕載時，如果在“開通”周期儲存在變壓器的原邊繞組顯得過多的能量，那么在“關斷”周期會將過多的能量能量反饋到輸入。

3.3 單端正激變換器

3.3.1電路拓撲圖

3.3.2電路原理

其變壓器T1起隔離和變壓的作用，在輸出端要加一個電感器Lo(續(xù)流電感)起能量的儲存及傳遞作用，變壓器初級需有復位繞組Nr(此點上我對一些參考書籍存疑，當然有是最好，實際應用中考慮到變壓器腳位的問題)。在實際使用中，我也發(fā)現(xiàn)此繞組也用RCD吸收電路取代亦可，如果芯片的輔助電源用反激供給則也可削去調整管的部分峰值電壓(相當一部份復位繞組)。輸出回路需有一個整流二極管D1和一個續(xù)流二極管D2。由于其變壓器使用無氣隙的磁芯，故其銅損較小，變壓器溫升較低。并且其輸出的紋波電壓較小。

3.4 雙管正激變換器

3.4.1電路拓撲圖

3.4.2電路原理

其變壓器T1起隔離和變壓的作用，在輸出端要加一個電感器Lo(續(xù)流電感)起能量的儲存及傳遞作用，變壓器初級無需再有復位繞組，因為D1、D2的導通限制了兩個調整管關斷時所承受的電壓。輸出回路需有一個整流二極管D3和一個續(xù)流二極管D4(其中D3、D4均最好選用恢復時間快的整流管)。輸出濾波電容Co應選擇低ESR(等效電阻)大容量，有利于降低紋波電壓(當然這對于其它拓撲結構的也是這樣要求)。

3.4.3工作特點

A、在任何工作條件下，為使兩個調整管所承受的電壓不會超過Vs+Vd　(Vs：輸入電壓;Vd:D1、D2的正向壓降，)，D1、D2必須是快恢復管;

B、在與單端正激變換器相比，無需復位電路，有利于簡化電路和變壓器設計;功率器件可選擇較低的耐壓值;功率等級也會很大，據(jù)我所知現(xiàn)在很多大功率等級的通信電源及電力操作電源都選用了這種電路。

C、兩個調整管工作狀態(tài)一致，同時處通態(tài)或斷態(tài)。我個人建議在大功率等級電源中選用此種電路，主要是調整管好選。

3.5 推挽式變換器

3.5.1電路拓撲圖