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一、交流开关电源原理

开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止。

将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压！转华为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50HZ高很多．所以开关变压器可以做的很小，而且工作时不是很热！！成本很低．如果不将50HZ变为高频那开关电源就没有意

开关电源的工作流程是：

电源→输入滤波器→全桥整流→直流滤波→开关管（振荡逆变）→开关变压器→输出整流与滤波。

1交流电源输入经整流滤波成直流

2通过高频PWM（脉冲宽度调制）信号控制开关管，将那个直流加到开关变压器初级上

3开关变压器次级感应出高频电压，经整流滤波供给负载

4输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，控制PWM占空比，以达到稳定输出的目的

交流电源输入时一般要经过厄流圈一类的东西，过滤掉电网上的干扰，同时也过滤掉电源对电网的干扰;

在功率相同时，开关频率越高，开关变压器的体积就越小，但对开关管的要求就越高;

开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头，以得到需要的输出;

一般还应该增加一些保护电路，比如空载、短路等保护，否则可能会烧毁开关电源。

主要用于工业以及一些家用电器上，如电视机，电脑等

开关电源原理图分析

1、正激电路

开关电源工作原理是什么？开关电源原理图分析

电路的工作过程：

a》开关S开通后，变压器绕组N1两端的电压为上正下负，与其耦合的N2绕组两端的电压也是上正下负。因此VD1处于通态，VD2为断态，电感L的电流逐渐增长;

b》S关断后，电感L通过VD2续流，VD1关断.S关断后变压器的激磁电流经N3绕组和VD3流回电源，所以S关断后承受的电压为。

c》变压器的磁心复位：开关S开通后，变压器的激磁电流由零开始，随着时间的增加而线性的增长，直到S关断。为防止变压器的激磁电感饱和，必须设法使激磁电流在S关断后到下一次再开通的一段时间内降回零，这一过程称为变压器的磁心复位。

正激电路的理想化波形：

开关电源工作原理是什么？开关电源原理图分析

变压器的磁心复位时间为：

Tist=N3*Ton/N1

输出电压：输出滤波电感电流连续的情况下：

Uo/Ui=N2*Ton/N1*T

磁心复位过程：

开关电源工作原理是什么？开关电源原理图分析

2、反激电路

反激电路原理图

开关电源工作原理是什么？开关电源原理图分析

反激电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感。

工作过程：

S开通后，VD处于断态，N1绕组的电流线性增长，电感储能增加;

S关断后，N1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过N2绕组和VD向输出端释放.S关断后的电压为：us=Ui+N1*Uo/N2

反激电路的工作模式：

电流连续模式：当S开通时，N2绕组中的电流尚未下降到零。

输出电压关系：Uo/Ui=N2*ton/N1*toff

电流断续模式：S开通前，N2绕组中的电流已经下降到零。

二、开关电源电路是怎样的工作原理?

原理简介

　　开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。　　与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。　　控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。　　开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。

电路原理

　　所谓开关电源，顾名思义，就是这里有一扇门，一开门电源就通过，一关门电源就停止通过，那么什么是门呢，开关电源里有的采用可控硅，有的采用开关管，这两个元器件性能差不多，都是靠基极、（开关管）控制极（可控硅）上加上脉冲信号来完成导通和截止的，脉冲信号正半周到来，控制极上电压升高，开关管或可控硅就导通，由220V整流、滤波后输出的300V电压就导通，通过开关变压器传到次级，再通过变压比将电压升高或降低，供各个电路工作。振荡脉冲负半周到来，电源调整管的基极、或可控硅的控制极电压低于原来的设置电压，电源调整管截止，300V电源被关断，开关变压器次级没电压，这时各电路所需的工作电压，就靠次级本路整流后的滤波电容放电来维持。待到下一个脉冲的周期正半周信号到来时，重复上一个过程。这个开关变压器就叫高频变压器，因为他的工作频率高于50HZ低频。那么推动开关管或可控硅的脉冲如何获得呢，这就需要有个振荡电路产生，我们知道，晶体三极管有个特性，就是基极对发射极电压是0.65-0.7V是放大状态，0.7V以上就是饱和导通状态，-0.1V--0.3V就工作在振荡状态，那么其工作点调好后，就靠较深的负反馈来产生负压，使振荡管起振，振荡管的频率由基极上的电容充放电的时间长短来决定，振荡频率高输出脉冲幅度就大，反之就小，这就决定了电源调整管的输出电压的大小。那么变压器次级输出的工作电压如何稳压呢，一般是在开关变压器上，单绕一组线圈，在其上端获得的电压经过整流滤波后，作为基准电压，然后通过光电耦合器，将这个基准电压返回振荡管的基极，来调整震荡频率的高低，如果变压器次级电压升高，本取样线圈输出的电压也升高，通过光电耦合器获得的正反馈电压也升高，这个电压加到振荡管基极上，就使振荡频率降低，起到了稳定次级输出电压的稳定，太细的工作情况就不必细讲了，也没必要了解的那么细的，这样大功率的电压由开关变压器传递，并与后级隔开，返回的取样电压由光耦传递也与后级隔开，所以前级的市电电压，是与后级分离的，这就叫冷板，是安全的，变压器前的电源是独立的，这就叫开关电源。说到这里吧。

开关电源电路的艺术（MC34063峰值电流控制）

1、什么是峰值电流控制

前面的章节已经了解到，即使不对占空比进行控制，电压依然可以得到提升。那么，对于电感后级的储能电容而言，该电压上升的原理又是什么呢?

我们知道，电容上的电压取决于电容上的电荷，即：

（式1）

Q:电容两端的电荷差异量（库伦：C）；C：电容（法拉：F）；I(t）：电流随时间的量（安培：A）；t1：MOS管关断时间点；t2：电流减小至0时间点。

如果按照该方程，那么输出电压将呈现一条二次函数曲线，这样与实际输出电压成直流有巨大的区别。但是事实是，电感向电容释放电流的过程是一个周期二次函数，又傅里叶级数知，该周期函数至少可以分解为其周期函数的基频正余弦函数和倍频正余弦函数的加权和，而电感电容组成了一个通频带极窄的一个低通滤波器，该滤波器将交流信号基本滤除，只留下直流电压，因此输出电压为一个直流信号，因此之前所论述的输出电压被钳位的理论依然是正确的且也和式1不冲突。即在升压电路中，电感通过周期性电荷充电使电压升高，所以这种电路还有个名称叫“电荷泵”。如果一个周期不行那就多个周期，直到满足闭环控制回路输出的要求。

在建立了电荷充电能够使电压升高的概念后，现在可以引入峰值电流控制了，所谓峰值电流控制就是当电感上的电流达到一定的值时，将电感关断，此时这些电流将流入电容。

图1升压电路

在图1中，作为取样电阻，当电感电流增加时，流过取样电阻的电流增加，两端的电压增加，通过检测该电压值即可知道电流的大小，进一步对最大电流进行控制。

2、峰值电流控制的稳定性分析

在一个开关周期内，当电感充电时间小于等于放电时间，此时电感在关断期间必然使电流减小到0，参看《开关电源电路的艺术（boost电路一个典型设计1）》中的式1和式2，或直接由伏秒平衡得出。这里在matlab环境下搭建了一个仿真模型，该模型的主要结构框图如下：

图2、MATLAB电流控制模型

该模型以1V输入并将电压升至15V，该模型包括两个环路，内环为电流环，外环为电压环，由于，电压环负责电路的精确比较，电流环负责对电感充电和放电。其中SR锁存器负责形成电流开关控制，关于SR锁存器的工作原理请自行搜索，这里仅做如下解释（当R为高电平时，Q为低电平；当S为高电平且R为低电平时，Q为高电平；当S和R均为低电平时，电路处于保持状态即电路初始状态初始为高电平则此时仍为高电平，初始为低电平此时仍为低电平）。

脉冲控制模块：当输入大于某个门限时，置高电平，否则置低电平；

电压比较模块：用于和参考电压做比较，当参考电压大于输出电压（u）时，y为低电平，否则为高电平；

MOS管模型：当输入x是高电平时，y与输入电源相连（充电），否则与b相连（放电）；

电压控制：当ch为高电平时，y与u相连（允许电感充放电，或者允许振荡器震荡），否则y=0；

二极管模型：在电流下降沿对后级电容充电。

示波器用于观测模型中的输出信号。如图3是示波器的波形图：

图3示波器波形图

第一栏为电感上的电动势变化，注意看图中的电压单位负反馈环节，该环节用于模拟反向充电，可以看到高电平为1V低电平逐渐往负方向移动。第二栏为电流的波形图，第三栏为输出电压的变化，第四栏是时钟信号。可以看到，仅在电感电流下降阶段对电容充电，且这样的下降沿逐渐增大（图4），因为反压增加的缘故。

图4电流下降沿斜率增加

图5全局充电时序

可以看到，当输出电压达到15V时，电感停止跳动，剩下的时序不做参考。

网上有很多关于峰值电流控制的稳定性分析的文章，但是我想说：任何脱离环路去直接分析开环传递的稳定性都是没有意义的，而网上偏偏充斥着大量的这种文章（不是说它不合理，而是它解释起来很“抽象”）

这里，我将电感减少到一定程度（电流增益增加）来解释环路震荡（不稳定的一种表现）图6很形象地阐释了该种情况，可以看到模型出现了大量的高频震荡。这是由于环路增益变大了导致环路失稳，关于环路稳定和奈奎斯特稳定判据有关，下期我们阐述这种判据的原理及图6波形的来源

图6电感减小（电流增益变大）时震荡的图

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