開關式穩壓電源的工作原理
隨著全球對能源問題的重視，電子產品的耗能問題將愈來愈突出，如何降低其待機功耗，提高供電效率成為乙個急待解決的問題。傳統的線性穩壓電源雖然電路結構簡單、工作可靠，但它存在著效率低（只有40%－50%）、體積大、銅鐵消耗量大，工作溫度高及調整範圍小等缺點。為了提高效率，人們研製出了開關式穩壓電源，它的效率可達85%以上，穩壓範圍寬，除此之外，還具有穩壓精度高、不使用電源變壓器等特點，是一種較理想的穩壓電源。
正因為如此，開關式穩壓電源已廣泛應用於各種電子裝置中，本文對各類開關電源的工作原理作一闡述。
一、開關式穩壓電源的基本工作原理
開關式穩壓電源接控制方式分為調寬式和調頻式兩種，在實際的應用中，調寬式使用得較多，在目前開發和使用的開關電源積體電路中，絕大多數也為脈寬調變型。因此下面就主要介紹調寬式開關穩壓電源。
調寬式開關穩壓電源的基本原理
對於單極性矩形脈衝來說，其直流平均電壓uo取決於矩形脈衝的寬度，脈衝越寬，其直流平均電壓值就越高。直流平均電壓ｕ。可由公式計算，即uo=um×t1/t
式中um—矩形脈衝最大電壓值；t—矩形脈衝週期；t1—矩形脈衝寬度。
從上式可以看出，當um與t不變時，直流平均電壓uo將與脈衝寬度t1成正比。這樣，只要我們設法使脈衝寬度隨穩壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可以達到穩定電壓的目的。
二、開關式穩壓電源的原理電路
、基本電路
圖二開關電原基本電路框圖
開關式穩壓電源的基本電路框圖如圖二所示。
交流電壓經整流電路及濾波電路整流濾波後，變成含有一定脈動成份的直流電壓，該電壓進人高頻變換器被轉換成所需電壓值的方波，最後再將這個方波電壓經整流濾波變為所需要的直流電壓。
控制電路為一脈衝寬度調製器，它主要由取樣器、比較器、振盪器、脈寬調變及基準電壓等電路構成。這部分電路目前已整合化，製成了各種開關電源用積體電路。控制電路用來調整高頻開關元件的開關時間比例，以達到穩定輸出電壓的目的。
２．單端反激式開關電源
單端反激式開關電源的典型電路如圖三所示。電路中所謂的單端是指高頻變換器的磁芯僅工作在磁滯迴線的一側。所謂的反激，是指當開關管vt1導通時，高頻變壓器ｔ初級繞組的感應電壓為上正下負，整流二極體vd1處於截止狀態，在初級繞組中儲存能量。
當開關管vt1截止時，變壓器ｔ初級繞組中儲存的能量，通過次級繞組及vd1整流和電容ｃ濾波後向負載輸出。
單端反激式開關電源是一種成本最低的電源電路，輸出功率為20－100ｗ，可以同時輸出不同的電壓，且有較好的電壓調整率。唯一的缺點是輸出的紋波電壓較大，外特性差，適用於相對固定的負載。
單端反激式開關電源使用的開關管vt1承受的最大反向電壓是電路工作電壓值的兩倍，工作頻率在20－200khz之間。
３．單端正激式開關電源
單端正激式開關電源的典型電路如圖四所示。這種電路在形式上與單端反激式電路相似，但工作情形不同。當開關管vt1導通時，vd2也導通，這時電網向負載傳送能量，濾波電感ｌ儲存能量；當開關管vt1截止時，電感ｌ通過續流二極體vd3繼續向負載釋放能量。
在電路中還設有鉗位線圈與二極體vd2，它可以將開關管vt1的最高電壓限制在兩倍電源電壓之間。為滿足磁芯復位條件，即磁通建立和復位時間應相等，所以電路中脈衝的占空比不能大於５０％。
由於這種電路在開關管vt1導通時，通過變壓器向負載傳送能量，所以輸出功率範圍大，可輸出50－200ｗ的功率。電路使用的變壓器結構複雜，體積也較大，正因為這個原因，這種電路的實際應用較少。
４．自激式開關穩壓電源
自激式開關穩壓電源的典型電路如圖五所示。這是一種利用間歇振盪電路組成的開關電源，也是目前廣泛使用的基本電源之一。
當接入電源後在r1給開關管vt1提供啟動電流，使vt1開始導通，其集電極電流ic在l1中線性增長，在l2中感應出使vt1基極為正，發射極為負的正反饋電壓，使vt1很快飽和。與此同時，感應電壓給c1充電，隨著c1充電電壓的增高，vt1基極電位逐漸變低，致使vt1退出飽和區，ic開始減小，在l2中感應出使vt1基極為負、發射極為正的電壓，使vt1迅速截止，這時二極體vd1導通，高頻變壓器ｔ初級繞組中的儲能釋放給負載。在vt1截止時，l2中沒有感應電壓，直流供電輸人電壓又經r1給c1反向充電，逐漸提高vt1基極電位，使其重新導通，再次翻轉達到飽和狀態，電路就這樣重複振盪下去。
這裡就像單端反激式開關電源那樣，由變壓器ｔ的次級繞組向負載輸出所需要的電壓。
自激式開關電源中的開關管起著開關及振盪的雙重作從，也省去了控制電路。
電路中由於負載位於變壓器的次級且工作在反激狀態，具有輸人和輸出相互隔離的優點。這種電路不僅適用於大功率電源，亦適用於小功率電源＊
５．推挽式開關電源
推挽式開關電源的典型電路如圖六所示。它屬於雙端式變換電路，高頻變壓器的磁芯工作在磁滯迴線的兩側。電路使用兩個開關管vt1和vt2，兩個開關管在外激勵方波訊號的控制下交替的導通與截止，在變壓器ｔ次級統組得到方波電壓，經整流濾波變為所需要的直流電壓。
這種電路的優點是兩個開關管容易驅動，主要缺點是開關管的耐壓要達到兩倍電路峰值電壓。電路的輸出功率較大，一般在100－500ｗ範圍內。
６．降壓式開關電源
降壓式開關電源的典型電路如圖七所示。當開關管vt1導通時，二極體vd1截止，輸人的整流電壓經vt1和l向ｃ充電，這一電流使電感ｌ中的儲能增加。當開關管vt1截止時，電感ｌ感應出左負右正的電壓，經負載rl和續流二極體vd1釋放電感ｌ中儲存的能量，維持輸出直流電壓不變。
電路輸出直流電壓的高低由加在vt1基極上的脈衝寬度確定。
這種電路使用元件少，它同下面介紹的另外兩種電路一樣，只需要利用電感、電容和二極體即可實現。
７．公升壓式開關電源
公升壓式開關電源的穩壓電路如圖八所示。當開關管vt1導通時，電感ｌ儲存能量。當開關管vt1截止時，電感ｌ感應出左負右正的電壓，該電壓疊加在輸人電壓上，經二極體vd1向負載供電，使輸出電壓大於輸人電壓，形成公升壓式開關電源。
８．反轉式開關電源
反轉式開關電源的典型電路如圖九所示。這種電路又稱為公升降壓式開關電源。無論開關管vt1之前的脈動直流電壓高於或低於輸出端的穩定電壓，電路均能正常工作。
當開關管vt1導通時，電感l儲存能量，二極體vd1截止，負載rl靠電容c上次的充電電荷供電。當開關管vt1截止時，電感ｌ中的電流繼續流通，並感應出上負下正的電壓，經二極體vd1向負載供電，同時給電容ｃ充電。
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