开关电源的基本控制原理

(相关资料图)

一、开关电源的控制结构

一般地，开关电源大致由输入电路、变换器、控制电路、输出电路四个主体组成。

如果细致划分，它包括：输入滤波、输入整流、开关电路、采样、基准电源、比较放大、震荡器、V/F转换、基极驱动、输出整流、输出滤波电路等。

实际的开关电源还要有保护电路、功率因素校正电路、同步整流驱动电路及其它一些辅助电路等。

下面是一个典型的开关电源原理框图，掌握它对我们理解开关电源有重要意义。

图1：开关电源的基本结构框图

根据控制类型不同，PM（脉冲调制）电路可能有多种形式。这里是典型的PFM结构。

二、开关电源的构成原理

（一）输入电路：

线性滤波电路、浪涌电流抑制电路、整流电路。

作用：把输入电网交流电源转化为符合要求的开关电源直流输入电源。

1．线性滤波电路：

抑制谐波和噪声。

2．浪涌滤波电路：

抑制来自电网的浪涌电流。

3．整流电路：

把交流变为直流。

有电容输入型、扼流圈输入型两种，开关电源多数为前者。

（二）变换电路：

含开关电路、输出隔离（变压器）电路等，是开关电源电源变换的主通道，完成对带有功率的电源波形进行斩波调制和输出。

这一级的开关功率管是其核心器件。

1．开关电路

驱动方式：自激式、他激式。

变换电路：隔离型、非隔离型、谐振型。

功率器件：最常用的有GTR、MOSFET、IGBT。

调制方式：PWM、PFM、混合型三种。PWM最常用。

2．变压器输出

分无抽头、带抽头。半波整流、倍流整流时，无须抽头，全波时必须有抽头。

（三）控制电路：

向驱动电路提供调制后的矩形脉冲，达到调节输出电压的目的。

基准电路：提供电压基准。如并联型基准LM358、AD589，串联型基准AD581、REF192等。

采样电路：采取输出电压的全部或部分。

比较放大：把采样信号和基准信号比较，产生误差信号，用于控制电源PM电路。

V/F变换：把误差电压信号转换为频率信号。

振荡器：产生高频振荡波。

基极驱动电路：把调制后的振荡信号转换成合适的控制信号，驱动开关管的基极。

（四）输出电路：

整流、滤波。

把输出电压整流成脉动直流，并平滑成低纹波直流电压。输出整流技术现在又有半波、全波、恒功率、倍流、同步等整流方式。

各类拓扑结构电源分析

一、非隔离型开关变换器

（一）降压变换器

Buck电路：降压斩波器，入出极性相同。

由于稳态时，电感充放电伏秒积相等，因此：

（Ui-Uo）ton=Uotoff，

Uiton-Uoton=Uo*toff,

Ui*ton=Uo(ton+toff),

Uo/Ui=ton/(ton+toff)= Δ

即，输入输出电压关系为：

Uo/Ui=Δ(占空比)

图2：Buck电路拓补结构

在开关管S通时，输入电源通过L平波和C滤波后向负载端提供电流；当S关断后，L通过二极管续流，保持负载电流连续。输出电压因为占空比作用，不会超过输入电源电压。

（二）升压变换器

Boost电路：升压斩波器，入出极性相同。

利用同样的方法，根据稳态时电感L的充放电伏秒积相等的原理，可以推导出电压关系：

Uo/Ui=1/（1-Δ）

图3：Boost电路拓补结构

这个电路的开关管和负载构成并联。在S通时，电流通过L平波，

电源对L充电。当S断时，L向负载及电源放电，输出电压将是输入电压Ui+UL，因而有升压作用。

（三）逆向变换器

Buck-Boost电路：升/降压斩波器，入出极性相反，电感传输。

电压关系：Uo/Ui=-Δ/（1-Δ）

图4：Buck-Boost电路拓补结构

S通时，输入电源仅对电感充电，当S断时，再通过电感对负载放电来实现电源传输。

所以，这里的L是用于传输能量的器件。

（四）丘克变换器

Cuk电路：升/降压斩波器，入出极性相反，电容传输。

电压关系：Uo/Ui=-Δ/（1-Δ）。

图5：Cuk变换器电路拓补结构

当开关S闭合时，Ui对L1充电。当S断开时，Ui+EL1通过VD对C1进行充电。再当S闭合时，VD关断，C1通过L2、C2滤波对负载放电，L1继续充电。

这里的C1用于传递能量，而且输出极性和输入相反。

二、隔离型开关变换器

1．推挽型变换器

下面是推挽型变换器的电路。

图6：推挽型变换电路

S1和S2轮流导通，将在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。

由于电感L在开关之后，所以当变比为1时，它实际上类似于降压变换器。

2．半桥型变换器

图2-6给出了半桥型变换器的电路图。

当S1和S2轮流导通时，一次侧将通过电源-S1-T-C2-电源及电源-C1-T-S2-电源产生交变电流，从而在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。

同样地，这个电路也相当于降压式拓补结构。

图7：半桥式变换电路

3．全桥型变换器

下图是全桥变换器电路。

图8：全桥式变换电路

当S1、S3和S2、S4两两轮流导通时，一次侧将通过电源-S2-T-S4-电源及电源-S1-T-S3-电源产生交变电流，从而在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。

这个电路也相当于降压式拓补结构。

4．正激型变换器

下图为正激式变换器。

图9：正激型变换器电路

当S导通时，原边经过输入电源-N1-S-输入电源，产生电流。当S断开时，N1能量转移到N3，经N3-电源-VD3向输入端释放能量，避免变压器过饱和。VD1用于整流，VD2用于S断开期间续流。

5．隔离型Cuk变换器

隔离型Cuk变换器电路如下所示：

图10：隔离型Cuk变换器

当S导通时，Ui对L1充电。当S断开时，Ui+EL1对C11及变压器原边放电，同时给C11充电，电流方向从上向下。附边感应出脉动直流信号，通过VD对C12反向充电。在S导通期间，C12的反压将使VD关断，并通过L2、C2 滤波后，对负载放电。

这里的C12明显是用于传递能量的，所以Cuk电路是电容传输变换电路。

6．电流变换器

能量回馈型电流变换器电路如下图所示。

（N3同名端反了）

图11：能量回馈型电流变换器电路

该电路与推挽电路类似。不同的是，在主通路上串联了一个电感。其作用是在S1、S2断开期间，使得变压器能量转移到N3绕组，通过VD3回馈到输入端。

下面是升压型变换器的电路图：

图12：升压型电流变换器电路

该电路也与推挽电路类似，并在主通路上串联了一个电感。在开关导通期间，L积蓄能量。当一侧开关断开时，电感电动势和Ui叠加在一起，对另一侧放电。因此，L有升压作用。

三、准谐振型变换器

在脉冲调制电路中，加入R、L谐振电路，使得流过开关的电流及管子两端的压降为准正弦波。这种开关电源成为谐振式开关电源。

利用一定的控制技术，可以实现开关管在电流或电压波形过零时切换，这样对缩小电源体积，增大电源控制能力，提高开关速度，改善纹波都有极大好处。所以谐振开关电源是当前开关电源发展的主流技术。又分为：

1．ZCS——零电流开关。开关管在零电流时关断。

2．ZVS——零电压开关。开关管在零电压时关断。

具体关于这个技术的简单介绍，见后面相关内容。

四、开关电源的分类总结

开关电源的分类

（一）按控制方式：

脉冲调制变换器：驱动波形为方波。PWM、PFM、混合式。

谐振式变换器：驱动波形为正弦波。又分ZCS（零电流谐振开关）、ZVS（零电压谐振开关）两种。

（二）按电压转换形式：

1．AC/DC：一次电源。

即整流电源。

2．DC/DC：二次电源。

1)Buck电路：降压斩波器，入出极性相同。

2)Boost：升压斩波器，入出极性相同。

3)Buck-Boost：升/降压斩波器，入出极性相反，电感传输。

4)Cuk：升/降压斩波器，入出极性相反，电容传输。

（三）按拓补结构：

1．隔离型：有变压器。

2．非隔离型：无变压器。

审核编辑：汤梓红