自激式开关电源有关问题的探讨

3-3 自激式开关电源有关问题的探讨

1．如何通过电压波形的数据，粗略计算出变压器的匝数比？ 自激式开关电源的功率管“从开到关”或“从关到开”转换都要经一段过度时间，因此功率管完全导通的时间小于ON t ，完全截止时间的小于

OFF t ，如图1所示，这是HP1018打印机开关管漏极和次级绕组的电压波形

（此时“热地”与“冷地”连在一起，测量之后断开）。

图1 测量次级绕组（CH 2）电压波形

当功率管导通时，初级绕组因有电流流过而发生自感，自感电动势等于输入电源整流滤电压。根据变压器的工作原理，次级绕组会因互感作用产生负脉冲电压。这期间，初级绕组是主动绕组，次级绕组是被动绕组。

启用数字示波器“幅度”功能，测量的次级绕组负脉冲电压为23.2V （此时，整流二极管反偏截止）。若忽略初级绕组因由有电流流过引起的电动势的损耗，则初、次级绕组的匝数之比等于它们的电压之比，即

21N N =)

(21

-U U （3-1） 式中，1N 、2N 分别是初、次级绕组匝数。1U 是输入电源为AC110V 时整流滤电压，实测值为165V ，把1U =165V ，)(2-U =23.2V 代入上式，得

功率管完全截止区

功率管完全导通区

t ON

t OFF

26V

23.2V

21N N =)(21

-U U =2

.23165≈7.11 设N =

2

1

N N ，取整数N ≈7。 2．如何计算功率管截止时初级绕组感应电动势？ 当功率管截止时，次级绕组因有电流流过而发生自感，自感电动势等于整流元件导通压降与输出直流电压的叠加。根据变压器的工作原理，初级绕组会因互感作用产生正脉冲电压。这期间，初级绕组是被动绕组，次级绕组是主动绕组。

当功率管截止时初、次级绕组的感应电动势之比仍然等于它们匝数之比，即

)(2'

1+U U =2

1N N （3-2） 启用数字示波器“幅度”功能，测量的次级绕组正脉冲电压为26V ，即

)(2+U =26V ，代入上式，得

'1U =N ⨯)(2+U =7⨯26≈182V

即，功率管截止时初级绕组感应正脉冲电压等于182V 。

考虑到当前电源电压为165V ，则当功率管截止时，漏极电压是电源电压与初级绕组自感电动势的叠加，即

'11U U U D S += （3-3）

把1U =165V ，'

1U =182V 代入上式，得

DS U =165+182≈347（V ）

注：该电压不含漏感尖峰电压。

需要指出的是，'

1U （=182V ）这个数据是基于当前电源电压110V 和输出24.5V 稳定电压的状况而得出的，该电压与负载基本无关；若负载加重、输出电流增大，功率管会自动延长导通时间，从电源吸收更大的功率，维持输出电压稳定，反之亦反。

3．如何根据输入、输出电压计算占空比？

在自激式开关电源中，功率管导通时变压器励磁、磁通量增大；功率管截止时变压器消磁、磁通量减小。稳定工作时，磁通量的增大量等于减小量，根据图2“伏秒原则”示意图有A （面积）=B （面积），即

OFF ON t U N N t U ⨯=

⨯+)(22

1

1 （3-4） 式中，1U 是输入电源为AC110V 时整流滤电压，实测值为165V ；)(2+U 是次级绕组正脉冲电压，等于输出电压O U 与整流二极管导通压降及线路损耗电压F U 之和，即)(2+U =O U +F U 。

图2 “伏秒原则”示意图

由于T =ON t +OFF t ，于是得

()O N O N t T U N t U -⨯⨯=⨯+)(21

解之得，占空比为

T

t D ON

=

=1

1)

(21

+⨯+U N U ⨯100% （3-5）

把1U =165V ，)(2+U =26V 代入上式，得

D =

126

7165

1

+⨯⨯100%≈52.4%

由式（3-5）可知，自激式开关电源的占空比与工作频率无关，只与输

入电源整流滤波电压1U 、变压器初次级绕组的匝比N 以及次级绕组感应正脉冲电压)(2+U 有关。一般来说1U 变化不大，N 是变压器的固有参数，)(2+U 与负载有关。负载加重时整流二极管导通压降增大、次级绕组电阻及电路板线路电阻的压降增大，而输出电压因有稳压电路保持不变，因此)(2+U 会因负载加重而增大，但由于)(2+U 的变化幅度较小，故占空比的变化幅度也较小，在交流电压不变时只小幅度增大。

从图1可以看出ON t 、OFF t 和占空比的数值还是比较合理的！另外，由于振荡频率可以计算出周期，继而结合占空比计算出ON t 、OFF t ，读者不妨一试。

4．如何根据次级绕组脉冲电压计算占空比？

把N =

)

(21

-U U 代入式（3-5），整理得 D =

)

(2)(2)(2+-++U U U ⨯100% （3-6）

因为)(2+U =O U +F U ，在一个具体电路中O U 恒定，F U 随负载加重而稍有增大，)(2-U 与输入交流电压成正比，故，占空比随负载加重稍有增大，随输入电压升高减小。

设2U =)(2)(2+-+U U ，则2U 即为次级绕组脉冲电压的振幅，于是式（3-6）可表示为

D =

2

)(2U U +⨯100% （3-7）

式（3-7）表明，自激式开关电源的占空比为次级绕组正脉冲电压与振幅的比。比如，图1所示的波形，)(2+U =26V ，)(2-U =23.2V ，则由式（3-7）计算占空比为