单端正激式开关电源的设计

本文将以详尽的开关电源案例分析为手段，深入探讨各类开关电源的工作原理和应用场景。首先，我们将聚焦于单端正激式开关电源，通过对其内部电路结构的剖析，揭示其如何实现高效稳定的电压转换。在此基础上，我们将进一步分析自激式开关电源的特点，探讨其在无外部驱动信号情况下如何实现自我振荡和电压输出的过程。

接下来，本文将介绍推挽式开关电源，这种电源通过两个开关管的交替工作，实现了对输入电压的双向利用，从而提高了电源的效率和功率密度。此外，我们还将详细阐述降压式开关电源和升压式开关电源的工作原理，这两种电源分别适用于需要将电压降低和升高的场合，为各种电子设备提供了灵活的电源解决方案。

最后，我们将关注反转式开关电源，这种电源通过改变开关管的导通状态，实现了输出电压的极性反转，为某些特殊设备提供了必要的电源支持。通过这一系列案例分析，本文旨在帮助读者深入理解各类开关电源的工作原理和应用特点，为实际工程应用提供有益的参考。

在全球对能源问题日益重视的背景下，电子产品的耗能问题逐渐凸显，成为了亟待解决的焦点。传统的线性稳压电源虽然以其电路结构简洁、工作稳定可靠而受到青睐，然而，其效率低(仅40%-50%)、体积庞大、铜铁消耗量大、工作温度高以及调整范围有限等缺点也日益明显。

为了克服这些局限，人类研制出了开关式稳压电源，这一创新技术的出现，极大地提升了能源使用效率，甚至可以达到85%以上。不仅如此，开关式稳压电源还具有宽稳压范围、高精度稳压、无需电源变压器等独特优势，成为了一种理想的稳压电源选择。

正是基于这些显著优点，开关式稳压电源在各类电子设备中得到了广泛应用。本文将对各类开关电源的工作原理进行深入剖析，旨在更好地理解其工作原理，为未来的能源利用和电子设备发展提供参考。

一、开关式稳压电源的基本工作原理

开关式稳压电源的控制方式主要分为调宽式和调频式两种。这两种方式各有特点，但在实际应用中，调宽式由于其优越的性能和经济性而备受青睐。

调宽式开关稳压电源，顾名思义，是通过调整开关管的导通时间来调节输出电压的稳定。这种方式的优点是响应速度快，输出电压的纹波小，且易于实现。在开关电源集成电路中，绝大多数都是采用脉宽调制型，即PWM(Pulse Width Modulation)技术。

PWM技术是一种非常有效的电源控制技术，它通过不断地调整开关管的导通时间，即脉冲宽度，来保持输出电压的稳定。当输出电压升高时，控制器会减小开关管的导通时间，从而降低输出电压;反之，当输出电压降低时，控制器会增加开关管的导通时间，以提高输出电压。通过这种方式，PWM技术能够实现对输出电压的精确控制。

除了PWM技术外，调频式开关稳压电源也是一种常见的控制方式。它通过改变开关管的开关频率来调节输出电压。然而，由于调频式开关稳压电源在实现上相对复杂，且对元器件的要求较高，因此在实际应用中并不如调宽式广泛。

综上所述，调宽式开关稳压电源是目前使用最为广泛的一种电源控制方式。其基于PWM技术的实现方式具有响应速度快、输出电压稳定、纹波小等优点，因此在各种电子设备中得到了广泛应用。

调宽式开关稳压电源的基本原理可参见下图。

对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压Uo取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。直流平均电压U。可由公式计算，即Uo=Um×T1/T 式中Um为矩形脉冲最大电压值;T为矩形脉冲周期;T1为矩形脉冲宽度。

从上式可以看出，当Um与T不变时，直流平均电压Uo将与脉冲宽度T1成正比。这样，只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可以达到稳定电压的目的。

二、开关式稳压电源的原理电路

1、基本电路

图二开关电源基本电路框图

开关式稳压电源的基本电路框图如图二所示。

交流电压，作为电力系统中最为常见的电源形式，通过整流电路及滤波电路的协同作用，其波形发生了显著的变化。整流电路如同一位精巧的匠人，将原本起伏不定的交流波形，巧妙地雕琢成了带有一定脉动成分的直流电压。这一转变，既去除了交流电的周期性变动，又保留了部分原始的脉动特征，为后续的电压变换奠定了坚实的基础。

随后，这一经过初步处理的直流电压，进入高频变换器的舞台。高频变换器，就如同一位技艺高超的魔术师，将输入的直流电压巧妙地转换成所需电压值的方波。这个方波，既满足了电路对于稳定电压的需求，又通过其独特的波形特性，为后续的整流滤波过程提供了便利。

最后，这个方波电压再次经过整流滤波的处理，完成了从交流到直流的华丽转身。经过这一系列的变换与过滤，原本起伏不定的交流电压，最终变成了稳定而纯净的直流电压，为各种电子设备提供了源源不断的动力。这一过程，不仅体现了电力电子技术的精湛技艺，更展现了人类对电力应用的深入探索与智慧创造。

控制电路为一脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源用集成电路。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。

2.单端反激式开关电源

单端反激式开关电源的典型电路图，正是如图三所展示的那样，其精妙之处在于高频变换器的独特工作方式。所谓单端，实际上指的是高频变换器的磁芯仅在一侧进行磁滞回线的工作。这种设计使得电源在运作时更为高效且稳定。

反激，则是一个形象生动的描述，指的是当开关管VT1处于导通状态时，高频变压器T的初级绕组感应电压为上正下负。此时，整流二极管VD1处于截止状态，从而确保在初级绕组中有效地储存能量。而当开关管VT1截止时，这些在初级绕组中累积的能量，便通过次级绕组，经过VD1的整流和电容C的滤波，最终输出到负载中，为设备提供稳定的电力支持。

这种单端反激式开关电源的设计，不仅具有高效、稳定的特性，而且在应对不同负载变化时，其表现同样出色。其内部的精密调控机制，使得电源能够根据不同的负载需求，智能地调整输出，确保设备始终得到最适合的电力供应。这样的设计，无疑为现代电子设备的高效、稳定运行提供了有力保障。

单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20-100W，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。唯一的缺点是输出的纹波电压较大，外特性差，适用于相对固定的负载。

单端反激式开关电源使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在20-200kHz之间。

3.单端正激式开关电源

单端正激式开关电源的典型电路如图四所示，其结构与单端反激式电路颇为相似，但在工作原理上却展现出别样的风采。当开关管VT1欣然开启，VD2亦步亦趋地紧随其后，此刻电网如同慷慨的赠予者，向负载慷慨地输送着能量，而滤波电感L则默默地储存着这份力量。然而，当开关管VT1优雅地谢幕，电感L则化身为坚韧的守护者，借助续流二极管VD3，继续为负载提供源源不断的能量。这样的电路，如同一位舞者，在舞台的每一个角落都留下了其独特的舞步和韵律。

在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2，它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件，即磁通建立和复位时间应相等，所以电路中脉冲的占空比不能大于50%。由于这种电路在开关管VT1导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50-200W的功率。电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少。

4.自激式开关稳压电源

自激式开关稳压电源的典型电路如图五所示，恰如一位精妙的舞者，在舞台上轻盈地跳跃。这不仅仅是一个普通的电路，而是一场由间歇振荡电路精心编排的开关电源之舞。它如同一位技艺高超的指挥家，精准地掌控着每一个音符的起伏和节奏的变化，为电子设备提供着稳定而可靠的能量之源。自激式开关稳压电源，正是目前广泛使用的基本电源之一，它的优雅和实用性，为现代电子设备注入了源源不断的活力。

当接入电源后在R1给开关管VT1提供启动电流，使VT1开始导通，其集电极电流Ic在L1中线性增长，在L2中感应出使VT1基极为正，发射极为负的正反馈电压，使VT1很快饱和。与此同时，感应电压给C1充电，随着C1充电电压的增高，VT1基极电位逐渐变低，致使VT1退出饱和区，Ic开始减小，在L2中感应出使VT1基极为负、发射极为正的电压，使VT1迅速截止，这时二极管VD1导通，高频变压器T初级绕组中的储能释放给负载。在VT1截止时，L2中没有感应电压，直流供电输人电压又经R1给C1反向充电，逐渐提高VT1基极电位，使其重新导通，再次翻转达到饱和状态，电路就这样重复振荡下去。这里就像单端反激式开关电源那样，由变压器T的次级绕组向负载输出所需要的电压。

自激式开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作从，也省去了控制电路。电路中由于负载位于变压器的次级且工作在反激状态，具有输人和输出相互隔离的优点。这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源。在自激式开关电源中，开关管的作用至关重要。它既是电路的开关，负责在适当的时候接通和断开电流，同时也是振荡器，负责产生电源所需的高频振荡信号。这样的双重作用使得自激式开关电源的设计更为简洁，因为它省去了独立的控制电路，进一步简化了电路结构。

此外，自激式开关电源中的负载位于变压器的次级，且工作在反激状态，这一特性使得它具有输入和输出相互隔离的优点。这种隔离不仅提高了电源的安全性，也有效地减少了电磁干扰，使得电源能够更稳定、更高效地工作。

对于大功率电源来说，自激式开关电源的高效性和稳定性是极其重要的。由于开关管在电路中的双重作用，使得电源能够在高功率输出时仍能保持高效率，减少了能源的浪费。同时，电路的简洁性也使得散热和维护变得更为方便。

而对于小功率电源来说，自激式开关电源同样具有广泛的应用前景。由于它的体积小、重量轻，且性能稳定，因此在便携式电子设备、智能家居等领域有着广泛的应用。同时，随着科技的发展，人们对电源的要求也在不断提高，自激式开关电源以其独特的优势，正逐渐成为满足这些需求的重要选择。

总的来说，自激式开关电源以其简洁的电路结构、高效的工作性能以及优良的隔离特性，在大功率和小功率电源领域都有着广泛的应用前景。随着科技的不断进步，我们有理由相信，自激式开关电源将会在未来的电源领域中发挥更大的作用。

5.推挽式开关电源

推挽式开关电源是一种高效的电源设计，其典型电路如图六所示。该电路巧妙地运用了双端式变换技术，使得高频变压器的磁芯在磁滞回线的两侧灵活工作。这种设计不仅提高了电源的工作效率，还降低了热损耗。

在推挽式开关电源中，两个开关管VT1和VT2扮演着至关重要的角色。它们在外激励方波信号的控制下，交替地进行导通与截止操作。这种交替工作的方式，使得电流在高频变压器T的初级绕组中产生变化，从而在次级绕组中产生相应的感应电动势。这个感应电动势呈现出方波电压的特性，为后续的整流滤波过程提供了必要的条件。

经过整流滤波环节的处理，方波电压被转换成平滑的直流电压，满足了电子设备对稳定直流电源的需求。整流滤波电路中的整流器负责将交流成分滤除，而滤波器则进一步平滑输出电压，确保电源的稳定性。

综上所述，推挽式开关电源通过巧妙的电路设计，实现了高效、稳定的电源输出。它在现代电子设备中得到了广泛应用，为各种复杂电路的稳定运行提供了可靠的保障。