開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)（連載20）開關(guān)電源電路的過渡過程

1-7-2．開關(guān)電源電路的過渡過程

前面我們分析過的所有開關(guān)電源電路，很少提到電路過渡過程的概念，實(shí)際上，在開關(guān)電源電路中，工作開關(guān)的接通和關(guān)段，電路中電流和電壓的變化過程，都是屬于電路過渡過程，但我們?yōu)榱朔治龊唵?，都把電路的過渡過程基本忽略掉了。如果認(rèn)真對開關(guān)電源電路進(jìn)行分析，輸出電路中的電流一般都不是線性的或鋸齒波；輸出電壓也不是一個矩形波或鋸齒波，我們把它們當(dāng)成矩形波或鋸齒波，只是在一個特定條件或范圍內(nèi)，把它們的變化率或數(shù)值當(dāng)成了一個平均值來看待。

在具有電感、電容、電阻的電路中，發(fā)生電路過渡過程的電壓、電流一般都是按指數(shù)函數(shù)的曲線規(guī)律變化，正弦或者余弦函數(shù)是指數(shù)函數(shù)的特殊情況。在具有過渡過程的電路中，我們不能簡單地用正弦波電路的計(jì)算方法來分析，用付氏變換的方法也很難分析出精確結(jié)果。用微分方程對電路過渡過程進(jìn)行分析是最好的方法。

在電路的過渡過程中，一定要考慮電壓或電流的初始值，只有當(dāng)初始值基本為0或趨于某個固定值時，才可認(rèn)為電路的過渡過程已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，但嚴(yán)格來說，這種情況在開關(guān)電源電路中不存在。因?yàn)?，開關(guān)電源中的工作開關(guān)總是不斷地在接通與關(guān)斷兩中工作狀態(tài)之間來回轉(zhuǎn)換，并且占空比D時刻都在改變，它不可能出現(xiàn)一個穩(wěn)定值。然而，我們可以把開關(guān)電源當(dāng)成一種特殊情況來處理，或把開關(guān)電源電路中，電壓或電流的初始值反復(fù)出現(xiàn)時，就可以認(rèn)為開關(guān)電源已經(jīng)工作于穩(wěn)定狀態(tài)。

例如，當(dāng)開關(guān)電源在一個或兩個工作周期內(nèi)，對應(yīng)于工作開關(guān)接通或關(guān)閉的瞬間，某電路的電壓或電流的初始值基本相等，或很接近時，我們就可以認(rèn)為，開關(guān)電源已經(jīng)進(jìn)入了穩(wěn)定工作狀態(tài)。

當(dāng)開關(guān)電源進(jìn)入工作穩(wěn)定狀態(tài)以后，為了簡單，我們一般都用電壓或電流的其平均值或半波平均值來進(jìn)行電路電路計(jì)算或分析。例如，我們在計(jì)算流過負(fù)載的電流時，一般都是利用輸出電壓的平均值Uo來進(jìn)行計(jì)算，很少考慮輸出電壓紋波對負(fù)載的影響，計(jì)算負(fù)載電流的結(jié)果就是流過負(fù)載電流的平均值Io。

然而，在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，開關(guān)電源開機(jī)時刻的過渡過程也是不可忽視的，因?yàn)椋瑑δ転V波電容存儲的電荷為0，需要很多個工作周期以后，儲能濾波電容才能充滿電，其兩端電壓才基本穩(wěn)定，開關(guān)電源才能進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。下面，我們來詳細(xì)分析開關(guān)電源開機(jī)時刻的過渡過程。

圖1-19中，當(dāng)工作開關(guān)由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷時，開關(guān)電源變壓器次級線圈產(chǎn)生的反電動勢為：

式中，q為電容存儲的電荷量，C1和C2為待定系數(shù)，ω = ，為角頻率，即電容器充放電的速率。這里為了簡化在不容易混淆的情況下我們經(jīng)常把電感L和電容C的下標(biāo)省去。