開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)（連載九）并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓濾波電路

1-4-2.并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓濾波電路

上面已經(jīng)知道，當(dāng)并聯(lián)式開關(guān)電源不帶輸出電壓濾波電路時(shí)，輸出脈沖電壓的幅度將非常高。但在應(yīng)用中，大多數(shù)并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓還是經(jīng)過整流濾波后的直流電壓，因此，一般開關(guān)電源的輸出電路都帶有整流濾波電路。

圖1-12是帶有整流濾波功能的并聯(lián)式開關(guān)電源工作原理圖。圖1-12中，Ui是開關(guān)電源的工作電壓，L是儲(chǔ)能電感，eL為電流iL在儲(chǔ)能電感兩端產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)，K是控制開關(guān)，R是負(fù)載。而圖1-13、圖1-14、圖1-15分別是并聯(lián)式開關(guān)電源控制開關(guān)K工作于占空比為0.5、< 0.5、> 0.5時(shí)，圖1-12電路中各點(diǎn)的電壓、電流波形。圖圖1-13、圖1-14、圖1-15中Ui是開關(guān)電源的輸入電壓，uo是控制開關(guān)K兩端的輸出電壓，uc是濾波電容兩端的輸出電壓，Up是開關(guān)電源輸出的峰值電壓，Uo是開關(guān)電源輸出電壓(平均值)，Ua是開關(guān)電源輸出的平均電壓，iL是流過儲(chǔ)能電感L的電流，iLm是流過儲(chǔ)能電感L電流的最大值，Io是流過負(fù)載R的電流(平均值)。

當(dāng)控制開關(guān)K接通時(shí)，輸入電源Ui開始對(duì)儲(chǔ)能電感L加電，流過儲(chǔ)能電感L的電流iL開始增加，同時(shí)電流在儲(chǔ)能電感中也要產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)eL;當(dāng)控制開關(guān)K由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷的時(shí)候，儲(chǔ)能電感也會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)eL。eL反電動(dòng)勢(shì)的方向與開關(guān)K關(guān)斷前的方向相反，但與電流的方向相同，因此，在控制開關(guān)K兩端的輸出電壓uo等于輸入電壓Ui與反電動(dòng)勢(shì)eL之和。

因此，在Ton期間：

eL = Ldi/dt = Ui —— K接通期間 (1-43)

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對(duì)上式進(jìn)行積分，可求得流過儲(chǔ)能電感L的電流為：

(1-44)式中iL為流過儲(chǔ)能電感L電流的瞬時(shí)值，t為時(shí)間變量;i(0)為的初始電流，即：控制開關(guān)K接通瞬間之前，流過儲(chǔ)能電感L中的電流。當(dāng)開關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)時(shí)，i(0) = 0 ，由此可以求得流過儲(chǔ)能電感L的最大電流為：

iLm =Ui*Ton/L —— K關(guān)斷前瞬間 (1-45)

在開關(guān)關(guān)斷Toff期間，控制開關(guān)K關(guān)斷，儲(chǔ)能電感L把電流iLm轉(zhuǎn)化成反電動(dòng)勢(shì)，與輸入電壓Ui串聯(lián)迭加，通過整流二極管D繼續(xù)向負(fù)載R提供能量，在此期間儲(chǔ)能電感L兩端的電壓eL為：

eL = -Ldi/dt = Uo-Ui —— K關(guān)斷期間 (1-46)

式中負(fù)號(hào)表示反電動(dòng)勢(shì)eL的極性與(1-43)式相反，即：K接通與關(guān)斷時(shí)電感的反電動(dòng)勢(shì)的極性正好相反。對(duì)(1-46)式進(jìn)行積分得：

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(1-47)式中的i(Ton+)就是(1-45)式中的iLm，因此，(1-9)式可以改寫為：

當(dāng)開關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)時(shí)，流過儲(chǔ)能電感的初始電流i(0)等于0(參看圖1-13)，即：(1-49)式中流過儲(chǔ)能電感電流的最小值iLX等于0。因此，由(1-45)和(1-49)式，可求得反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出電壓Uo為：

一般，并聯(lián)式開關(guān)電源的輸出電壓Uo都是取自輸出電壓uo脈沖電壓的幅值Up ，經(jīng)整流濾波以后儲(chǔ)能濾波電容C兩端的輸出電壓基本就是Up ，即：

Up = Uo —— 并聯(lián)式開關(guān)電源 (1-51)

這里特別指出：(1-50)和(1-51)式的結(jié)果，雖然是以開關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)的條件求得，但對(duì)于開關(guān)電源工作于連續(xù)電流狀態(tài)或斷流狀態(tài)同樣成立，因?yàn)椋敵鲭妷篣o只取其峰值電壓Up，而不是取其平均值。

另外，并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓uo的平均值Ua與輸入電壓的大小相等，即：

Ua = Ui —— 并聯(lián)式開關(guān)電源 (1-52)

由于其輸出電壓uo的幅值等于輸入電壓Ui與儲(chǔ)能電感L產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)eL之和，因此，并聯(lián)式開關(guān)電源一般都是取其輸出電壓uo的幅值Up作為輸出(電壓幅值的提取方法留待后面詳細(xì)討論)。所以，并聯(lián)式開關(guān)電源屬于升壓型開關(guān)電源。雖然并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓的幅度比輸入電壓可以提高，但其輸出電壓的平均值Ua與控制開關(guān)K的占空比D的大小無關(guān)，即：并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓的平均值Ua永遠(yuǎn)等于輸入電壓Ui 。