開關電源原理與設計（連載11）單激式變壓器開關電源

1-5．單激式變壓器開關電源

變壓器開關電源的最大優(yōu)點是，變壓器可以同時輸出多組不同數值的電壓，改變輸出電壓和輸出電流很容易，只需改變變壓器的匝數比和漆包線截面積的大小即可；另外，變壓器初、次級互相隔離，不需共用同一個地。因此，變壓器開關電源也有人把它稱為離線式開關電源。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線連接，完全是通過磁場偶合傳輸能量。

變壓器開關電源采用變壓器把輸入輸出進行電器隔離的最大好處是，提高設備的絕緣強度，降低安全風險，同時還可以減輕EMI干擾，并且還容易進行功率匹配。

變壓器開關電源有單激式變壓器開關電源和雙激式變壓器開關電源之分，單激式變壓器開關電源普遍應用于小功率電子設備之中，因此，單激式變壓器開關電源應用非常廣泛。而雙激式變壓器開關電源一般用于功率較大的電子設備之中，并且電路一般也要復雜一些。

單激式變壓器開關電源的缺點是變壓器的體積比雙激式變壓器開關電源的激式變壓器的體積大，因為單激式開關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。

1-5-1．單激式變壓器開關電源的工作原理

圖1-16-a是單激式變壓器開關電源的最簡單工作原理圖。圖1-16-a中，Ui是開關電源的輸入電壓，T是開關變壓器，K是控制開關，R是負載電阻。

當控制開關K接通的時候，直流輸入電壓Ui首先對變壓器T的初級線圈N1繞組供電，電流在變壓器初級線圈N1繞組的兩端會產生自感電動勢e1；同時，通過互感M的作用，在變壓器次級線圈N2繞組的兩端也會產生感應電動勢e2；當控制開關K由接通狀態(tài)突然轉為關斷狀態(tài)的時候，電流在變壓器初級線圈N1繞組中存儲的能量（磁能）也會產生反電動勢e1；同時，通過互感M的作用，在變壓器次級線圈N2繞組中也會產生感應電動勢e2。

因此，在控制開關K接通之前和接通之后，在變壓器初、次級線圈中感應產生的電動勢方向是不一樣的。

所謂單激式變壓器開關電源，是指開關電源在一個工作周期之內，變壓器的初級線圈只被直流電壓激勵一次。一般單激式變壓器開關電源在一個工作周期之內，只有半個周期向負載提供功率（或電壓）輸出。當變壓器的初級線圈正好被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈也正好向負載提供功率輸出，這種變壓器開關電源稱為正激式開關電源；當變壓器的初級線圈正好被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈沒有向負載提供功率輸出，而僅在變壓器初級線圈的激勵電壓被關斷后才向負載提供功率輸出，這種變壓器開關電源稱為反激式開關電源。

圖1-16-b是單激式變壓器開關電源輸出電壓的波形，由于輸出電壓是由變壓器的次級輸出，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半波的面積完全相等，這是單激式變壓器開關電源輸出電壓波形的特點。圖1-16-b中，當只輸出正半波電壓時，為正激式開關電源；反之，當只輸出負半波電壓時，為反激式開關電源。

順便指出，圖1-16-b中變壓器輸出電壓波形極性的正負，是可以通過調整變壓器線圈的饒線方向（相位）來改變的。嚴格地說，只有當控制開關的占空比等于0.5時，開關電源的輸出電壓才能稱為正、負半周電壓，但由于人們已習慣了正、負半周的叫法，所以，只要是有正、負電壓輸出的電源，我們還是習慣地把它們稱為正、負半周。但為了與占空比不等于0.5時的電壓波形相區(qū)別，我們有時特別把占空比不等于0.5時的電壓波形稱為正、負半波。因此，有些場合在不影響對正、負半波電壓的理解時，或占空比不確定時，我們也習慣地把正、負半波稱為正、負半周。

圖1-16-a中，在Ton期間，控制開關K接通，輸入電源Ui開始對變壓器初級線圈N1繞組加電，電流從變壓器初級線圈N1繞組的兩端經過，通過電磁感應會在變壓器的鐵心中產生磁場，并產生磁力線；同時，在初級線圈N1繞組的兩端要產生自感電動勢E1，在次級線圈N2繞組的兩端也會產生感應電動勢e2；感應電動勢e2作用于負載R的兩端，從而產生負載電流。因此，在初、次級電流的共同作用下，在變壓器的鐵心中會產生一個由流過變壓器初、次級線圈電流產生的合成磁場，這個磁場的大小可用磁力線通量（簡稱磁通量），即磁力線的數目ф來表示。

ф= ф 1－ф2 —— K接通期間 （1-60）

其中變壓器初級線圈電流產生的磁通 ф1還可以分成兩個部分，一部分用來抵消變壓器次級線圈電流產生的磁通 ф2，記為 ф10，另一部分是由勵磁電流產生的磁通，記為фΔ 1。顯然 ф10 =－ ф2，фΔ 1 =ф 。即：變壓器鐵心中產生的磁通量 ，只與流過變壓器初級線圈中的勵磁電流有關，與流過變壓器次級線圈中的電流無關；流過變壓器次級線圈中的電流產生的磁通，完全被流過變壓器初級線圈中的另一部分電流產生的磁通抵消。

根據電磁感應定律可以對變壓器初級線圈N1繞組回路列出方程：
e1 = N1*dф/dt = Ui —— K接通期間 （1-61）
同樣，可以對變壓器次級線圈N2繞組回路列出方程：
e2 = N2 *dф/dt = Up —— K接通期間 （1-62）
根據（1-61）和（1-62）可以求得：
Up = e2 =n*E1 = n*Ui —— K接通期間 （1-63）

上式中，Up為正激式開關電源變壓器次級輸出電壓的幅值（圖1-16-b中正半周）；Ui為正激式開關電源變壓器初級線圈N1繞組的輸入電壓；n為變壓比，即：開關變壓器次級線圈輸出電壓與初級線圈輸入電壓之比，n也可以看成是開關變壓器次級線圈N2繞組與初級線圈N1繞組的匝數比，即：n = N2/N1。

由此可知，在控制開關K接通期間，正激式開關電源變壓器次級輸出電壓的幅值只與輸入電壓和變壓器的次/初級變壓比有關。