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1、开关电源可分为直流开关电源和交流开关电源，是按输出来区分的，交流开关电源输出的 是交流电，而直流开关电源输出的是直流电，这里介绍的是直流开关电源。随着相关元器 件的发展，直流开关电源以其高效率在很多场合代替线性电源而获得广泛应用。直流开关电源与线性电源相比一般成本较高，但在有些特别场合却更简单和便宜，甚至几 乎只能用开关电源，如升压和极性反转等。直流开关电源还可分为隔离的和不隔离的两种， 隔离的是采用变压器来实现输入与输出间的电气隔离，变压器还便于实现多路不同电压或 多路相同电压的输出。直流开关电源结构复杂，设计和分析都有较特别的一套理论和方法， 这里主要介绍 6 种基本的不隔离的直流开关电源
2、结构形式和其特点，便于依据应用场合来 选择使用。理想假定：为便于分析，常假定存在如下理想状态1. 电子器件理想：电子开关管Q和D的导通和关断时间为零，通态电压为零，断态漏电流 为零2. 电感和电容均为无损耗的理想储能元件，且开关频率高于LC的谐振频率3. 在一个开关周期内，输入电压Vin保持不变4. 在一个开关周期内，输出电压有很小的纹波，但可认为基本保持不变，其值为Vo5. 不计线路阻抗6. 变换器效率为100%、Buck 变换器也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。图中，Q为开关管，其驱动电压一般为PWM(Pulse width modulation脉宽调制)
3、信号，信号 周期为Ts，则信号频率为f=l/Ts,导通时间为Ton，关断时间为Toff,则周期Ts=Ton+Toff 占空比 Dy= Ton/Ts。Buck 变换器有两种基本工作方式：CCM(Continuous current mode):电感电流连续模式，输出滤波电感Lf的电流总是大于零 DCM(Discontinuous current mode):电感电流断续模式，在开关管关断期间有一段时间Lf 的电流为零CCM 时的基本关系:1 / 130L尹nun哥拱0.0u、u0.0LfG max-丽 n-.lt= const7|用tG伯押OJO久 wnstDCM 时的基本关系：输出电压与輸氐电
4、压间的关丟：- = 一- r 心十心苴中沁D J严AD迪-DJ龙芒为关斷后电感电慌下陲到暮的时间，T瑁=在电疣斷续时I砒础!不怛与占空岀Dy有关 而且与负载龟流Io大小有关 若Io=a J则心巧血DCM 可分为两种典型情况：输入电压Vin不变，输出电压Vo变化，常用作电动机速度控制或充电器对蓄电池的恒流充 电输入电压Vin变化，输出电压Vo恒定，即普通开关稳压电源电感电流临界连续的边界：输入电压恒定不变时：Vin=const理想情况下，在电流断续区输出电压仅由占空比Dy确定。实际电路中，因元器件的非理想 化，在电感电流的连续区，Buck变换器的外特性也是下降的，即Io加大，Vo降低。为保 持V
5、o不变，在Io增加时，要适当加大占空比Dy。输出电压恒定不变时：Vo=const可画出 Buck 变换器在 Vo=const 时的特性曲线：1.00.751,0%EUUi0.500.2562弓图中虚线为电感电流临界连续的边界，右上方为电流连续区，左下为电流断续区。在电感电流临界连续时，若加大负载，则进入电流连续工作区；减小负载，则进入电流断 续区。若负载不变，减小输入电压Vin,为使Vo不变，应加大Dy,也进入电流连续区。Boost 变换器：也称升压式变换器，是一种输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器。开关管Q也为PWM控制方式，但最大占空比Dy必须限制，不允许在Dy=1的状态下工作。
6、电感Lf在输入侧，称为升压电感。Boost变换器也有CCM和DCM两种工作方式。CCM 时的基本关系：Q 导通时为电感 Lf 储能阶段，此时电源不向负载提供能量，负载靠储于电容 Cf 的能量维持 工作；Q关断时，电源和电感共同向负载供电，此时还给电容Cf充电。变换器必须接负载, 不然会因能量不断送到负载端而使Vo不断升高而损坏。输出电压与输风电压间的芜乗I输出平均电歸和输入平均电疣的关系:p = 1-开关管Q的最大电磁眄和二极管D義大电琢论与电感电凉最大法如 相同即：1_5 十（1一6妙几-总皿锻 亠PlMK亠联皿:K-厂I r；i r 扌邈过弃关管q的电流平均值：阳二右-厲二T7Tl0疣过二
7、积管d的电凉平均值專于员载电疏I。U幵关営Q和二扱苛D：辔别截止时加在上贡的电压等于输出电压，即 池二 陽二输入电凉的脉动量等于电感电疣的脉动量:牟=4皿 4血=f ； 片=丁 :1 - DJ纠分理想电容下辅出戏压的麻动可估負夷：血比二 笃5扎F比 1-6兰计天电感电阻I时：=% 取+ ?计入r导敷在Dy比较丈时曲绘变平坦井下坠因此必烦限制Dy的最大值=DCM 时的基本关系：% D + A） 输出电医与输入电压间的关系:-=% 蚯苴中：也0二略f近门疏1 - 0貞,.,爲対关断后电感电疥下降到枣的时间，AD = _屯lQ 3辎出平均电凉常辎戎平均电聽的去票:=一-h4十心1D输入平均电疥Ii等
8、于电感电硫平均值：厶二二*4皿（6 +AZ） 输出平均电流g于二蹄D的电流平均值典亠=在电流断续时，即使输入电压Vin不变，为了保持输出电压Vo恒定，也要随负载电流的不 同来调整占空比 Dy。疣过幵关管Q的电流平均值：二+ g 齐二自厂口；流过开关管Q的电疣呆大值，也即二极管D的电蹄呆大值和电感电蹄呆大直: 阪贾 _占5MK _ & gSSt _ -2p电感电流临界连续的边界：用表示临界连缜电感电肺的平均值I则: 如=2： ； = 2L f 耳）纠用Fog表示临界电關连续时的员载电歸I。，则:输入电压恒定不变时：Vin=const惟界连续电感电硫的平均值在口严1时达到杲大值: Z 一丄 亠甘?
9、皿心：厂I #临界负载电流攝大值在Ey=0.5时出现带0G ； TMmaK J - DJDy27t?G4输出电压恒定不变时： Vo=constg(smk 0 - D J 2aMK 二飾=4欝DHK 2临界连续电感电疏的平均值在Dy=D.5时达到毘犬值: 临界负载电疣最犬借在Dy=13时出现!.曲 21匚小 电感电流临界连续的边界曲线：上方为电感电流连续区，下方为断续区OffC)0PSniiOK0.0D1.0曲图可见，电感电廉不连续的边界相当宽，在片论 cQE时, 几乎在占空比巧变化的所有范阖内I电感电肺均尙斷续尊TnwwDG*imkViti COtlSll； = COlLst电流断续时，开关管
10、 Q 导通期间存储在电感 Lf 中的磁能在 Q 截至期间全部通过二极管 D 转移到输出端，如果变换器不接负载电阻，或电阻太大，必使Vo不断增加，因此没有电压 闭环调节的Boost变换器不能在输出端开路情况下工作。三、Buck/Boost变换器：也称升降压式变换器，是一种输出电压既可低于也可高于输入电 压的单管不隔离直流变换器，但其输出电压的极性与输入电压相反。 Buck/Boost 变换器可 看做是Buck变换器和Boost变换器串联而成，合并了开关管。Buck/Boost变换器也有CCM和DCM两种工作方式，开关管Q也为PWM控制方式。 CCM 时的基本关系：电感Lf用于储能和转换能量，Q导
11、通时电感Lf储能，负载由电容Cf供电；Q关断时，电 感向负载供电。输出电压与输认.电压间的并系：- = 比 _比D5fO.5B,讥二巧il； DyO时，VbVai； D尸0时，血珂im即输出电压阳可低于也可高于输AK=输岀平均电蛊和输风平均电硫的关条:匕电翩电流的平均值为幵关菅Q与二根管D的电流平均值之和:冷讥 十g二 订寻一 开并誇Q的平均电济是输XIi： I.=厶=&比一 $二櫥管D的平均竜痂是输出皑硫Io； 1住二二I耀Q_D；*并关昔Q的绘丈电流I沖 和二扱昔D的蜃丈屯流如与电感电流蜃丈值相風即：Z -Z -Z 一 5 十7肌 亠如彰 丄J?2MK亠&皿晦_ 厂 *BTickJBoos
12、t变换器的输厌电流和输出电疣的脉动量祁较大逋第在输人输岀側还需加濾波器开关管Q和二槻背D少别载止时枷在上面的电压较高任必叽+% = _吏- 耳7理想电容下输出电压的脈动与Baost变换馬相同:= 1住DCM 时的基本关系： 输出电压与输层电压间的关系：=忌g锵出电1： l0 = hAD =巴在电疣断续吋输出电压尿不仅与输兀电压旺hi和占空比Dy有关，还和负载电琢k的犬小有关. 流过幵关管Q的电流掃大值I也即二极背D的电流绘大和电感电流最大值：衣5二苴中 r D = TlTs AD 建1 Q”) 石伊対关断佶电感电肺下降到零的时间 輸出平均电馮和愉入平均电慌的关系：孑二等f _ ：.担刀 $f
13、JQa-i _ 应皿篮_亠彳皿血亘也即；功率器件的摄大电疣在电感电流断续工作时仅由输出功率Fo确定口 电感电流临界连续的边界：输入电压恒定不变时：Vin=const临界连续岂感电廉的平均值在Dy=l时达到摄犬值: 临界负载电新最大值在Dy=0.5-时出现：og =牡皿彌T-_OGin?c%心Zs 输出电压恒定不变时： Vo=const临界连续电感电硫的平均值在Dy=O吋达到爰大值: %临界悦裁电疣員丈值在Dy=D时出现： -丄 12丄了 /占由 图 可 见 ， 在 Vo=const 时 ， 如 果 Dy0.5 ， 即 VoVin ， 变 换 器 很 容 易 进 入 电 感 电 流 断续区。由
14、于 这种变换 器 的 输出电流 和电感电流不 同，故二 者的 边 界 不 相 同，输出 电流 Io 的 边 界 线在电感 电 流 的下方， 因为 Io 只是电感电 流 的 一部 分 。四、Cuk变换器：美国加州理工学院Slobodan Cuk 提出的对Buck/Boost改进的单管 不隔离直流变换器，在输入输出端均有电感，可以显著减小输入和输出电流的脉动 同 样 是输出 电 压 的 极性与输 入电压相反，同样是输出 电压既可低于也 可高于输 入 电开关管Q也为PWM控制方式。Cuk变换器也有CCM和DCM两种工作方式，但不是指电感电流，而是指流过二极管的电流连续或断续。 在一个开关周期中开关管 Q 的截止时间（l-Dy）Ts内，若二极管电流总是大于零，则为电流连续；若二极管电流 在一段时间内为零，则为电流断续工作；若二极管电流在 t=Ts 时刚降为零，则为临 界连续工作方式。Cuk 变换器中有两个电感，这两个电感之间可以没有耦 合 ，也可以有 耦 合，耦 合 电 感可进一步减小电流脉动量。分 析 时增加一 个 假 设：耦合 电容 C1 容 量 很大 ，变换 器在 稳 态 工 作 时 C1 的 电 压基本 保持恒定。CCM 时 的 基 本 关 系 ：Cuk 变 换器 中 ， 电 源 能 量 经过 3 次变换 才 到 负 载 。 第一
