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并聯(lián)式開關(guān)電源的工作原理及電路參數(shù)的計算
——陶顯芳老師談開關(guān)電源原理與設計

發(fā)布時間:2014-01-14 責任編輯:sherryyu

【導讀】為了答謝網(wǎng)友對我站的貢獻,本站分享了很多陶老師關(guān)于開關(guān)電源的一些設計文章。前篇為大家介紹的是串聯(lián)式開關(guān)電源的工作原理和電路參數(shù)的計算,這里將為大家講解開關(guān)電源的另一種工作方式:并聯(lián)式開關(guān)電源,還是從工作原理和各部分電路參數(shù)計算來為大家講解。接下來作為新年福利,陶老師又貢獻了開關(guān)變壓器的相關(guān)技術(shù)文章,本站會為大家一一推出的!

1-4.并聯(lián)式開關(guān)電源

并聯(lián)式開關(guān)電源的工作原理比較簡單,工作效率很高,因此應用很廣泛,特別是在一些小電子產(chǎn)品中,并聯(lián)式開關(guān)電源作為DC/DC升壓電源應用最廣。例如,很多使用干電池的手提式電器,由于干電池的電壓一般只有1.5V或3V,為了提高工作電壓,都是使用并聯(lián)式開關(guān)電源把工作電壓提高一倍。并聯(lián)式開關(guān)電源的缺點是輸入與輸出共用一個地,因此,容易產(chǎn)生EMI干擾。

1-4-1.并聯(lián)式開關(guān)電源的工作原理

并聯(lián)式開關(guān)電源的工作原理

圖1-11-a是并聯(lián)式開關(guān)電源的最簡單工作原理圖,圖1-11-b是并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓的波形。圖1-11-a中Ui是開關(guān)電源的工作電壓,L是儲能電感,K是控制開關(guān),R是負載。圖1-11-b中uo是開關(guān)電源輸出電壓,Up是開關(guān)電源輸出電壓的峰值,Upa是開關(guān)電源輸出電壓的半波平均值。關(guān)于半波平均值的概念,后面章節(jié)還將陸續(xù)詳細解釋。

當控制開關(guān)K接通時,輸入電源Ui開始對儲能電感L加電,流過儲能電感L的電流按線性規(guī)律增加,電流被轉(zhuǎn)換化成磁能,并存儲在儲能電感中;當控制開關(guān)K由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷的時候,儲能電感會產(chǎn)生反電動勢,反電動勢產(chǎn)生電流的方向與原來電流的方向相同,因此,在負載上會產(chǎn)生很高的電壓。

在Ton期間,控制開關(guān)K接通,儲能電感L兩端的電壓eL正好與輸入電壓Ui相等,即:

式中iL為流過儲能電感L電流的瞬時值,t為時間變量,i(0)為開關(guān)K接通前瞬間流過儲能電感的電流,i(0)大小與D有關(guān),當占空比D小于或等于0.5時, ;而當D大于0.5時, ,(參考圖13、14、15 ),為了簡單我們先只考慮D≤0.5時的情況,即,i(0)=Ui/R 的情況。

當t = Ton時,流過儲能電感L的電流達到最大值iLm :

式中Ton為控制開關(guān)K接通的時間。當圖1-11-a中的控制開關(guān)K由接通狀態(tài)突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷時,儲能電感L會把其存儲的能量(磁能)通過反電動勢進行釋放,儲能電感L產(chǎn)生的反電動勢為:

式中的負號表示反電動勢eL的極性與(1-35)式中的符號相反,即: K關(guān)斷期間電感L產(chǎn)生電動勢的方向與K接通期間電感L產(chǎn)生電動勢的方向正好相反。

對(1-38)式階微分方程進行求解得:

式中C為待定常數(shù),把初始條件(令t = 0)代入上式,很容易就可求出C。由于控制開關(guān)K由接通狀態(tài)突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷時,流過儲能電感L中的電流iL不能突變,即i(Ton+) = i(Toff—),并且正好等于流過儲能電感L的最大電流ILm ,因此(1-39)式可以寫為:

從(1-42)式可以看出,當并聯(lián)式開關(guān)電源的負載R很大或開路時,輸出脈沖電壓的幅度將非常高,隨后,隨著時間的增長,幅度按指數(shù)下降,最后下降到與輸入電壓Ui基本相同,這種情況有時是需要避免的,因為高壓脈沖很容易通過靜電感應,使電路中的其它器件過壓擊穿,或產(chǎn)生EMI干擾。并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓經(jīng)濾波之后,可得到一個高于輸入電壓的輸出電壓,因此并聯(lián)式開關(guān)電源經(jīng)常作為倍壓或升壓電源使用。
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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,當并聯(lián)式開關(guān)電源不帶輸出電壓濾波電路時,輸出脈沖電壓的幅度將非常高。但在實際應用中,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,由于整流濾波電路對尖峰脈沖有平滑濾波、整形的作用,因此,在帶有平滑濾波電路的并聯(lián)式開關(guān)電源中,其輸出電壓基本不含尖峰脈沖波形。

圖1-12-a是帶有整流濾波功能的并聯(lián)式開關(guān)電源工作原理圖。圖中,Ui是開關(guān)電源的工作電壓、L是儲能電感、eL為儲能電感L兩端產(chǎn)生的反電動勢、K是控制開關(guān)、D為整流二極管、C為儲能濾波電容、R是負載、Uo為濾波輸出電壓、Io為流過負載的電流。

圖1-12-b表示并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓中各種成份之間的關(guān)系。其中,Ui為輸入電壓、 uo為并聯(lián)開關(guān)K兩端的輸出電壓、Up為輸出電壓uo的峰值,Upa是輸出電壓uo的半波平均值,Ua是輸出電壓uo的平均值,Uo為直流輸出電壓。

帶整流濾波電路的并聯(lián)式開關(guān)電源,由于濾波電容兩端的電壓不能突變,當開關(guān)K兩端輸出的脈沖電壓uo通過整流二極管整流之后,就會被濾波電容進行限幅或嵌位,使輸出脈沖電壓uo的幅度被嵌制在濾波電容器兩端的電壓Uo之上,如果忽略整流二極管的整流壓降,則輸出脈沖電壓uo的幅度Up和濾波電容器兩端的電壓Uo基本相等,此時,被限了幅的輸出脈沖電壓uo的幅度Up,就是被稱為脈沖電壓uo的半波平均值Upa。圖2-12-b中,帶顏色的矩形脈沖,其幅度就等于半波平均值Upa。

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D為0.5、< 0.5、> 0.5三種情況時,圖1-12-a電路中各點的電壓、電流波形。實線表示帶整流濾波電路時,控制開關(guān)K兩端的輸出電壓波形,虛線表示無整流濾波電路時,控制開關(guān)K兩端的輸出電壓波形。圖中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,Up是開關(guān)K兩端輸出的峰值電壓,Upa是控制開關(guān)K兩端輸出電壓uo的半波平均值,uc是濾波電容兩端的輸出電壓,Uo是開關(guān)電源的直流輸出電壓,Ua是開關(guān)K兩端輸出電壓的平均值,iL是流過儲能電感L的電流,iLm是流過儲能電感L電流的最大值,Io是流過負載R的電流(平均值)。

圖2-13-a、圖2-14-a、圖2-15-a分別為開關(guān)電源工作于臨界電流連續(xù)、電流不連續(xù)、電流連續(xù)狀態(tài)時,圖2-12-a電路中各點的電壓、電流波形。圖2-13-b、圖2-14-b、圖2-15-b分別為3種狀態(tài)之下,濾波電容兩端的紋波電壓波形。圖2-13-c、圖2-14-c、圖2-15-c分別為3種狀態(tài)之下,流過儲能電感的電流波形。不過,圖中這些波形相對來說還是比較粗略和簡單的,如需要對它們更嚴密的表達和分析,請參考后面圖1-24和圖1-25相關(guān)的內(nèi)容。

在圖1-12-a中,當控制開關(guān)K接通時,輸入電源Ui開始對儲能電感L加電,流過儲能電感L的電流iL開始增加,同時電流在儲能電感L中也要產(chǎn)生反電動勢eL;當控制開關(guān)K由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷的時候,在儲能電感L兩端就會產(chǎn)生反電動勢eL。eL反電動勢的方向與開關(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與反電動勢eL之和。
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因此,在Ton期間:

(1-44)式中iL為流過儲能電感L的電流(瞬時值),t為時間變量;i(0)為的初始電流,即:控制開關(guān)K接通前的瞬間流過儲能電感L中的電流。當開關(guān)電源工作于電流臨界連續(xù)狀態(tài),或不連續(xù)電流狀態(tài)時(即D≤0.5),i(0) = 0 ,由此可以求得流過儲能電感L的最大電流為:

帶濾波電路的并聯(lián)式開關(guān)電源,由于濾波電容兩端的電壓不能突變,當開關(guān)K兩端輸出的脈沖電壓uo通過整流二極管整流之后,就會被濾波電容進行限幅,使輸出脈沖電壓uo的幅度被嵌制在濾波電容器兩端的電壓uc之上,如果忽略整流二極管的整流壓降,則輸出脈沖電壓uo的幅度Up和濾波電容器兩端的電壓uc在數(shù)值上基本相等(忽視紋波電壓),并等于輸出電壓Uo。此時,被限了幅的輸出脈沖電壓uo的幅度Up,就稱為脈沖電壓uo的半波平均值Upa,即:Up = Upa 。圖2-12-b中,脈沖電壓uo中帶顏色的部分就等于其半波平均值Upa 。關(guān)于半波平均值的概念,后面章節(jié)還會有更詳細的說明。

因此,在控制開關(guān)K關(guān)斷的Toff期間,儲能電感L產(chǎn)生的電動勢將與輸入電壓Ui串聯(lián)迭加,通過整流二極管D繼續(xù)向負載R提供能量,在此期間儲能電感L兩端的電壓eL為:

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

當并聯(lián)式開關(guān)電源工作于電流臨界連續(xù)狀態(tài)時,流過儲能電感的初始電流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,可求得并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓Uo為:

(1-50)式就是并聯(lián)式開關(guān)電源工作于電流臨界連續(xù)狀態(tài)時輸出電壓的表達式。一般,并聯(lián)式開關(guān)電源的輸出電壓Uo都是取自并聯(lián)開關(guān)K兩端輸出脈沖電壓uo的半波平均值Upa,經(jīng)整流濾波以后儲能濾波電容C兩端的輸出電壓基本就是Upa ,即:

這里特別指出:(1-50)和(1-52)式的結(jié)果,雖然是以開關(guān)電源工作于電流臨界連續(xù)狀態(tài)的條件求得,但對于開關(guān)電源工作于連續(xù)電流狀態(tài)或斷流狀態(tài)同樣成立,因為,輸出電壓Uo是取自輸出脈沖電壓uo的半波平均值Upa,而不是取其平均值Ua。

同圖中可以看出,并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓中各電壓成分Up、Upa、Uo的高低,均與占空比有關(guān),但其輸出電壓的平均值Ua與占空比D的大小無關(guān),并聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓uo的平均值Ua與輸入電壓Ui的大小相等,即:

另外,當并聯(lián)式開關(guān)電源的占空比D大于0.5時,表示開關(guān)電源工作于電流連續(xù)狀態(tài),即,流過儲能電感L的電流不會斷流,這種情況相當于在儲能電感L中加了一個偏流,當偏流過大時,儲能電感L很容易產(chǎn)生磁飽和,因為儲能電感L一般都要帶磁芯。因此,在進行電路參數(shù)設計時,不要把占空比選得過大,并且磁芯還要留一定的氣隙,以防止磁芯飽和。
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1-4-3.并聯(lián)式開關(guān)電源儲能電感的計算

與前面計算反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源中儲能電感的數(shù)值方法基本相同,計算并聯(lián)式開關(guān)電源儲能電感也是從流過儲能電感的電流為電流臨界連續(xù)狀態(tài)著手進行分析。并聯(lián)式開關(guān)電源中的儲能電感與反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源中的儲能電感工作原理基本一樣,都是在控制開關(guān)K關(guān)斷期間才產(chǎn)生反電動勢向負載提供能量,因此,當D = 0.5時,流過負載的電流只有流過儲能電感電流的四分之一。

根據(jù)(1-45)式:

式中Io為流過負載的電流,當D = 0.5時,其大小等于最大電流iLm的四分之一;T為開關(guān)電源的工作周期,T正好等于2倍Ton。

由此求得:

(1-55)和(1-56)式,就是計算并聯(lián)式開關(guān)電源儲能電感的公式。同理,(1-55)和(1-56)式的計算結(jié)果,只給出了計算并聯(lián)式開關(guān)電源儲能電感L的中間值,或平均值,對于極端情況可以在平均值的計算結(jié)果上再乘以一個大于1的系數(shù)。

對于儲能電感取不同數(shù)值和在不同的占空比狀態(tài)下工作的情況分析,請參考前面關(guān)于“反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源儲能電感的計算”內(nèi)容的論述。
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1-4-4.并聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電容的計算

并聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電容的計算,可以參考前面串聯(lián)式開關(guān)電源或反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源中儲能濾波電容的計算方法,同時還可以參考圖1-6中儲能濾波電容C的充、放電過程。

這里要特別注意的是,并聯(lián)式開關(guān)電源與反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源中的儲能電感一樣,僅在控制開關(guān)K關(guān)斷期間才產(chǎn)生反電動勢向負載提供能量,因此,即使是在占空比D等于0.5的情況下,儲能濾波電容器充電的時間與放電的時間也不相等,電容器充電的時間小于半個工作周期,而電容器放電的時間則大于半個工作周期,但電容器充、放電的電荷是相等的,即電容器充電時的電流大于放電時的電流。

從圖1-13可以看出,并聯(lián)式開關(guān)電源,流過負載的電流比串聯(lián)式開關(guān)電源流過負載的電流小一倍,流過負載的電流Io只有流過儲能電感最大電流iLm的四分之一。在占空比D等于0.5的情況下,電容器充電的時間為 ,電容充電電流的平均值為 ,或 ;而電容器放電的時間為 ,電容放電電流的平均值為0.9 Io。因此有:

式中ΔQ為電容器充電的電荷,Io為流過負載的平均電流,T為工作周期。電容充電時,電容兩端的電壓由最小值充到最大值,放電時,電容兩端的電壓又由最大值下降到最小值,對于電容兩端的電壓變化量均為ΔUc,此電壓變化量正好就是輸出電壓的紋波。由此可求得輸出電壓的紋波ΔUP-P為:

(1-59)和(1-60)式,就是計算并聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電容的公式。式中:Io是流過負載電流的平均值,T為開關(guān)工作周期,ΔUP-P為濾波輸出電壓紋波,此紋波電壓ΔUP-P實際上就是電容器兩端的充放電電壓增量,即:ΔUP-P = ΔUc 。

同理,(1-59)和(1-60)式的計算結(jié)果,只給出了計算并聯(lián)式開關(guān)電源儲能濾波電容C的中間值,或平均值,對于極端情況可以在平均值的計算結(jié)果上再乘以一個大于1的系數(shù)。

當開關(guān)K工作占空比D小于0.5時,由于流過儲能電感L的電流會不連續(xù),電容器放電的時間將遠遠大于電容器充電的時間,因此,開關(guān)電源濾波輸出電壓的紋波將顯著增大。另外,開關(guān)電源的負載一般也不是固定的,當負載電流增大的時候,開關(guān)電源濾波輸出電壓的紋波也將會增大。因此,設計開關(guān)電源的時候要留有充分的余量。實際應用中,最好按(1-59)式計算結(jié)果的2倍以上來計算儲能濾波電容的參數(shù),因為大多數(shù)濾波電容都是選用電解電容,而電解電容的容量很不穩(wěn)定,其容量受溫度影響很大,并且隨著使用時間的增長,其容量也會慢慢地變小。

快到年底了,陶老師又為大家?guī)砹碎_關(guān)變壓器的工作原理和設計,作為新年的福利,請大家關(guān)注,本站將陸續(xù)為大家分享出來!

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