开关电源基础介绍

（開關電源設計技術）

一、 關電源的用途

開關電源體積小、重量輕、轉換效率高，因此它被廣泛應用於電腦、通信設備、控制裝置及家用電器等電子設備中；

二、 開關電源的分類

按轉換方式可分為: ①交流/直流(AC/DC) ②直流/直流(DC/DC) ③直流/交流(DC/AC) 三大類

按變換器的基本形式可分為：①單端反激式 ②單端正激式 ③推挽式 ④橋式 ⑤半橋式

三、R.C.C變換器（Ringing Choke Converter）

1.此變換器廣泛應用於50W以下的開關電源中，它不需要自激振盪電路，結構簡單，由輸入電壓與輸出電流改變頻率。

2.工作過程：

在VT1導通TON期間，變換器TR1初級從輸入側蓄積能量，在下一次VT1截止TOFF期間, 變換器初級蓄積能量釋放給輸出負載。TOFF結束時變換器初級電壓從自由振盪返回到0V,這個電壓通過基極繞組加到開關電晶體VT1的基極，因此電晶體VT1觸發導通，進入下一個工作週期。

3.電路特點：

①改變基極電位可改變其TON/TOFF時間（占空比D）

②改變占空比D可改變輸出電流和電壓

③占空比D較大，IC(VT1集電極電流) 較小，但VCE較高；

④占空比D較小，IC(VT1集電極電流) 較大，但VCE較低；

⑤占空比 D=TON（導通時間）/ T（工作週期）；

⑥改便輸入電壓與輸出電流可改變工作頻率；

⑦電路成本低，實用於50W以下的開關電源設計。

四、單端正激式變換器

1. 工作原理：

交流輸入電壓經過線路濾波器，再通過橋式一次整流與電容平滑濾波後變為直流電壓，此直流電壓加到開關元件上變為脈衝狀的直流電壓，此直流電壓通過高頻變壓器隔離並可變換成任意大小的直流電壓，再經二極體進行二次整流與電容平滑後變為直流輸出電壓，直流輸出電壓的一部分通過比較電路與基準電壓進行比較，其誤差電壓通過通/斷時間比例控制電路，控制開關元件的通斷時間，從而調整輸出直流電壓。

2. 電路特點：

①開關管在Ton/Toff的同時，都有能量輸出給負載；

②輸出端需要續流二極體；

③輸出端需要儲能電感；

④變壓器設計時不需要加氣隙，初極電感量越大越好；

⑤功率可從幾十瓦設計到幾百瓦；

3. 變壓器設計方法：（實例）

①設計條件

a. 輸入電壓範圍：180-260Vac

b. 額定輸入電壓：230Vac

c. 輸出電壓/電流：5V/20A

d. 工作頻率f：f = 80KHz

e. 最大工作占空比D：D = 0.4

②工作週期T

T = 1/f = 1/80000 =12.5(us)

③最大導通時間Tonmax

Tonmax = T*D = 12.5*0.4 = 5(us)

④求變壓器之輸出功率：

P T =(V O+V F+V L)*I O

P T = (5+0.5+0.2)*20

P T = 114W

式中V O是輸出直流電壓，V F是次級整流二極體的導通壓降，V L是次級扼流圈的壓降。

⑤根據輸出功率及變壓器允許最高溫升查表決定鐵芯規格，包括最大磁通密度（最

大飽和磁感應強度）Bm; 磁通密度變化量△Bm(△Bm= Bm-Br Br是剩餘磁通密度)；鐵芯截面積S. 現查表選用鐵芯規格為PQ32/20 ，△Bm=3500GS , S=80.8mm²

⑥初級繞組匝數計算：（Np）

Np = Vi* Tonmax / S*△Bm 或 Np =( Vi*D / S*△Bm*f)*10¯б

=325*5 / 80.8*0.35 =325*0.4 / 80.8*0.35*80000*10¯б≒58(T) ≒58(T)

式中Vi是變壓器的額定直流輸入電壓，(Vi = 230*1.414 = 325V)；Tonmax的單位是(us); S的單位是(mm²);△Bm的單位是(T),1T = 10000GS.

⑦次級繞組輸出最低電壓計算：（Vsmin）

Vsmin = (V O+V F+V L)*T / Ton 或 Vsmin = (V O+V F+V L)/ D

= (5+0.5+0.2)*12.5 / 5 = (5+0.5+0.2) / 0.4

=14.25V = 14.25V

⑧次級繞組匝數計算：（Ns）

因：(Ns/ Np) * Vi*D = V O+V F+V L

故：Ns = （V O+V F+V L）* Np / Vi*D

Ns = （5+0.5+0.2）*58 / 325*0.4

Ns ≒ 3(T)

或

Vs / Vi = Ns / Np

14.25 / 325 = Ns / 58

Ns = 0.043846*58

Ns ≒ 3(T)

⑨設計結果：

設計選用鐵芯規格為PQ32/20 ，△Bm=3500GS , S=80.8mm²；

初級繞組匝數： Np = 58 (T)

次級繞組匝數： Ns = 3 (T)

採用三明治繞法，初級先繞29(T)後，再繞完次級繞組，最後再繞完初級繞組29(T)，初級感量越大越好，初級漏感應小於10uH。

五、半橋式變換器

1．工作原理：

因為減小了一次側開關管的電壓承受能力，所以半橋式變換器是隔離式開關電源較好的拓撲結構，上圖為半橋式變換器電路圖，電容C1 .C2與開關電晶體Q1.Q2組成橋，橋的對角線接變壓器T1的原邊繞組，故稱半橋式變換器，如果C1= C2，某一開關電晶體導通時，繞組上電壓只有電源電壓一半。

穩態條件下，在C1= C2，Q1導通時，C1上的1/2Vs加在原邊線圈上，Q1流過負載電流Io折算至原邊電流加上磁化電流，經占空比所定的時間後，Q1關斷，此時，由於原邊繞組和漏電感的作用，電流繼續流入原邊繞組黑點標示端，但B接點擺動到負電位（A為0電位），如果原邊繞組漏電感儲存的能量是夠大時，二極體D6將導通，鉗位元電壓進一步變負，D6導通的過程把反激能量再生對C2進行充電。B連接點的電壓在阻尼電阻作用下，以振盪形式最後回復到原來的中心值，這時，Q1.Q2的緩衝器電容、電阻（圖未畫）也參與振盪作用。