- 介紹單擊式變壓器開關(guān)電源
- 單激式變壓器開關(guān)電源的工作原理
單激式變壓器開關(guān)電源
變壓器開關(guān)電源的最大優(yōu)點(diǎn)是，變壓器可以同時(shí)輸出多組不同數(shù)值的電壓，改變輸出電壓和輸出電流很容易，只需改變變壓器的匝數(shù)比和漆包線截面積的大小即可；另外，變壓器初、次級(jí)互相隔離，不需共用同一個(gè)地。因此，變壓器開關(guān)電源也有人把它稱為離線式開關(guān)電源。這里的離線并不是不需要輸入電源，而是輸入電源與輸出電源之間沒有導(dǎo)線連接，完全是通過磁場偶合傳輸能量。
變壓器開關(guān)電源采用變壓器把輸入輸出進(jìn)行電器隔離的最大好處是，提高設(shè)備的絕緣強(qiáng)度，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還可以減輕EMI干擾，并且還容易進(jìn)行功率匹配。
變壓器開關(guān)電源有單激式變壓器開關(guān)電源和雙激式變壓器開關(guān)電源之分，單激式變壓器開關(guān)電源普遍應(yīng)用于小功率電子設(shè)備之中，因此，單激式變壓器開關(guān)電源應(yīng)用非常廣泛。而雙激式變壓器開關(guān)電源一般用于功率較大的電子設(shè)備之中，并且電路一般也要復(fù)雜一些。
單激式變壓器開關(guān)電源的缺點(diǎn)是變壓器的體積比雙激式變壓器開關(guān)電源的激式變壓器的體積大，因?yàn)閱渭な介_關(guān)電源的變壓器的磁芯只工作在磁回路曲線的單端，磁回路曲線變化的面積很小。
單激式變壓器開關(guān)電源的工作原理
圖1-16-a是單激式變壓器開關(guān)電源的最簡單工作原理圖。圖1-16-a中，Ui是開關(guān)電源的輸入電壓，T是開關(guān)變壓器，K是控制開關(guān)，R是負(fù)載電阻。
當(dāng)控制開關(guān)K接通的時(shí)候，直流輸入電壓Ui首先對(duì)變壓器T的初級(jí)線圈N1繞組供電，電流在變壓器初級(jí)線圈N1繞組的兩端會(huì)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)e1；同時(shí)，通過互感M的作用，在變壓器次級(jí)線圈N2繞組的兩端也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2；當(dāng)控制開關(guān)K由接通狀態(tài)突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷狀態(tài)的時(shí)候，電流在變壓器初級(jí)線圈N1繞組中存儲(chǔ)的能量（磁能）也會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)e1；同時(shí)，通過互感M的作用，在變壓器次級(jí)線圈N2繞組中也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2。
因此，在控制開關(guān)K接通之前和接通之后，在變壓器初、次級(jí)線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)方向是不一樣的。
所謂單激式變壓器開關(guān)電源，是指開關(guān)電源在一個(gè)工作周期之內(nèi)，變壓器的初級(jí)線圈只被直流電壓激勵(lì)一次。一般單激式變壓器開關(guān)電源在一個(gè)工作周期之內(nèi)，只有半個(gè)周期向負(fù)載提供功率（或電壓）輸出。當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈正好被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線圈也正好向負(fù)載提供功率輸出，這種變壓器開關(guān)電源稱為正激式開關(guān)電源；當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈正好被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線圈沒有向負(fù)載提供功率輸出，而僅在變壓器初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓被關(guān)斷后才向負(fù)載提供功率輸出，這種變壓器開關(guān)電源稱為反激式開關(guān)電源。
圖1-16-b是單激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓的波形，由于輸出電壓是由變壓器的次級(jí)輸出，因此，在輸出電壓uo中完全沒有直流成份。輸出電壓正半波的面積與負(fù)半波的面積完全相等，這是單激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓波形的特點(diǎn)。圖1-16-b中，當(dāng)只輸出正半波電壓時(shí)，為正激式開關(guān)電源；反之，當(dāng)只輸出負(fù)半波電壓時(shí)，為反激式開關(guān)電源。
順便指出，圖1-16-b中變壓器輸出電壓波形極性的正負(fù)，是可以通過調(diào)整變壓器線圈的饒線方向（相位）來改變的。嚴(yán)格地說，只有當(dāng)控制開關(guān)的占空比等于0.5時(shí)，開關(guān)電源的輸出電壓才能稱為正、負(fù)半周電壓，但由于人們已習(xí)慣了正、負(fù)半周的叫法，所以，只要是有正、負(fù)電壓輸出的電源，我們還是習(xí)慣地把它們稱為正、負(fù)半周。但為了與占空比不等于0.5時(shí)的電壓波形相區(qū)別，我們有時(shí)特別把占空比不等于0.5時(shí)的電壓波形稱為正、負(fù)半波。因此，有些場合在不影響對(duì)正、負(fù)半波電壓的理解時(shí)，或占空比不確定時(shí)，我們也習(xí)慣地把正、負(fù)半波稱為正、負(fù)半周。
圖1-16-a中，在Ton期間，控制開關(guān)K接通，輸入電源Ui開始對(duì)變壓器初級(jí)線圈N1繞組加電，電流從變壓器初級(jí)線圈N1繞組的兩端經(jīng)過，通過電磁感應(yīng)會(huì)在變壓器的鐵心中產(chǎn)生磁場，并產(chǎn)生磁力線；同時(shí)，在初級(jí)線圈N1繞組的兩端要產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)E1，在次級(jí)線圈N2繞組的兩端也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2；感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2作用于負(fù)載R的兩端，從而產(chǎn)生負(fù)載電流。因此，在初、次級(jí)電流的共同作用下，在變壓器的鐵心中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由流過變壓器初、次級(jí)線圈電流產(chǎn)生的合成磁場，這個(gè)磁場的大小可用磁力線通量（簡稱磁通量），即磁力線的數(shù)目 來表示。
如果用 1來表示變壓器初級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁通量，用 2來表示變壓器次級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁通量，由于變壓器初、次級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁場方向總是相反，則在控制開關(guān)K接通期間，由流過變壓器初、次級(jí)線圈電流在變壓器鐵心中產(chǎn)生的合成磁場的總磁通量 為：
其中變壓器初級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁通 1還可以分成兩個(gè)部分，一部分用來抵消變壓器次級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁通 2，記為 10，另一部分是由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通，記為Δ 1。顯然 10 =－ 2，Δ 1 = 。即：變壓器鐵心中產(chǎn)生的磁通量 ，只與流過變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流有關(guān)，與流過變壓器次級(jí)線圈中的電流無關(guān)；流過變壓器次級(jí)線圈中的電流產(chǎn)生的磁通，完全被流過變壓器初級(jí)線圈中的另一部分電流產(chǎn)生的磁通抵消。[page]
根據(jù)電磁感應(yīng)定律可以對(duì)變壓器初級(jí)線圈N1繞組回路列出方程：
同樣，可以對(duì)變壓器次級(jí)線圈N2繞組回路列出方程：
根據(jù)（1-61）和（1-62）可以求得：
上式中，Up為正激式開關(guān)電源變壓器次級(jí)輸出電壓的幅值（圖1-16-b中正半周）；Ui為正激式開關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈N1繞組的輸入電壓；n為變壓比，即：開關(guān)變壓器次級(jí)線圈輸出電壓與初級(jí)線圈輸入電壓之比，n也可以看成是開關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2繞組與初級(jí)線圈N1繞組的匝數(shù)比，即：n = N2/N1。
由此可知，在控制開關(guān)K接通期間，正激式開關(guān)電源變壓器次級(jí)輸出電壓的幅值只與輸入電壓和變壓器的次/初級(jí)變壓比有關(guān)。
我們?cè)賮矸治隹刂崎_關(guān)K關(guān)斷期間的情況。
在Toff期間，控制開關(guān)K關(guān)斷，流過變壓器初級(jí)線圈的電流突然為0。由于變壓器初級(jí)線圈回路中的電流產(chǎn)生突變，而變壓器鐵心中的磁通量 不能突變，因此，必須要求流過變壓器次級(jí)線圈回路的電流也跟著突變，以抵消變壓器初級(jí)線圈電流突變的影響，要么，在變壓器初級(jí)線圈回路中將出現(xiàn)非常高的反電動(dòng)勢(shì)電壓，把控制開關(guān)或變壓器擊穿。
如果變壓器鐵心中的磁通 產(chǎn)生突變，變壓器的初、次級(jí)線圈就會(huì)產(chǎn)生無限高的反電動(dòng)勢(shì)，反電動(dòng)勢(shì)又會(huì)產(chǎn)生無限大的電流，而電流在線圈中產(chǎn)生的磁力線又會(huì)抵制磁通的變化，因此，變壓器鐵心中的磁通變化，最終還是要受到變壓器初、次級(jí)線圈中的電流來約束的。
因此，在控制開關(guān)K關(guān)斷的Toff期間，變壓器鐵心中的磁通 主要由變壓器次級(jí)線圈回路中的電流來決定，即：
式中負(fù)號(hào)表示反電動(dòng)勢(shì)e2的極性與（1-62）式中的符號(hào)相反，即：K接通與關(guān)斷時(shí)變壓器次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的極性正好相反。對(duì)（1-64）式階微分方程求解得：
式中C為常數(shù)，把初始條件代入上式，就很容易求出C，由于控制開關(guān)K由接通狀態(tài)突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷時(shí)，變壓器初級(jí)線圈回路中的電流突然為0，而變壓器鐵心中的磁通量 不能突變，因此，變壓器次級(jí)線圈回路中的電流i2一定正好等于控制開關(guān)K接通期間的電流i2(Ton+)，與變壓器初級(jí)線圈回路中勵(lì)磁電流被折算到變壓器次級(jí)線圈回路電流之和。所以（1-65）式可以寫為：
（1-66）式中，括弧中的第一項(xiàng)表示變壓器次級(jí)線圈回路中的電流，第二項(xiàng)表示變壓器初級(jí)線圈回路中勵(lì)磁電流被折算到變壓器次級(jí)線圈回路的電流。
圖1-16-a單激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓uo等于：
由（1-67）式可以看出，當(dāng)t = 0時(shí)，即：K關(guān)斷瞬間，輸出電壓有最大值：
（1-68）式中的Up-就是反擊式輸出電壓的峰值，或輸出電壓最大值。由此可知，在控制開關(guān)K關(guān)斷瞬間，當(dāng)變壓器次級(jí)線圈回路負(fù)載開路時(shí)，變壓器次級(jí)線圈回路會(huì)產(chǎn)生非常高的反電動(dòng)勢(shì)。理論上需要時(shí)間t等于無限大時(shí)，變壓器次級(jí)線圈回路輸出電壓才為0，但這種情況一般不會(huì)發(fā)生，因?yàn)榭刂崎_關(guān)K的關(guān)斷時(shí)間等不了那么長。
從（1-63）和（1-67）式可以看出，開關(guān)電源變壓器的工作原理與普通變壓器的工作原理是不一樣的。當(dāng)開關(guān)電源工作于正激時(shí)，開關(guān)電源變壓器的工作原理與普通變壓器的工作原理基本相同；當(dāng)開關(guān)電源工作于反激時(shí)，開關(guān)電源變壓器的工作原理相當(dāng)于一個(gè)儲(chǔ)能電感。[page]
如果我們把輸出電壓uo的正、負(fù)半波分別用平均值Upa、Upa-來表示，則有：
根據(jù)電磁感應(yīng)定律可以對(duì)變壓器次級(jí)線圈N2繞組回路列出方程：
分別對(duì)（1-71）和（1-72）兩式進(jìn)行積分得：
由此我們可以求得，單激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓正半波的面積與負(fù)半波的面積完全相等，即：
（1-75）式就是用來計(jì)算單激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓半波平均值Upa和Upa-的表達(dá)式。上面（1-73）、（1-74）、（1-75）式中，我們分別把Upa和Upa-定義為正半波平均值和負(fù)半波平均值，簡稱半波平均值，而把Ua 和Ua- 稱為一周平均值。從圖1-16-b可以看出，Upa正好等于Up，但Upa-并不等于Up- ，Upa- 小于Up- 。
半波平均值Upa和Upa-，以及一周平均值Ua 和Ua- ，對(duì)于分析開關(guān)電源的工作原理是一個(gè)非常重要的概念，下面經(jīng)常用到，在這里務(wù)必記清楚。
在開關(guān)電源中，正激電壓和反激電壓是同時(shí)存在的，但在單激式開關(guān)電源中一般只能有一種電壓用于功率輸出。這是因?yàn)閱渭な介_關(guān)電源一般都要求輸出電壓可調(diào)，即：通過改變控制開關(guān)的占空比來調(diào)整開關(guān)電源輸出電壓的大小。如：在正激式開關(guān)電源中，只有（1-75）式等號(hào)左邊Upa電壓向負(fù)載提供功率輸出，通過改變控制開關(guān)的占空比，可以改變其輸出電壓的平均值；在反激式開關(guān)電源中，只有（1-75）式等號(hào)右邊Upa-電壓向負(fù)載提供功率輸出，通過改變控制開關(guān)的占空比，可以改變其輸出電壓的半波平均值。
在（1-75）式中，如果把等號(hào)左邊的Upa看成是正激電壓，則等號(hào)右邊的Upa-就可以看成是反激電壓，反之則反。在正激式開關(guān)電源中，由于只有正激電壓Upa向負(fù)載提供功率輸出，所以反激電壓Upa-就相當(dāng)于一個(gè)附屬產(chǎn)品需要另外回收；在反激式開關(guān)電源中，由于只有反激電壓Upa-向負(fù)載提供功率輸出，所以正激電壓Upa就相當(dāng)于用來對(duì)能量進(jìn)行存儲(chǔ)，以便于給反激電壓Upa-提供能量輸出。[page]
如果（1-75）式中正激電壓沒有電流輸出，就不能把正激電壓看成是正激式輸出電壓，我們應(yīng)該把它看成是反激式輸出電壓的一個(gè)過程，就是為反激式輸出電壓存儲(chǔ)能量。這樣定義雖然有點(diǎn)勉強(qiáng)，但主要目的還是為了讓我們?cè)鰪?qiáng)對(duì)開關(guān)電源工作原理的理解。
這是因?yàn)?，?-75）式中無論是正激電壓Upa或是反激電壓Upa-，都是由流過變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通，通過互感的作用所產(chǎn)生的。但勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通并不直接向正激電壓Upa提供能量輸出，因?yàn)椋?-71）、（1-72）、（1-73）、（1-74）等式中的磁通 并不是由正激電壓產(chǎn)生的，而是由勵(lì)磁電流自己產(chǎn)生的。勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通 雖然通過電磁感應(yīng)會(huì)產(chǎn)生正激電壓，但不產(chǎn)生正激電流輸出，即：勵(lì)磁電流對(duì)正激式輸出電壓不提供功率輸出。不管正激式輸出功率或電流多大，變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流或磁通的變化只與輸入電壓和變壓器的初級(jí)電感量有關(guān)，而與正激式輸出功率或電流大小無關(guān)。
這是因?yàn)槲覀儼炎儔浩麒F心中的磁通 分成了兩個(gè)部分，即：勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通和正激電流產(chǎn)生的磁通，來進(jìn)行分析的緣故。正激輸出電流產(chǎn)生的磁通與流過變壓器初級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁通，方向相反，互相可以抵消，而剩下來的磁通正好就是勵(lì)磁電流產(chǎn)生的；因此，只有勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通才會(huì)產(chǎn)生反激式輸出電壓和電流。正激式輸出電壓只與變壓器的輸入電壓和變壓器的初、次級(jí)線圈的匝數(shù)比有關(guān)，兩種電壓輸出機(jī)理是不完全一樣的。
在變壓器開關(guān)電源中，正激式輸出電壓的計(jì)算比較簡單，而反激式輸出電壓的計(jì)算相對(duì)來說很復(fù)雜，因此，如果沒有十分必要，最好采用半波平均值的概念和（1-75）式，通過計(jì)算正激電壓的半波平均值，來推算反激式輸出電壓的半波平均值。因此，（1-75）式主要還是用來計(jì)算反激式輸出電壓的半波平均值的。
另外，還需特別注意：（1-75）式中，正激電壓的幅值或半波平均值是不會(huì)跟隨控制開關(guān)的接通時(shí)間Ton或占空比D的改變而改變的；而反激電壓的幅值或半波平均值則要跟隨控制開關(guān)的接通時(shí)間Ton或占空比D的改變而改變，占空比D越大，反激電壓的幅值或半波平均值就越高。正激式開關(guān)電源與反激式開關(guān)電源的區(qū)別不只是輸出電壓極性的不同，更重要的是變壓器的參數(shù)要求不一樣；在正激式開關(guān)電源中，反激式輸出電壓的能量與正激式輸出電壓的能量相比，一般都比較小，有時(shí)甚至可以忽略。
根據(jù)（1-63）式與半波平均值的定義，可以求得正激式開關(guān)電源輸出電壓為：
根據(jù)（1-70）式和（1-75）式，可以求得反激式開關(guān)電源輸出電壓為：
由（1-76）、（1-77）和（1-78）、（1-79）式看出：
當(dāng)開關(guān)電源工作于正激式輸出狀態(tài)的時(shí)候，改變控制開關(guān)K的占空比D，只能改變輸出電壓（圖1-16-b中正半周）的平均值Ua ，而輸出電壓的幅值Up不變；當(dāng)開關(guān)電源工作于反激式輸出狀態(tài)的時(shí)候，改變控制開關(guān)K的占空比D，不但可以改變輸出電壓uo（圖1-16-b中負(fù)半周）的幅值Up- ，而且也可以改變輸出電壓的平均值Ua- 。
這里還需提請(qǐng)注意，在決定反激式開關(guān)電源輸出電壓的（1-78）式中，并沒有使用反激輸出電壓最大值或峰值Up-的概念，而式使用的Up正好是正擊式輸出電壓的峰值，這是因?yàn)榉醇ぽ敵鲭妷旱淖畲笾祷蚍逯礥p-計(jì)算比較復(fù)雜（（1-68）式），并且峰值Up-的幅度不穩(wěn)定，它會(huì)隨著輸出負(fù)載大小的變化而變化；而正擊式輸出電壓的峰值Up則不會(huì)隨著輸出負(fù)載大小的變化而變化。
