自激式串联开关电源

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1、第3章i自激式开关电源的原理自激式开关电源驱动开关管的信号由自激振荡产生，在一定程度上简化了电路。它所用的元器件少，电路简单成本低。由于自激式开关电源经济实用，目前仍有较多的电子设备采用自激式开关电源，比如自动化仪器仪表、视盘机、电视机、显示器、打印机和手机充电器等。本章在讲述自激式开关电源的基本电路的基础上，以自激式开关电源的电路实例为载体，分析几种变压器耦合型开关电源的工作原理。/ 3-1自激式开关电源的工作原理3.1.1自激式开关电源的特点1 自激式开关电源的工作原理(1) 自激式开关电源结构简单，生产制造成本低廉。(2) 自激式开关电源的脉冲信号是自激振荡形成的，是一种非固定频率的变换

2、电路，随输入电压和负载变化而变化，空载时开关频率可达100kHz，满载时可能会降到 20kHz，频率的变化几乎与变压器的匝数和电感量无关。(3) 自激式开关电源的具备了一定的自保护功能，一旦负载过重，必然破坏反馈条件，振 荡将因损耗过大而减少或和停振，因此保护电路也比较简单，这是自激式开关电源的一大优点。(4) 自激式开关电源在改变占空比D时，振荡兼开关管的iE与Uce相对值发生变化，因此D变化范围较小，一般不大于0.5。(5) 自激式开关电源的开关电流峰值高、纹波电流大，由于它的工作频率随着输入电压和负载电流变化而变化， 在高功率、大电流工作时稳定性差，因此仅用于60W以下的小功率场合。2

3、自激式开关电源的类型自激式开关电源按输入、输出连接方式可分为串联型(降压式非隔离型)、并联型(升非隔离型)和变压器耦合型(隔离型)。在变压器耦合型自激式开关电源中，按开关管的连接方式又可分为单管式、推挽式和桥式等。由于自激式并联型属于升压型，实际应用很少，所以，本 章我们主要讲述用于 AC-DC变换的自激式中的串联型和变压器耦合型开关电源。3.1.2自激式串联型开关电源1 自激式串联型开关电源的工作原理自激式串联型开关电源是早期采用的一种开关电源，由于开关管、储能电感与负载串联, 其输出电压比输入电压低，也称为降压式非变压器耦合型开关电源。Ci、Co分别是输入电压Ui、输出如图3-1所示为自激

4、式串联型开关电源的结构原理图。电压Uo的滤波电容；开关管用一个开关符号模拟替代；L为储能电感；VD为续流二极管。电路中还包含采样电路、电压基准、比较放大和脉宽调制电路的功能框图。幵关管T图3-1自激式串联型开关电源结构原理图输入直流电压Ui经过功率开关管的通断控制，变成周期性矩形波；设周期为T,开关管导通时间为toN，截止时间为toFF。当开关管导通时，电感L的电压极性为“左正右负”，续流二极管VD反偏截止；电感L中的电流随时间tON线性增大、电感储能；当开关管截止时，电感L的电压极性为“左负右正”，续流二极管VD正偏导通，电感 L中的电流随时间tOFF线性减小、 电感释能。为了控制和调节输出

5、电压，用分压器对输出电压采样，送入误差放大器一个输入端，误差放大器另一个输入端接基准电压。两个输入电压进行比较、放大后经脉宽调制电路控制开关管通断时间比，从而调节和稳定输出电压。2 自激式串联型开关电源的基本电路自激式串联型开关电源的基本电路 如图3-2所示。G、Co分别是输入、输出电压的滤波电 容；VTi为功率开关管；T为储能变压器；VDi为放电二极管；VD?为续流二极管；VT2为脉宽 调制管；VT3为误差放大器；R4、R5构成输出电压的采样电路； R6、VSi构成基准电压。变压器T有两种功能：一是由初级绕组 -构成储能电感；二是由次级绕组-构成脉冲变压器，使 VTi可以依靠正反馈作用产生振

6、荡脉冲。图3-2自激式串联型开关电源基本电路初始上电时， R给VTi提供启动电流。VTi导通时，T绕组端输出正极性感应脉冲加到VTi基极，使VTi快速进入饱和；当-绕组电流开始下降时，同样的正反馈过程使VTi快速截止，完成一个振荡周期，功率开关管完成一次通断过程。在上述过程中，R2构成C的充电通路，同时 R还限制了正反馈电流，防止过大的正反馈电流使VTi进入过饱和状态，增大VTi基区电荷的存储效应 ，加大开关管的损耗。VD2构成G的放电通路，Ci的容量对振荡频率影响较大，即使VTi未进入饱和区，在 VTi导通期间的正反馈过程中，G的充电电流小到一定程度，也会迫使VT i截止，提前进入下一个振荡

7、周期。VT2是VTi导通周期的基极可变分流器，可以控制VTi的导通时间。在 VTi振荡过程中，VTi由通态转为止态的转折点是1|b 240通用输入2390表7-3 G范围因为输出功率PO =19W，由表7-3,取1.5卩F/VV则Gin的容量为1.5 卩 F/W 19W=28.5 疔在标准电容系列中，与该参数最近的电容为33（1F,故确定 Gn 为 33 Fo2 计算最低DC输入电压UiminIm in2ac,m inClN(7-27)式中，tc是桥式整器导通时间，设 tc=3ms ； Cin是输入电容；fL交流电网频率；Uac,min电网波动最低电压。代入有关数据，得(1J2x19乂 一31

8、0 IIm in2 1762l2 x 50丿6229V0.85 33 10723计算变压器初级电感L1从变压器初级侧，电源输入功率可表示为Rn = h U Im in式中，h是变压器初级电流平均值。从变压器次级侧，电源输入功率可表示为因此，得Rn 二 Rut /I1亠U Im in巳utUlmin(7-28)(7-29)(7-30)代入有关数据，得19 97.6mAUImin 0.85 229如图7-15所示为DCM工作模式变压器初级绕组电流波形。变压器初级电流平均值I1可以这样理解：初级峰值电流 |1R与时间轴包围的三角形变形为“面积”相等的整个周期T的矩形,则矩形的高就是电流平均值I1，即(7-31)I ItoN = I1 1R1R2 T2 Dmax把式(7-31)变形为，得代入数据，得2 I1(7-32)maxI1P= = UL6 434mA0.45当输入电压为最低电压 Uimin时，SMPS ( Switch Mode Power Supply )的开关频率fS =50kHz。由于tNIm inDmaxIm in1P1P代入有关数据，得0.45 咒 176 L13 2mH0.434 50 103实际上，把上的计算流程整合后，如下面的公式：2Pout1PUImin DmaxDmax u爲(7-32)(7-33)(7-34)