開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)（連載二）串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓濾波電路

1-2-2.串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓濾波電路

大多數(shù)開關(guān)電源輸出都是直流電壓，因此，一般開關(guān)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(lián)式開關(guān)電源工作原理圖。

圖1-2是在圖1-1-a電路的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)整流二極管和一個(gè)LC濾波電路。其中L是儲(chǔ)能濾波電感，它的作用是在控制開關(guān)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(fù)載R上，對負(fù)載R進(jìn)行電壓沖擊，同時(shí)對流過電感的電流iL轉(zhuǎn)化成磁能進(jìn)行能量存儲(chǔ)，然后在控制開關(guān)K關(guān)斷期間Toff把磁能轉(zhuǎn)化成電流iL繼續(xù)向負(fù)載R提供能量輸出;C是儲(chǔ)能濾波電容，它的作用是在控制開關(guān)K接通期間Ton把流過儲(chǔ)能電感L的部分電流轉(zhuǎn)化成電荷進(jìn)行存儲(chǔ)，然后在控制開關(guān)K關(guān)斷期間Toff把電荷轉(zhuǎn)化成電流繼續(xù)向負(fù)載R提供能量輸出;D是整流二極管，主要功能是續(xù)流作用，故稱它為續(xù)流二極管，其作用是在控制開關(guān)關(guān)斷期間Toff，給儲(chǔ)能濾波電感L釋放能量提供電流通路。

在控制開關(guān)關(guān)斷期間Toff，儲(chǔ)能電感L將產(chǎn)生反電動(dòng)勢，流過儲(chǔ)能電感L的電流iL由反電動(dòng)勢eL的正極流出，通過負(fù)載R，再經(jīng)過續(xù)流二極管D的正極，然后從續(xù)流二極管D的負(fù)極流出，最后回到反電動(dòng)勢eL的負(fù)極。

對于圖1-2，如果不看控制開關(guān)K和輸入電壓Ui，它是一個(gè)典型的反г 型濾波電路，它的作用是把脈動(dòng)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(guān)K的占空比D等于0.5、< 0.5、> 0.5時(shí)，圖1-2電路中幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)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(guān)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(chǔ)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(chǔ)能電感L電流iL的波形。

在Ton期間，控制開關(guān)K接通，輸入電壓Ui通過控制開關(guān)K輸出電壓uo，然后加到儲(chǔ)能濾波電感L和儲(chǔ)能濾波電容C組成的濾波電路上，在此期間儲(chǔ)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：由于電容兩端的電壓變化量ΔU相對于輸出電壓Uo來說非常小，為了簡單，我們這里把Uo當(dāng)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(jìn)行分析時(shí)，必須需要建立微分方程，并求解。因?yàn)檩敵鲭妷篣o的建立需要一定的時(shí)間，精確計(jì)算得出的結(jié)果中一般都含有指數(shù)函數(shù)項(xiàng)，當(dāng)令時(shí)間變量等于無窮大時(shí)，即電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，再對相關(guān)參量取平均值，其結(jié)果就基本與(1-4)相等。

對(1-4)式進(jìn)行積分得：

式中i(0)為控制開關(guān)K轉(zhuǎn)換瞬間(t = 0時(shí)刻)，即：控制開關(guān)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(dāng)控制開關(guān)K由接通期間Ton突然轉(zhuǎn)換到關(guān)斷期間Toff的瞬間，流過電感L的電流iL達(dá)到最大值：

式中i(Ton+)為控制開關(guān)K從Ton轉(zhuǎn)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(guān)K關(guān)斷或接通瞬間，之前和之后流過電感L的電流相等。實(shí)際上(1-8)式中的i(Ton+)就是(1-6)式中的iLm，即：

上面計(jì)算都是假設(shè)輸出電壓Uo基本不變的情況得到的結(jié)果，在實(shí)際應(yīng)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(jì)算中完全可以忽略不計(jì)。

從(1-4)式到(1-11)和圖1-3、圖1-4、圖1-5中可以看出：

當(dāng)開關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流或連續(xù)電流狀態(tài)時(shí)，在K接通和關(guān)斷的整個(gè)周期內(nèi)，儲(chǔ)能電感L都有電流流出，但在K接通期間與K關(guān)斷期間，流過儲(chǔ)能電感L的電流的上升率(絕對值)一般是不一樣的。在K接通期間，流過儲(chǔ)能電感L的電流上升率為Ui-Uo/L： ;在K關(guān)斷期間，流過儲(chǔ)能電感L的電流上升率為： -Uo/L

因此：

(1)當(dāng)Ui = 2Uo時(shí)，即濾波輸出電壓Uo等于電源輸入電壓Ui的一半時(shí)，或控制開關(guān)K的占空比D為二分之一時(shí)，流過儲(chǔ)能電感L的電流上升率，在K接通期間與K關(guān)斷期間絕對值完全相等，即電感存儲(chǔ)能量的速度與釋放能量的速度完全相等。此時(shí)，(1-5)式中i(0)和(1-11)式中iLX均等于0。在這種情況下，流過儲(chǔ)能電感L的電流iL為臨界連續(xù)電流，且濾波輸出電壓Uo等于濾波輸入電壓uo的平均值Ua。參看圖1-3。

(2)當(dāng)Ui > 2Uo時(shí)，即：濾波輸出電壓Uo小于電源輸入電壓Ui的一半時(shí)，或控制開關(guān)K的占空比小于二分之一時(shí)：雖然在K接通期間，流過儲(chǔ)能電感L的電流上升率(絕對值)，大于，在K關(guān)斷期間，流過儲(chǔ)能電感L的電流上升率(絕對值);但由于(1-5)式中i(0)等于0，以及Ton小于Toff，此時(shí)，(1-11)式中的iLX會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，即輸出電壓反過來要對電感充電，但由于整流二極管D的存在，這是不可能的，這表示流過儲(chǔ)能電感L的電流提前過0，即有斷流。在這種情況下，流過儲(chǔ)能電感L的電流iL不是連續(xù)電流，開關(guān)電源工作于電流不連續(xù)狀態(tài)，因此，輸出電壓Uo的紋波比較大，且濾波輸出電壓Uo小于濾波輸入電壓uo的平均值Ua。參看圖1-4。

(3)當(dāng)Ui < 2Uo時(shí)，即：濾波輸出電壓Uo大于電源輸入電壓Ui的一半時(shí)，或控制開關(guān)K的占空比大于二分之一時(shí)：在K接通期間，雖然流過儲(chǔ)能電感L的電流上升率(絕對值)，小于，在K關(guān)斷期間，流過儲(chǔ)能電感L的電流上升率(絕對值)。但由于Ton大于Toff，(1-5)式中i(0)和(1-11)式中iLX均大于0，即：電感存儲(chǔ)能量每次均釋放不完。在這種情況下，流過儲(chǔ)能電感L的電流iL是連續(xù)電流，開關(guān)電源工作于連續(xù)電流狀態(tài)，輸出電壓Uo的紋波比較小，且濾波輸出電壓Uo大于濾波輸入電壓uo的平均值Ua。參看圖1-5。