開關(guān)電源原理與設(shè)計（連載二十一）開關(guān)電源電路的過渡過程

圖1-24是把儲能濾波電容器進行充電的時間全部拼湊在一起時，儲能濾波電容器按正弦曲線進行充電的電壓波形。我們可以把圖1-24看成儲能濾波電容器剛好用了6個工作周期就把電壓充到最大值，其中，T1、T2、…T6分別代表Toff1、Toff2、…Toff6。Toff1代表工作開關(guān)第一次關(guān)斷時間，其它依次類推。儲能濾波電容器充滿電后，由于整流二極管的作用，它不可能向變壓器的次級線圈放電，因此，T6以后的正弦曲線不可能再繼續(xù)發(fā)生。

這里必須指出，圖1-24所示的電壓波形在現(xiàn)實中是不存在的，因為，圖1-24中的電壓波形在時間軸上是不連續(xù)的，這里只是為了便于分析，把工作開關(guān)的接通時間Ton全部進行壓縮了。

在實際應(yīng)用中，儲能濾波電容器不可能剛好用6個工作周期就可以把電壓被充電到最大值，一般都要經(jīng)過好十幾個周期后，儲能濾波電容器兩端的電壓才能被充電到最大值。例如：設(shè)變壓器次級線圈的電感量為10微亨，儲能濾波電容的容量為1000微法，由此可求得：ω = 10000，或F = 1592Hz，T = 628微秒，四分之一周期為157微秒;設(shè)開關(guān)電源的工作頻率為40kHz，D = 0.5，由此可求得，T = 25微秒，半個周期為12.5微秒;最后我們可以求得，需要經(jīng)過12.56個工作周期，即314微秒后，儲能濾波電容才能充滿電。

上面的結(jié)果，還沒有考慮負載電流對儲能濾波電容充電的影響。由于負載電流會對儲能濾波電容充電產(chǎn)生分流，使電容充電速度變慢;另外，反激式開關(guān)電源的占空比一般都小于0.5，會使變壓器次級線圈輸出電流產(chǎn)生斷流，如果把這些因素全部都考慮進去，儲能濾波電容充滿電所需要的時間要比上面計算結(jié)果大好幾倍。

另外，反激式開關(guān)電源的占空比是根據(jù)輸出電壓的高低不斷地改變的。在進行開關(guān)電源電路設(shè)計的時候，一定要注意，開關(guān)電源在輸入電源剛接通時候，由于開關(guān)電源剛開始工作的時候，儲能濾波電容器剛開始充電，電路會產(chǎn)生過渡過程;在輸入電源剛接通的瞬間，儲能濾波電容器兩端的電壓很低，輸出電壓也很低，通過取樣控制電路的作用，可能會使工作開關(guān)的占空比很大，從而會使變壓器鐵心飽和，電源開關(guān)管過流或過壓而損壞。

為了分析簡單，在圖1-23和圖1-24中，都沒有把負載電流的作用考慮進去，如果考慮負載電流的作用，電容器進行充電時電壓上升率會降低，同時在開關(guān)接通期間，因電容器要向負載放電，電容器兩端的電壓也會下降。儲能濾波電容進行充電時，電容兩端的電壓是按正弦曲線的速率變化，而儲能濾波電容進行放電時，電容兩端的電壓是按指數(shù)曲線的速率變化。

為了證明電容兩端的電壓是按指數(shù)曲線的速率變化，我們對圖1-19中的電容充放電過程進一步進行分析。當開關(guān)接通時，由于變壓器次級線圈輸出電壓極性相反使整流二極管反偏截止，儲能濾波電容開始對負載放電，電容放電電流由下式?jīng)Q定：

其中a為任意常數(shù)，當t = 0時，電容兩端的電壓為Uc，為此求得：

(1-115)式就是計算電容器放電時的公式，其中 μc為電容器兩端的電壓， Uc為電容剛放電時的初始電壓，RC為時間常數(shù)，時間常數(shù)一般都用τ來表示，即τ = RC。

圖1-25是電容器放電時的電壓變化曲線圖。電容放電時，電壓由最大值開始下降，當放電時間為τ時，電容器兩端的電壓僅剩37%，當放電時間為2.3τ時，電容器兩端的電壓僅剩10%，當放電時間為無窮大時，電容器兩端的電壓為0。但在實際應(yīng)用中，開關(guān)電源的工作頻率一般都很高，即電容器的放、電時間非常短，因此，電容器每次放電下降的電壓相對來說非常小，電壓紋波相對于輸出電壓只有百分之幾，因為儲能濾波電容的容量一般都很大。

這里順便指出，開關(guān)電源儲能濾波電容的充、放電時間常數(shù)一般都很大，是開關(guān)電源工作頻率周期的幾十倍，乃至幾百倍，因此，儲能濾波電容或是按正弦曲線規(guī)律充電，或是按指數(shù)規(guī)律放電，我們都可以把它當成是按線性(直線)規(guī)律充、放電。因為，正弦曲線或指數(shù)曲線在初始階段的曲率變化非常小。所以，前面在對開關(guān)電源的電路參數(shù)進行分析時，基本上都是采用平均值的概念進行分析，并且把波形基本上也都畫成方波(矩形)或鋸齒形。

采用平均值的方法來對很復(fù)雜的問題進行分析，往往可以使復(fù)雜問題簡單化，這對于工程設(shè)計或計算來說是非常簡便的，并且分析或計算結(jié)果對于工程應(yīng)用來說已經(jīng)足夠準確，因此，我們后面主要都是采用這種簡便方法。