第3章 自激式开关电源的原理与应用

第3章 自激式开关电源的原理与应用

自激式开关电源驱动开关管的信号由自激振荡电路产生，所用的元器件较少，电路简单，成本低，在一定程度上简化了电路。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，比如手机充电器、打印机、自动化仪器仪表、电视机和显示器等。

本章在讲述自激式开关电源基本电路的基础上，以几种变压器耦合型自激式开关电源的电路实例为载体，详细分析它们的工作原理，引领读者进入开关电源的万千世界。

∮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与类型

1．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）。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，其输出电压低于输入电压低且输入、输出电路共地，故也称为降压式非隔离型开关电源。自激式并联型属于升压型，在市电变换中很少采用。本章我们主要讲述用于AC-DC 变换的自激式变压器耦合型开关电源。本书后续章节所提到的自激式开关电源，除非特别说明，均是指自激式变压器耦合型开关电源。

2．自激式开关电源的特点

（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产生的，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，空载时开关频率较高或间歇振荡，满载时可能会达到100kHz 以下，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C 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，由于工作频率随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。

3.1.2 自激式开关电源①

1．自激式开关电源的特点

自激式串联型开关电源是非隔离的，输入电路与输出电路共地，经过输入整流后开关电源的“热地”会给用户及维护造成潜在危险。同时，由于CMOS 集成电路和数字处理集成电路的应

①

有些文献称之为RCC 变换器，RCC 指Ringing Choke Converter ，即阻尼振荡变换器。除非特别说明，本书后续章节所提到的自激式开关电源，均是指自激式变压器耦合型开关电源。

用日益广泛，采用此类对电压敏感的器件，是不能与市电采用同一参考点的。即使是普通设备，随着功能的扩展，具有多种规格的音视频或数字信号接口，信号地与市电也必须隔离。

目前，所有由市电供电的设备，几乎全部采用变压器耦合型开关电源，变压器耦合型开关电源也称为隔离开关电源。功率管控制开关变压器初级绕组存储输入电源的能量，通过开关变压器次级绕组进行能量释放。改变开关变压器的匝数比，可以得到各种不同的脉冲电压，整流滤波后向负载提供不同的直流电压。显然，开关电源的输入与输出是通过开关变压器的磁耦合传递能量的，由于开关变压器绕组之间是绝缘的，因此初、次级侧完全隔离，即“热地”和“冷地”是绝缘的，且绝缘电阻和抗电强度均可达到很高。

2．自激式开关电源的基本电路

自激式开关电源的基本电路如图3-1所示。I C 是输入电压滤波电容；VT 1为功率开关管；1R 是VT 1基极的限流电阻；T 1是开关变压器，主绕组用于初、次级能量耦合，辅助绕组产生正反馈信号；二极管VD 1和O C 组成次级整流滤波电路，给负载L R 供电。

（a ）电路图 （b ）波形图

图3-1 自激式开关电源的基本电路

在VT 1导通ON t 期间，变压器T 1从输入电压I U 蓄积能量；在VT 1截止OFF t 期间，变压器T 1蓄积的能量经变压器初、次级耦合输送给负载。OFF t 结束时，变压器初级电压1t U 波形自由振荡返回到零。VT 1的基极绕组也称辅助绕组，经变压器耦合产生正反馈信号，控制VT 1的通断，即所谓自激振荡。

由上述工作原理可知，自激式开关电源是以功率开关管和变压器为主要元件，组成的开关变换电路，通过自激振荡，将直流电变成脉冲电压，通过变压器耦合到次级侧，再经二极管整流与

电容滤波送往负载电路。在这种电路中，由于开关管起着开关及振荡的双重作用，省去了控制电路，因此，电路变得比较简单。

ON t 期间的等效电路如图3-2（a ）所示。开关管VT 1导通，变压器T 1的初级线圈1L 两端所加电压为I U ，同时，次级侧滤波电容O C 放电，供给负载输出电流O I 。这期间，整流二极管VD 1中无电流，因此变压器初、次级无相互作用。ON t 期间，变压器T 1的初级线圈1L 中蓄积的能量为2/211P I L ⨯。

图3-2 自激式开关电源的等效电路 OFF t 期间的等效电路如图3-2（b ）所示。因变压器初级侧没有电流，故图中未画出。ON t 期间1L 中蓄积的能量通过次级侧线圈2L 释放给负载。从ON t 转换到OFF t 瞬间，初、次级侧线圈的“安匝相等原理”仍然成立，因此，若初级能量全部传递给次级侧，则

P P I N I N 2211⨯=⨯ （3-1）

式中，初、次级绕组匝比N 为

12/N N N = （3-2）

考虑到能量守恒原则，即

2/2/222211P P I L I L ⨯=⨯ （3-3）

联立式（3-1），（3-3），则有

（a ）ON t 时 （b ）OFF t 时

122122L L N N N =⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛= （3-3） 上式表明，电感2L 与1L 之比与绕组匝数平方成正比。

3．自激式开关电源的简易电路

自激式开关电源的简易电路如图3-3所示。它由输入整流滤波电路、主开关电路、浪涌电压吸收电路、电压检测电路和次级侧整流滤波等组成。

图3-3 自激式开关电源的简易电路

（1）主开关电路

对于自激振荡开关电源来说，功率开关管的集电极电流峰值CP i 是决定电源输出功率之值，它由开关管的基极电流B i 与晶体管基区电荷存储效应时间stg t ②决定。为了方便讲述，把基极驱动电路单独画出来，如图3-4（a ）所示。反馈线圈'

P N 产生的正反馈电压，使晶体管VT 1的基极电流按11C R 时间常数衰减。若1C 两端电压达到二极管VD 2的正向压降F U 时，电流经1R 和VD 2流通，此时，VT 1的基极电流是这两个电流的叠加。

VT 1的集电极电流从零线性增加到B i 的FE h 倍（B i FE h ）之后，在VT 1存储电荷stg t 期间，C i

② 存储时间对应晶体管接收到关断信号到集电极电流下降到90%的时间，也就是饱和时基区的超量存储电荷的消散时间。存储时间与导通时的饱和深度有关，同时也跟关断电压、d v/d t 变化率有关。