自激式串联开关电源

第3章 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E i 与CE U 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．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（升压式非隔离型）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。

如图3-1所示为自激式串联型开关电源的结构原理图。I C 、O C 分别是输入电压I U 、输出电压O U 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。

图3-1 自激式串联型开关电源结构原理图

输入直流电压I U 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ON t ，截止时间为OFF t 。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ON t 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OFF t 线性减小、电感释能。

为了控制和调节输出电压，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。I C 、O C 分别是输入、输出电压的滤波电容； VT 1为功率开关管；T 为储能变压器；VD 1为放电二极管；VD 2为续流二极管；VT 2为脉宽调制管；VT 3为误差放大器；4R 、5R 构成输出电压的采样电路；6R 、VS 1构成基准电压。

变压器T 有两种功能：一是由初级绕组③-④构成储能电感；二是由次级绕组①-②构成脉冲变压器，使VT 1可以依靠正反馈作用产生振荡脉冲。

图3-2 自激式串联型开关电源基本电路

初始上电时，1R 给VT 1提供启动电流。VT 1导通时，T 绕组②端输出正极性感应脉冲加到VT 1基极，使VT 1快速进入饱和；当③-④绕组电流开始下降时，同样的正反馈过程使VT 1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，2R 构成1C 的充电通路，同时2R 还限制了正反馈电流，防止过大的正反馈电流使VT 1进入过饱和状态，增大VT 1基区电荷的存储效应①，加大开关管的损耗。VD 2构成1C 的放电通路，1C 的容量对振荡频率影响较大，即使VT 1未进入饱和区，在VT 1导通期间的正反馈过程中，1C 的充电电流小到一定程度，也会迫使VT 1截止，提前进入下一个振荡周期。

VT 2是VT 1导通周期的基极可变分流器，可以控制VT 1的导通时间。在VT 1振荡过程中，VT 1由通态转为止态的转折点是C B I I <β的某一点；在此进程，如果VT 2导通、分流VT 1基极电流，即可减小I B1，使VT 1提前达致转折点，VT 1的通态时间变短，储能电感的储能减小，开关电源的输出电压必然降低——这就是VT 2的脉宽调制功能。

VT 2的导通电流受控于VT 3。VT 3为误差检测和电流放大管，其发射极接入简单的二极管稳压电路，作为基准电压；输出电压O U 由4R 、5R 采样后送到VT 3基极。正常工作时，采样电压比基准电压高一个VT 3发射结压降。若某种原因使O U 升高时，则VT 3发射结压降增大、集电极电流增大，VT 3导通电流也增大，控制VT 2导通电流也增大，分流更多VT 1正反馈的电流，VT 1的通态时间变短，输出电压降低。

由于VT 2发射极电压几乎等于输入电压I U ，故VT 2始终工作于放大状态。若VT 2饱和，VT 1将截止；若VT 2截止，VT 1将失去控制，处于2R 、1C 参数决定的充电过程的最大脉宽状态，造成输出电压异常升高，还会增大VT 1的开关损耗甚至于热击穿。

虽然这个电路能够实现降压，但不能完成过大的降压比。因为大幅度地降低电压，必然是尽量缩短VT 1的通态时间，这将使得VT 1的自激振荡处于临界状态，导致振荡不稳定，输出电压的纹波增大且稳定性也难以保证；同时，VT 1的通态时间过短，输出电流也无法增大，所以，这种电源只适合于小功率的负载。

① 由于晶体管基区电荷的存储效应，发射结电压突变为零时，晶体管并不能立即关断；越是过饱和，基区存储的电荷越多，延时关断的时间越长。