開關電源的基本控制原理

一、開關電源的控制結構

一般地，開關電源大致由輸入電路、變換器、控制電路、輸出電路四個主體組成。

如果細致劃分，它包括：輸入濾波、輸入整流、開關電路、采樣、基準電源、比較放大、震蕩器、V/F轉換、基極驅動、輸出整流、輸出濾波電路等。

實際的開關電源還要有保護電路、功率因素校正電路、同步整流驅動電路及其它一些輔助電路等。

下面是一個典型的開關電源原理框圖，掌握它對我們理解開關電源有重要意義。

圖1：開關電源的基本結構框圖

根據控制類型不同，PM（脈沖調制）電路可能有多種形式。這里是典型的PFM結構。

二、開關電源的構成原理

（一）輸入電路：

線性濾波電路、浪涌電流抑制電路、整流電路。

作用：把輸入電網交流電源轉化為符合要求的開關電源直流輸入電源。

1．線性濾波電路：

抑制諧波和噪聲。

2．浪涌濾波電路：

抑制來自電網的浪涌電流。

3．整流電路：

把交流變為直流。

有電容輸入型、扼流圈輸入型兩種，開關電源多數為前者。

（二）變換電路：

含開關電路、輸出隔離（變壓器）電路等，是開關電源電源變換的主通道，完成對帶有功率的電源波形進行斬波調制和輸出。

這一級的開關功率管是其核心器件。

1．開關電路

驅動方式：自激式、他激式。

變換電路：隔離型、非隔離型、諧振型。

功率器件：最常用的有GTR、MOSFET、IGBT。

調制方式：PWM、PFM、混合型三種。PWM最常用。

2．變壓器輸出

分無抽頭、帶抽頭。半波整流、倍流整流時，無須抽頭，全波時必須有抽頭。

（三）控制電路：

向驅動電路提供調制后的矩形脈沖，達到調節輸出電壓的目的。

基準電路：提供電壓基準。如并聯型基準LM358、AD589，串聯型基準AD581、REF192等。

采樣電路：采取輸出電壓的全部或部分。

比較放大：把采樣信號和基準信號比較，產生誤差信號，用于控制電源PM電路。

V/F變換：把誤差電壓信號轉換為頻率信號。

振蕩器：產生高頻振蕩波。

基極驅動電路：把調制后的振蕩信號轉換成合適的控制信號，驅動開關管的基極。

（四）輸出電路：

整流、濾波。

把輸出電壓整流成脈動直流，并平滑成低紋波直流電壓。輸出整流技術現在又有半波、全波、恒功率、倍流、同步等整流方式。

各類拓補結構電源分析

一、非隔離型開關變換器

（一）降壓變換器

Buck電路：降壓斬波器，入出極性相同。

由于穩態時，電感充放電伏秒積相等，因此：

（Ui-Uo）*ton=Uo*toff，

Ui*ton-Uo*ton=Uo*toff,

Ui*ton=Uo(ton+toff),

Uo/Ui=ton/(ton+toff)= Δ

即，輸入輸出電壓關系為：

Uo/Ui=Δ(占空比)

圖2：Buck電路拓補結構

在開關管S通時，輸入電源通過L平波和C濾波后向負載端提供電流；當S關斷后，L通過二極管續流，保持負載電流連續。輸出電壓因為占空比作用，不會超過輸入電源電壓。

（二）升壓變換器

Boost電路：升壓斬波器，入出極性相同。

利用同樣的方法，根據穩態時電感L的充放電伏秒積相等的原理，可以推導出電壓關系：

Uo/Ui=1/（1-Δ）

圖3：Boost電路拓補結構

這個電路的開關管和負載構成并聯。在S通時，電流通過L平波，

電源對L充電。當S斷時，L向負載及電源放電，輸出電壓將是輸入電壓Ui+UL，因而有升壓作用。

（三）逆向變換器

Buck-Boost電路：升/降壓斬波器，入出極性相反，電感傳輸。

電壓關系：Uo/Ui=-Δ/（1-Δ）

圖4：Buck-Boost電路拓補結構

S通時，輸入電源僅對電感充電，當S斷時，再通過電感對負載放電來實現電源傳輸。

所以，這里的L是用于傳輸能量的器件。

（四）丘克變換器

Cuk電路：升/降壓斬波器，入出極性相反，電容傳輸。

電壓關系：Uo/Ui=-Δ/（1-Δ）。

圖5：Cuk變換器電路拓補結構

當開關S閉合時，Ui對L1充電。當S斷開時，Ui+EL1通過VD對C1進行充電。再當S閉合時，VD關斷，C1通過L2、C2濾波對負載放電，L1繼續充電。

這里的C1用于傳遞能量，而且輸出極性和輸入相反。

二、隔離型開關變換器

1．推挽型變換器

下面是推挽型變換器的電路。

圖6：推挽型變換電路

S1和S2輪流導通，將在二次側產生交變的脈動電流，經過全波整流轉換為直流信號，再經L、C濾波，送給負載。

由于電感L在開關之后，所以當變比為1時，它實際上類似于降壓變換器。

2．半橋型變換器

圖2-6給出了半橋型變換器的電路圖。

當S1和S2輪流導通時，一次側將通過電源-S1-T-C2-電源及電源-C1-T-S2-電源產生交變電流，從而在二次側產生交變的脈動電流，經過全波整流轉換為直流信號，再經L、C濾波，送給負載。

同樣地，這個電路也相當于降壓式拓補結構。

圖7：半橋式變換電路

3．全橋型變換器

下圖是全橋變換器電路。

圖8：全橋式變換電路

當S1、S3和S2、S4兩兩輪流導通時，一次側將通過電源-S2-T-S4-電源及電源-S1-T-S3-電源產生交變電流，從而在二次側產生交變的脈動電流，經過全波整流轉換為直流信號，再經L、C濾波，送給負載。

這個電路也相當于降壓式拓補結構。

4．正激型變換器

下圖為正激式變換器。

圖9：正激型變換器電路

當S導通時，原邊經過輸入電源-N1-S-輸入電源，產生電流。當S斷開時，N1能量轉移到N3，經N3-電源-VD3向輸入端釋放能量，避免變壓器過飽和。VD1用于整流，VD2用于S斷開期間續流。

5．隔離型Cuk變換器

隔離型Cuk變換器電路如下所示：

圖10：隔離型Cuk變換器

當S導通時，Ui對L1充電。當S斷開時，Ui+EL1對C11及變壓器原邊放電，同時給C11充電，電流方向從上向下。附邊感應出脈動直流信號，通過VD對C12反向充電。在S導通期間，C12的反壓將使VD關斷，并通過L2、C2 濾波后，對負載放電。

這里的C12明顯是用于傳遞能量的，所以Cuk電路是電容傳輸變換電路。

6．電流變換器

能量回饋型電流變換器電路如下圖所示。

（N3同名端反了）

圖11：能量回饋型電流變換器電路

該電路與推挽電路類似。不同的是，在主通路上串聯了一個電感。其作用是在S1、S2斷開期間，使得變壓器能量轉移到N3繞組，通過VD3回饋到輸入端。

下面是升壓型變換器的電路圖：

圖12：升壓型電流變換器電路

該電路也與推挽電路類似，并在主通路上串聯了一個電感。在開關導通期間，L積蓄能量。當一側開關斷開時，電感電動勢和Ui疊加在一起，對另一側放電。因此，L有升壓作用。

三、準諧振型變換器

在脈沖調制電路中，加入R、L諧振電路，使得流過開關的電流及管子兩端的壓降為準正弦波。這種開關電源成為諧振式開關電源。

利用一定的控制技術，可以實現開關管在電流或電壓波形過零時切換，這樣對縮小電源體積，增大電源控制能力，提高開關速度，改善紋波都有極大好處。所以諧振開關電源是當前開關電源發展的主流技術。又分為：

1．ZCS——零電流開關。開關管在零電流時關斷。

2．ZVS——零電壓開關。開關管在零電壓時關斷。

具體關于這個技術的簡單介紹，見后面相關內容。

四、開關電源的分類總結

開關電源的分類

（一）按控制方式：

脈沖調制變換器：驅動波形為方波。PWM、PFM、混合式。

諧振式變換器：驅動波形為正弦波。又分ZCS（零電流諧振開關）、ZVS（零電壓諧振開關）兩種。

（二）按電壓轉換形式：

1．AC/DC：一次電源。

即整流電源。

2．DC/DC：二次電源。

1)Buck電路：降壓斬波器，入出極性相同。

2)Boost：升壓斬波器，入出極性相同。

3)Buck-Boost：升/降壓斬波器，入出極性相反，電感傳輸。

4)Cuk：升/降壓斬波器，入出極性相反，電容傳輸。

（三）按拓補結構：

1．隔離型：有變壓器。

2．非隔離型：無變壓器。

編輯：黃飛