【1】因為近日很多人在向我諮詢有關開關電源設計知識，這裡將我撰寫的《開關電源原理與設計》一書，希望給設計開關電源的工程師朋友一點幫助，我會以**的形式發布此書，歡迎提出改進建議！
第一章開關電源的基本工作原理
1-1．幾種基本型別的開關電源
顧名思義，開關電源就是利用電子開關器件（如電晶體、場效電晶體、可控矽閘流管等），通過控制電路，使電子開關器件不停地「接通」和「關斷」，讓電子開關器件對輸入電壓進行脈衝調製，從而實現dc/ac、dc/dc電壓變換，以及輸出電壓可調和自動穩壓。
開關電源一般有三種工作模式：頻率、脈衝寬度固定模式，頻率固定、脈衝寬度可變模式，頻率、脈衝寬度可變模式。前一種工作模式多用於dc/ac逆變電源，或dc/dc電壓變換；後兩種工作模式多用於開關穩壓電源。
另外，開關電源輸出電壓也有三種工作方式：直接輸出電壓方式、平均值輸出電壓方式、幅值輸出電壓方式。同樣，前一種工作方式多用於dc/ac逆變電源，或dc/dc電壓變換；後兩種工作方式多用於開關穩壓電源。
根據開關器件在電路中連線的方式，目前比較廣泛使用的開關電源，大體上可分為：串聯式開關電源、並聯式開關電源、變壓器式開關電源等三大類。其中，變壓器式開關電源（後面簡稱變壓器開關電源）還可以進一步分成：
推挽式、半橋式、全橋式等多種；根據變壓器的激勵和輸出電壓的相位，又可以分成：正激式、反激式、單激式和雙激式等多種；如果從用途上來分，還可以分成更多種類。
下面我們先對串聯式、並聯式、變壓器式等三種最基本的開關電源工作原理進行簡單介紹，其它種類的開關電源也將逐步進行詳細分析。
1-2．串聯式開關電源
1-2-1．串聯式開關電源的工作原理
圖1-1-a是串聯式開關電源的最簡單工作原理圖，圖1-1-a中ui是開關電源的工作電壓，即：直流輸入電壓；k是控制開關，r是負載。當控制開關k接通的時候，開關電源就向負載r輸出乙個脈衝寬度為ton，幅度為ui的脈衝電壓up；當控制開關k關斷的時候，又相當於開關電源向負載r輸出乙個脈衝寬度為toff，幅度為0的脈衝電壓。
這樣，控制開關k不停地「接通」和「關斷」，在負載兩端就可以得到乙個脈衝調製的輸出電壓uo。
圖1-1-b是串聯式開關電源輸出電壓的波形，由圖中看出，控制開關k輸出電壓uo是乙個脈衝調製方波，脈衝幅度up等於輸入電壓ui，脈衝寬度等於控制開關k的接通時間ton，由此可求得串聯式開關電源輸出電壓uo的平均值ua為：
ua = ui×(ton/t) = d×ui （1-1）
式中ton為控制開關k接通的時間，t為控制開關k的工作週期。改變控制開關k接通時間ton與關斷時間toff的比例，就可以改變輸出電壓uo的平均值ua 。一般人們都把它稱為占空比（duty），用d來表示，即：
或串聯式開關電源輸出電壓uo的幅值up等於輸入電壓ui，其輸出電壓uo的平均值ua總是小於輸入電壓ui，因此，串聯式開關電源一般都是以平均值ua為變數輸出電壓。所以，串聯式開關電源屬於降壓型開關電源。
串聯式開關電源也有人稱它為斬波器，由於它工作原理簡單，工作效率很高，因此其在輸出功率控制方面應用很廣。例如，電動電單車速度控制器以及燈光亮度控制器等，都是屬於串聯式開關電源的應用。如果串聯式開關電源只單純用於功率輸出控制，電壓輸出可以不用接整流濾波電路，而直接給負載提供功率輸出；但如果用於穩壓輸出，則必須要經過整流濾波。
串聯式開關電源的缺點是輸入與輸出共用乙個地，因此，容易產生emi干擾和底板帶電，當輸入電壓為市電整流輸出電壓的時候，容易引起觸電，對人身不安全。
【2】串聯式開關電源輸出電壓濾波電路
1-2-2．串聯式開關電源輸出電壓濾波電路
大多數開關電源輸出都是直流電壓，因此，一般開關電源的輸出電路都帶有整流濾波電路。圖1-2是帶有整流濾波功能的串聯式開關電源工作原理圖。
圖1-2是在圖1-1-a電路的基礎上，增加了乙個整流二極體和乙個lc濾波電路。其中l是儲能濾波電感，它的作用是在控制開關k接通期間ton限制大電流通過，防止輸入電壓ui直接加到負載r上，對負載r進行電壓衝擊，同時對流過電感的電流il轉化成磁能進行能量儲存，然後在控制開關k關斷期間toff把磁能轉化成電流il繼續向負載r提供能量輸出；c是儲能濾波電容，它的作用是在控制開關k接通期間ton把流過儲能電感l的部分電流轉化成電荷進行儲存，然後在控制開關k關斷期間toff把電荷轉化成電流繼續向負載r提供能量輸出；d是整流二極體，主要功能是續流作用，故稱它為續流二極體，其作用是在控制開關關斷期間toff，給儲能濾波電感l釋放能量提供電流通路。
在控制開關關斷期間toff，儲能電感l將產生反電動勢，流過儲能電感l的電流il由反電動勢el的正極流出，通過負載r，再經過續流二極體d的正極，然後從續流二極體d的負極流出，最後回到反電動勢el的負極。
對於圖1-2，如果不看控制開關k和輸入電壓ui，它是乙個典型的反г型濾波電路，它的作用是把脈動直流電壓通過平滑濾波輸出其平均值。
圖1-3、圖1-4、圖1-5分別是控制開關k的占空比d等於0.5、< 0.5、> 0.
5時，圖1-2電路中幾個關鍵點的電壓和電流波形。圖1-3-a）、圖1-4-a）、圖1-5-a）分別為控制開關k輸出電壓uo的波形；圖1-3-b）、圖1-4-b）、圖1-5-b）分別為儲能濾波電容兩端電壓uc的波形；圖1-3-c）、圖1-4-c）、圖1-5-c）分別為流過儲能電感l電流il的波形。
在ton期間，控制開關k接通，輸入電壓ui通過控制開關k輸出電壓uo，然後加到儲能濾波電感l和儲能濾波電容c組成的濾波電路上，在此期間儲能濾波電感l兩端的電壓el為：
el = ldi/dt = ui – uo —— k接通期間 （1-4）
式中：ui輸入電壓，uo為直流輸出電壓，即：電容兩端的電壓uc的平均值。
在此順便說明：由於電容兩端的電壓變化量δu相對於輸出電壓uo來說非常小，為了簡單，我們這裡把uo當成常量來處理。在某種情況下，如需要對電容的初次充、放電過程進行分析時，必須需要建立微分方程，並求解。
因為輸出電壓uo的建立需要一定的時間，精確計算得出的結果中一般都含有指數函式項，當令時間變數等於無窮大時，即電路進入穩態時，再對相關參量取平均值，其結果就基本與（1-4）相等。
對（1-4）式進行積分得：
式中i（0）為控制開關k轉換瞬間（t = 0時刻），即：控制開關k剛接通瞬間流過電感l的電流，或稱流過電感l的初始電流。
當控制開關k由接通期間ton突然轉換到關斷期間toff的瞬間，流過電感l的電流il達到最大值：
式中i（ton+）為控制開關k從ton轉換到toff的瞬間之前流過電感的電流，i（ton+）也可以寫為i（toff-），即：控制開關k關斷或接通瞬間，之前和之後流過電感l的電流相等。實際上（1-8）式中的i（ton+）就是（1-6）式中的ilm，即：
上面計算都是假設輸出電壓uo基本不變的情況得到的結果，在實際應用電路中也正好是這樣，輸出電壓uo的電壓紋波非常小，只有輸出電壓的百分之幾，工程計算中完全可以忽略不計。
從（1-4）式到（1-11）和圖1-3、圖1-4、圖1-5中可以看出：
當開關電源工作於臨界連續電流或連續電流狀態時，在k接通和關斷的整個週期內，儲能電感l都有電流流出，但在k接通期間與k關斷期間，流過儲能電感l的電流的上公升率（絕對值）一般是不一樣的。
在k接通期間，流過儲能電感l的電流上公升率為：(ui-uo)/l；
在k關斷期間，流過儲能電感l的電流上公升率為：-uo/l。
因此：（1）當ui = 2uo時，即濾波輸出電壓uo等於電源輸入電壓ui的一半時，或控制開關k的占空比d為二分之一時，流過儲能電感l的電流上公升率，在k接通期間與k關斷期間絕對值完全相等，即電感儲存能量的速度與釋放能量的速度完全相等。此時，（1-5）式中i（0）和（1-11）式中ilx均等於0。
在這種情況下，流過儲能電感l的電流il為臨界連續電流，且濾波輸出電壓uo等於濾波輸入電壓uo的平均值ua。參看圖1-3。
（2）當ui > 2uo時，即：濾波輸出電壓uo小於電源輸入電壓ui的一半時，或控制開關k的占空比小於二分之一時：雖然在k接通期間，流過儲能電感l的電流上公升率（絕對值），大於，在k關斷期間，流過儲能電感l的電流上公升率（絕對值）；但由於（1-5）式中i（0）等於0，以及ton小於toff，此時，（1-11）式中的ilx會出現負值，即輸出電壓反過來要對電感充電，但由於整流二極體d的存在，這是不可能的，這表示流過儲能電感l的電流提前過0，即有斷流。
在這種情況下，流過儲能電感l的電流il不是連續電流，開關電源工作於電流不連續狀態，因此，輸出電壓uo的紋波比較大，且濾波輸出電壓uo小於濾波輸入電壓uo的平均值ua。參看圖1-4。
（3）當ui < 2uo時，即：濾波輸出電壓uo大於電源輸入電壓ui的一半時，或控制開關k的占空比大於二分之一時：在k接通期間，雖然流過儲能電感l的電流上公升率（絕對值），小於，在k關斷期間，流過儲能電感l的電流上公升率（絕對值）。
但由於ton大於toff，（1-5）式中i（0）和（1-11）式中ilx均大於0，即：電感儲存能量每次均釋放不完。在這種情況下，流過儲能電感l的電流il是連續電流，開關電源工作於連續電流狀態，輸出電壓uo的紋波比較小，且濾波輸出電壓uo大於濾波輸入電壓uo的平均值ua。
參看圖1-5。
【3】串聯式開關電源儲能濾波電感的計算
從前文的分析可知，串聯式開關電源輸出電壓uo與控制開關的占空比d有關，還與儲能電感l的大小有關，因為儲能電感l決定電流的上公升率（di/dt），即輸出電流的大小。因此，正確選擇儲能電感的引數相當重要。
串聯式開關電源最好工作於臨界連續電流狀態，或連續電流狀態。串聯式開關電源工作於臨界連續電流狀態時，濾波輸出電壓uo正好是濾波輸入電壓uo的平均值ua，此時，開關電源輸出電壓的調整率為最好，且輸出電壓uo的紋波也不大。因此，我們可以從臨界連續電流狀態著手進行分析。
我們先看（1-6）式：
式中io為流過負載的電流（平均電流），當d = 0.5時，其大小正好等於流過儲能電感l最大電流ilm的二分之一；t為開關電源的工作週期，t正好等於2倍ton。
由此求得：
（1-13）和（1-14）式，就是計算串聯式開關電源儲能濾波電感l的公式（d = 0.5時）。（1-13）和（1-14）式的計算結果，只給出了計算串聯式開關電源儲能濾波電感l的中間值，或平均值，對於極端情況可以在平均值的計算結果上再乘以乙個大於1的係數。
如果增大儲能濾波電感l的電感量，濾波輸出電壓uo將小於濾波輸入電壓uo的平均值ua，因此，在保證濾波輸出電壓uo為一定值的情況下，勢必要增大控制開關k的占空比d，以保持輸出電壓uo的穩定；而控制開關k的占空比d增大，又將會使流過儲能濾波電感l的電流il不連續的時間縮短，或由電流不連續變成電流連續，從而使輸出電壓uo的電壓紋波δup-p進一步會減小，輸出電壓更穩定。
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