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  • 電路設(shè)計,串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓濾波電路詳解
    • 發(fā)布時間:2022-08-23 14:10:51
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    電路設(shè)計,串聯(lián)式開關(guān)電源輸出電壓濾波電路詳解
    大多數(shù)開關(guān)電源輸出都是直流電壓,因此,一般開關(guān)電源的輸出電路都帶有整流濾波電路。圖1-2是帶有整流濾波功能的串聯(lián)式開關(guān)電源工作原理圖。
    開關(guān)電源 輸出電壓 濾波電路
    圖1-2是在圖1-1-a電路的基礎(chǔ)上,增加了一個整流二極管和一個LC濾波電路。
    其中L是儲能濾波電感,它的作用是在控制開關(guān)K接通期間Ton限制大電流通過,防止輸入電壓Ui直接加到負(fù)載R上,對負(fù)載R進(jìn)行電壓沖擊,同時對流過電感的電流iL轉(zhuǎn)化成磁能進(jìn)行能量存儲,然后在控制開關(guān)K關(guān)斷期間Toff把磁能轉(zhuǎn)化成電流iL繼續(xù)向負(fù)載R提供能量輸出;
    C是儲能濾波電容,它的作用是在控制開關(guān)K接通期間Ton把流過儲能電感L的部分電流轉(zhuǎn)化成電荷進(jìn)行存儲,然后在控制開關(guān)K關(guān)斷期間Toff把電荷轉(zhuǎn)化成電流繼續(xù)向負(fù)載R提供能量輸出;D是整流二極管,主要功能是續(xù)流作用,故稱它為續(xù)流二極管,其作用是在控制開關(guān)關(guān)斷期間Toff,給儲能濾波電感L釋放能量提供電流通路。
    在控制開關(guān)關(guān)斷期間Toff,儲能電感L將產(chǎn)生反電動勢,流過儲能電感L的電流iL由反電動勢eL的正極流出,通過負(fù)載R,再經(jīng)過續(xù)流二極管D的正極,然后從續(xù)流二極管D的負(fù)極流出,最后回到反電動勢eL的負(fù)極。
    對于圖1-2,如果不看控制開關(guān)K和輸入電壓Ui,它是一個典型的反г 型濾波電路,它的作用是把脈動直流電壓通過平滑濾波輸出其平均值。
    圖1-3、圖1-4、圖1-5分別是控制開關(guān)K的占空比D等于0.5、 0.5時,圖1-2電路中幾個關(guān)鍵點的電壓和電流波形。圖1-3-a)、圖1-4-a)、圖1-5-a)分別為控制開關(guān)K輸出電壓uo的波形;圖1-3-b)、圖1-4-b)、圖1-5-b)分別為儲能濾波電容兩端電壓uc的波形;圖1-3-c)、圖1-4-c)、圖1-5-c)分別為流過儲能電感L電流iL的波形。
    開關(guān)電源 輸出電壓 濾波電路
    在Ton期間,控制開關(guān)K接通,輸入電壓Ui通過控制開關(guān)K輸出電壓uo,然后加到儲能濾波電感L和儲能濾波電容C組成的濾波電路上,在此期間儲能濾波電感L兩端的電壓eL為:
    eL = Ldi/dt = Ui – Uo —— K接通期間 (1-4)
    式中:Ui輸入電壓,Uo為直流輸出電壓,即:電容兩端的電壓uc的平均值。
    在此順便說明:由于電容兩端的電壓變化量ΔU相對于輸出電壓Uo來說非常小,為了簡單,我們這里把Uo當(dāng)成常量來處理。在某種情況下,如需要對電容的初次充、放電過程進(jìn)行分析時,必須需要建立微分方程,并求解。
    因為輸出電壓Uo的建立需要一定的時間,精確計算得出的結(jié)果中一般都含有指數(shù)函數(shù)項,當(dāng)令時間變量等于無窮大時,即電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時,再對相關(guān)參量取平均值,其結(jié)果就基本與(1-4)相等。
    對(1-4)式進(jìn)行積分得:
    開關(guān)電源 輸出電壓 濾波電路
    式中i(0)為控制開關(guān)K轉(zhuǎn)換瞬間(t = 0時刻),即:控制開關(guān)K剛接通瞬間流過電感L的電流,或稱流過電感L的初始電流。
    當(dāng)控制開關(guān)K由接通期間Ton突然轉(zhuǎn)換到關(guān)斷期間Toff的瞬間,流過電感L的電流iL達(dá)到最大值:
    iLm =(Ui-Uo)Ton/L + i(0) —— K關(guān)斷前瞬間 (1-6)
    在Toff期間,控制開關(guān)K關(guān)斷,儲能電感L把磁能轉(zhuǎn)化成電流iL,通過整流二極管D繼續(xù)向負(fù)載R提供能量,在此期間儲能濾波電感L兩端的電壓eL為:
    eL = Ldi/dt = – Uo —— K關(guān)斷期間 (1-7)
    式中–Uo前的負(fù)號,表示K關(guān)斷期間電感產(chǎn)生電動勢的方向與K接通期間電感產(chǎn)生電動勢的方向正好相反。對(1-7)式進(jìn)行積分得:
    開關(guān)電源 輸出電壓 濾波電路
    式中i(Ton+)為控制開關(guān)K從Ton轉(zhuǎn)換到Toff的瞬間之前流過電感的電流,i(Ton+)也可以寫為i(Toff-),即:控制開關(guān)K關(guān)斷或接通瞬間,之前和之后流過電感L的電流相等。
    實際上(1-8)式中的i(Ton+)就是(1-6)式中的iLm,即:
    開關(guān)電源 輸出電壓 濾波電路
    上面計算都是假設(shè)輸出電壓Uo基本不變的情況得到的結(jié)果,在實際應(yīng)用電路中也正好是這樣,輸出電壓Uo的電壓紋波非常小,只有輸出電壓的百分之幾,工程計算中完全可以忽略不計。
    從(1-4)式到(1-11)和圖1-3、圖1-4、圖1-5中可以看出:
    當(dāng)開關(guān)電源工作于臨界連續(xù)電流或連續(xù)電流狀態(tài)時,在K接通和關(guān)斷的整個周期內(nèi),儲能電感L都有電流流出,但在K接通期間與K關(guān)斷期間,流過儲能電感L的電流的上升率(絕對值)一般是不一樣的。
    在K接通期間,流過儲能電感L的電流上升率為Ui-Uo/L: ;在K關(guān)斷期間,流過儲能電感L的電流上升率為: -Uo/L
    因此:
    (1)當(dāng)Ui = 2Uo時,即濾波輸出電壓Uo等于電源輸入電壓Ui的一半時,或控制開關(guān)K的占空比D為二分之一時,流過儲能電感L的電流上升率,在K接通期間與K關(guān)斷期間絕對值完全相等,即電感存儲能量的速度與釋放能量的速度完全相等。此時,(1-5)式中i(0)和(1-11)式中iLX均等于0。在這種情況下,流過儲能電感L的電流iL為臨界連續(xù)電流,且濾波輸出電壓Uo等于濾波輸入電壓uo的平均值Ua。參看圖1-3。
    (2)當(dāng)Ui > 2Uo時,即:濾波輸出電壓Uo小于電源輸入電壓Ui的一半時,或控制開關(guān)K的占空比小于二分之一時:雖然在K接通期間,流過儲能電感L的電流上升率(絕對值),大于,在K關(guān)斷期間,流過儲能電感L的電流上升率(絕對值);
    但由于(1-5)式中i(0)等于0,以及Ton小于Toff,此時,(1-11)式中的iLX會出現(xiàn)負(fù)值,即輸出電壓反過來要對電感充電,但由于整流二極管D的存在,這是不可能的,這表示流過儲能電感L的電流提前過0,即有斷流。
    在這種情況下,流過儲能電感L的電流iL不是連續(xù)電流,開關(guān)電源工作于電流不連續(xù)狀態(tài),因此,輸出電壓Uo的紋波比較大,且濾波輸出電壓Uo小于濾波輸入電壓uo的平均值Ua。參看圖1-4。
    (3)當(dāng)Ui < 2Uo時,即:濾波輸出電壓Uo大于電源輸入電壓Ui的一半時,或控制開關(guān)K的占空比大于二分之一時:在K接通期間,雖然流過儲能電感L的電流上升率(絕對值),小于,在K關(guān)斷期間,流過儲能電感L的電流上升率(絕對值)。
    但由于Ton大于Toff,(1-5)式中i(0)和(1-11)式中iLX均大于0,即:電感存儲能量每次均釋放不完。在這種情況下,流過儲能電感L的電流iL是連續(xù)電流,開關(guān)電源工作于連續(xù)電流狀態(tài),輸出電壓Uo的紋波比較小,且濾波輸出電壓Uo大于濾波輸入電壓uo的平均值Ua。參看圖1-5。
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