開(kāi)關(guān)電源元器件設(shè)計(jì)篇一-串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源輸出電壓濾波電路

串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源輸出電壓濾波電路

大多數(shù)開(kāi)關(guān)電源輸出都是直流電壓，因此，一般開(kāi)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(kāi)關(guān)電源工作原理圖。

圖1-2是在圖1-1-a電路的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)整流二極管和一個(gè)LC濾波電路。其中L是儲(chǔ)能濾波電感，它的作用是在控制開(kāi)關(guān)K接通期間Ton限制大電流通過(guò)，防止輸入電壓Ui直接加到負(fù)載R上，對(duì)負(fù)載R進(jìn)行電壓沖擊，同時(shí)對(duì)流過(guò)電感的電流iL轉(zhuǎn)化成磁能進(jìn)行能量存儲(chǔ)，然后在控制開(kāi)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(chǔ)能濾波電容，它的作用是在控制開(kāi)關(guān)K接通期間Ton把流過(guò)儲(chǔ)能電感L的部分電流轉(zhuǎn)化成電荷進(jìn)行存儲(chǔ)，然后在控制開(kāi)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(chēng)它為續(xù)流二極管，其作用是在控制開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間Toff，給儲(chǔ)能濾波電感L釋放能量提供電流通路。

在控制開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間Toff，儲(chǔ)能電感L將產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，流過(guò)儲(chǔ)能電感L的電流iL由反電動(dòng)勢(shì)eL的正極流出，通過(guò)負(fù)載R，再經(jīng)過(guò)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(dòng)勢(shì)eL的負(fù)極。

對(duì)于圖1-2，如果不看控制開(kāi)關(guān)K和輸入電壓Ui，它是一個(gè)典型的反г 型濾波電路，它的作用是把脈動(dòng)直流電壓通過(guò)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(kāi)關(guān)K的占空比D等于0.5、 0.5、> 0.5時(shí)，圖1-2電路中幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)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(kāi)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(chǔ)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(guò)儲(chǔ)能電感L電流iL的波形。

在Ton期間，控制開(kāi)關(guān)K接通，輸入電壓Ui通過(guò)控制開(kāi)關(guān)K輸出電壓uo，然后加到儲(chǔ)能濾波電感L和儲(chǔ)能濾波電容C組成的濾波電路上，在此期間儲(chǔ)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(shuō)明：由于電容兩端的電壓變化量ΔU相對(duì)于輸出電壓Uo來(lái)說(shuō)非常小，為了簡(jiǎn)單，我們這里把Uo當(dāng)成常量來(lái)處理。在某種情況下，如需要對(duì)電容的初次充、放電過(guò)程進(jìn)行分析時(shí)，必須需要建立微分方程，并求解。因?yàn)檩敵鲭妷篣o的建立需要一定的時(shí)間，精確計(jì)算得出的結(jié)果中一般都含有指數(shù)函數(shù)項(xiàng)，當(dāng)令時(shí)間變量等于無(wú)窮大時(shí)，即電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，再對(duì)相關(guān)參量取平均值，其結(jié)果就基本與（1-4）相等。
對(duì)（1-4）式進(jìn)行積分得：

式中i（0）為控制開(kāi)關(guān)K轉(zhuǎn)換瞬間（t = 0時(shí)刻），即：控制開(kāi)關(guān)K剛接通瞬間流過(guò)電感L的電流，或稱(chēng)流過(guò)電感L的初始電流。
當(dāng)控制開(kāi)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(guò)電感L的電流iL達(dá)到最大值：

式中i（Ton+）為控制開(kāi)關(guān)K從Ton轉(zhuǎn)換到Toff的瞬間之前流過(guò)電感的電流，i（Ton+）也可以寫(xiě)為i（Toff-），即：控制開(kāi)關(guān)K關(guān)斷或接通瞬間，之前和之后流過(guò)電感L的電流相等。實(shí)際上（1-8）式中的i（Ton+）就是（1-6）式中的iLm，即：

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