正激开关电源设计

2007级电子信息工程专业毕业论文

2 开关电源原理及设计方法

2.1 开关电源的基本结构与原理

2.1.1 开关电源的基本结构

图2.1所示是开关电源电路的典型结构，它主要由整流滤波电路、DC—DC变换电路、开关占空比控制电路以及取样比较电路等模块构成。

前级整流滤波电路用来消除来自电网的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散，并将电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流电压。变换器是开关电源的关键部分，它把直流电压变换成高频交流电压，并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。输出整流滤波电路将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干扰。取样电路和开关占空比控制通过检测输出直流电压，并将其与基准电压比较，进行放大，调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。

DC—DC变换器 交流输入 整流滤波电路

VS 电 子 开 关 VC VO' 整流滤波电路 VO R1 开关占空 比控制电路 VE 比 较 电 路 VREF R2 取样电路 图2.1 开关电源典型结构

2.1.2 开关电源的基本工作原理

开关电源的基本工作原理：输入交流电(市电)首先经过整流滤波电路形成直流VS，该直流电VS再经过通、断状态。如图2.2（a）所示波形VC控制的电子开关电路后，变换成脉冲状态交流电VO'（图2.2（b）），VO'再经电感、电容等储能元件构成的整流滤波

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张志生：正激式开关稳压电源设计 电路平滑后，输出直流电VO（图2.2（c））。

显然，输出直流VO的大小取决于脉冲状态交流电VO'的有效值大小（成正比），而VO'的有效值又与开关的导通占空比D=TON/T（其中T=TON+TOFF）成正比。此外，通过取样比较电路中的取样电阻R1和R2对输出电压VO取样，并使之与基准电压VREF进行比较，若取样电压高于VREF，则比较电路输出VE减小，取样电压控制占空比控制电路，使TON/T下降，从而使VO下降；若取样电压低于VREF，则比较电路输出VE增加，使TON/T增加，从而使VO增加，这样就可以使开关电源的输出电压VO稳定在一个恒定值上。

图 2.2 开关电源工作波形

2.2 Forward正激式变换电路

单端正激变换器是一个隔离开关变换器，隔离型变换器的一个根本特点是有一个用于隔离的高频变压器，可用于高电压的场合。高频变压器的引入，极大地增加了变换器的种类，丰富了变换器的功能。单端正激变换器拓扑以其结构简单、工作可靠、成本低廉而被广泛应用于独立的离线式中小功率电源设计中。

正激式直流变换器变压器铁芯的磁复位有多种方法，在输入端接入复位绕组是最基本的方法，复位绕组也可以接至输出端，其次还有RCD复位，LCD复位和有源箝位等磁复位方法，这里应用具有复位绕组的Forward变换器。

2.2.1 主电路拓扑和控制方式

Forward变换器实际上是在降压式BUCK变换器中插入隔离变压器而成，图2.3给出了Forward变换器的主电路及其波形。开关管Q按PWM方式工作，D1是输出整流

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2007级电子信息工程专业毕业论文 二极管，D2是续流二极管，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容。变压器有三个绕组，原边绕组W1，副边绕组W2，复位绕组W3，图中绕组符号标有“·”号的一端表示该绕组的正端。D3是与复位绕组W3串联的二极管。

图2.3 Forward 变换器的主电路及其主要波形

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张志生：正激式开关稳压电源设计 2.2.2 电流连续时Forward变换器的工作原理

图2.4给出了变换器在不同工作模式下的等效电路图。其工作原理可分为三种模式： ①工作模式1[0，TON]

如图2.4（a）所示，图中加粗部分是电流流通部分，未加粗部分为断开部分。在t=0时，开关管Q导通，电源电压VIN加在原边绕组W1上，即Vw1=Vin,故铁芯磁化，铁芯磁通?增长：

W1d??Vin （2-1） dt 在此工作模式中，铁芯磁通?的增长量为： ??????变压器的励磁电流iM从0开始线性增加：

VinDyTs （2-2）W1iM?VintLM

（2-3）

式中，LM是原边绕组的励磁电感。 那么副边绕组W2上的电压为：

VW2?W2VVin?in （2-4） W1K12式中，K12=W1/W2是原边与副边绕组的匝比。

此时，整流二极管D1导通，续流二极管D2截止，滤波电感电流iLf线性增加，这与Buck变换器中Q导通时一样，只是电压为Vin/K12。

Vin?VodiLfK12? （2-5） dtLf

（a）Q导通 第 6 页 共 23 页