1.3 开关电源的基本组成及工作原理

1.3.1 串联型开关电源基本组成及工作原理

图1-5所示为自激串联型开关电源基本原理图。其中VT为电源开关管，受激励脉冲的控制，工作在截止与饱和状态。C1是市电电压整流滤波电路中的滤波电容。VD为续流二极管，它的作用是在开关管截止时为负载提供供电通路。L为储能电感（即开关变压器）。C2为开关电源输出端滤波电容。

在开关管VT饱和导通期间，C1正极的直流电压Ui经过L→VT→C2正极→C2负极充电。一方面使C2两端建立直流电压，另一方面使储能电感L中的磁能不断增大。当开关管VT截止期间，L感应出左负、右正的电压，则L中的磁能经续流二极管VD向C2及负载释放，开关电源输出端电压Uo的高低由VT的饱和导通时间的长短决定，即由基极激励脉冲宽度决定，而基极激励脉冲的宽度，由误差取样、放大电路决定。

在串联型开关电源中如果没有续流二极管VD，当开关管突然由饱和导通转为截止时，由于L中的磁能不能释放，将感应出极高的电压，该电压极易导致开关管VT击穿，而接入续流二极管VD后，当开关管由饱和导通转为截止时，L中的磁能通过VD向C2及负载电路释放，一方面使L两端的电压下降，使开关管集电极-发射极压降为输入Ui值，并有足够的余量；另一方面，在VT截止期间，L将通过续流二极管VD释放能量，使负载电路在开关管截止期间，得到能量的补充，这将使输出端电压更平滑，开关电源的效率更高。

1.3.2 并联型开关电源基本组成及工作原理

并联型开关电源有自激式，也有他激式，其中他激式应用广泛。

1. 自激式并联开关电源

自激式并联开关电源主要分为单端式、推挽式和桥式等，其中，单端自激式应用最多，其基本电路如图1-6所示。

这是一种利用间歇振荡电路组成的开关电源，其基本工作原理如下。

当接入电源后，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；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，高频开关变压器T一次绕组中的储能释放给负载。在VT1截止时，L2中没有感应电压，直流供电输入电压又经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，就像单端反激式开关电源那样，由变压器T的二次绕组向负载输出所需要的电压。

自激式并联开关电源中的开关管起着开关及振荡的双重作用，也省去了控制电路，这种电路不仅适用于大功率电源，亦适用于小功率电源。

2. 他激式并联开关电源

他激式并联开关电源分为单端反激式、单端正激式、推挽式、全桥式、半桥式等，下面进行简要说明。

（1）单端反激式

单端反激式开关电源基本电路如图1-7所示。

电路中所谓的单端是指高频开关变压器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管VT1导通时，开关变压器T一次绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，在一次绕组中储存能量。当开关管VT1截止时，变压器T一次绕组中存储的能量，通过二次绕组及VD1整流和电容C滤波后向负载输出。

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，且电压调整比较方便，因此应用十分广泛。主要缺点是输出的纹波电压稍大，开关管VT1承受的最大反向电压较高（是电路工作电压值的两倍）。

（2）单端正激式

单端正激式开关电源的基本电路如图1-8所示。

这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。当开关管VT1导通时，VD2也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感L储存能量。当开关管VT1截止时，电感L通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。

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。主要存在的问题是，电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，因此这种电路的实际应用较少。

（3）推挽式

推挽式驱动电路结构形式非常简单，如图1-9所示。

推挽驱动器只用到2只N沟道功率场效应管VT1、VT2，并将升压变压器T的中心抽头接于脉动直流电源，2只功率管VT1、VT2交替工作，输出得到交流电压，由于功率场效应管共地，所以驱动控制电路简单。另外变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，提高了电路的可靠性。

推挽式开关电源输出功率较大，一般在100～500W范围内。

对于推挽结构的驱动电路，要求脉动直流电源的变化范围要小，否则会使驱动电路的效率降低。需要注意的是，当VT1和VT2同时导通时，相当于变压器一次绕组短路，因此应避免两个开关管同时导通。

（4）全桥式

全桥驱动电路有多种形式，图1-10是采用4只N沟道场效应管的全桥结构形式。

电路工作时，在驱动控制IC的控制下，VT1、VT4同时导通，VT2、VT3同时导通，且VT1、VT4导通时，VT2、VT3截止，也就是说，VT1、VT4与VT2、VT3是交替导通的，使变压器一次侧形成交流电压，改变开关脉冲的占空比，就可以改变VT1、VT4和VT2、VT3的导通与截止时间，从而改变了变压器的储能，也就改变了输出的电压值。

需要注意的是，如果VT1、VT4与VT2、VT3的导通时间不对称，则变压器一次侧的交流电压中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生。

图1-11所示是采用2只N沟道和2只P沟道场效应管的全桥驱动电路。

电路工作时，在驱动控制IC的控制下，VT4、VT1同时导通，VT2、VT3同时导通，且VT4、VT1导通时，VT2、VT3截止，也就是说，VT4、VT1与VT2、VT3是交替导通的，使变压器一次侧形成交流电压。

（5）半桥式

相比全桥，半桥结构的驱动电路最大的好处是每个通道少用了2只MOSFET，如图1-12所示，但它需要更高匝比的变压器，这会增加变压器的成本。

电路工作时，在驱动控制IC的控制下，从vg1、vg2端输出开关脉冲，控制VT1与VT2交替导通，使变压器一次侧形成交流电压。改变开关脉冲的占空比，就可以改变VT1、VT2的导通与截止时间，从而改变了变压器的储能，也就改变了输出的电压值。