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開關電源的基本控制原理
一、開關電源的控制結構
一般地，開關電源大致由輸入電路、變換器、控制電路、輸出電路四個主體組成。
如果細致劃分，它包括：輸入濾波、輸入整流、開關電路、采樣、基準電源、比較放大、震蕩器、V/F轉換、基極驅動、輸出整流、輸出濾波電路等。
實際的開關電源還要有保護電路、功率因素校正電路、同步整流驅動電路及其它一些輔助電路等。
下面是一個典型的開關電源原理框圖，掌握它對我們理解開關電源有重要意義。
圖1：開關電源的基本結構框圖
根據控制類型不同，PM（脈沖調制）電路可能有多種形式。這里是典型的PFM結構。
二、開關電源的構成原理
（一）輸入電路：
線性濾波電路、浪涌電流抑制電路、整流電路。
作用：把輸入電網交流電源轉化為符合要求的開關電源直流輸入電源。
1．線性濾波電路：
抑制諧波和噪聲。
2．浪涌濾波電路：
抑制來自電網的浪涌電流。
3．整流電路：
把交流變為直流。
有電容輸入型、扼流圈輸入型兩種，開關電源多數為前者。
（二）變換電路：
含開關電路、輸出隔離（變壓器）電路等，是開關電源電源變換的主通道，完成對帶有功率的電源波形進行斬波調制和輸出。
這一級的開關功率管是其核心器件。
1．開關電路
驅動方式：自激式、他激式。
變換電路：隔離型、非隔離型、諧振型。
調制方式：PWM、PFM、混合型三種。PWM最常用。
2．變壓器輸出
分無抽頭、帶抽頭。半波整流、倍流整流時，無須抽頭，全波時必須有抽頭。
（三）控制電路：
向驅動電路提供調制后的矩形脈沖，達到調節輸出電壓的目的。
基準電路：提供電壓基準。如并聯型基準LM358、AD589，串聯型基準AD581、REF192等。
采樣電路：采取輸出電壓的全部或部分。
比較放大：把采樣信號和基準信號比較，產生誤差信號，用于控制電源PM電路。
V/F變換：把誤差電壓信號轉換為頻率信號。
振蕩器：產生高頻振蕩波。
基極驅動電路：把調制后的振蕩信號轉換成合適的控制信號，驅動開關管的基極。
（四）輸出電路：
整流、濾波。
把輸出電壓整流成脈動直流，并平滑成低紋波直流電壓。輸出整流技術現在又有半波、全波、恒功率、倍流、同步等整流方式。
各類拓撲結構電源分析
一、非隔離型開關變換器
（一）降壓變換器
Buck電路：降壓斬波器，入出極性相同。
由于穩態時，電感充放電伏秒積相等，因此：
（Ui-Uo）ton=Uotoff，
Uiton-Uoton=Uo*toff,
Ui*ton=Uo(ton+toff),
Uo/Ui=ton/(ton+toff)= Δ
即，輸入輸出電壓關系為：
Uo/Ui=Δ(占空比)
圖2：Buck電路拓補結構
在開關管S通時，輸入電源通過L平波和C濾波后向負載端提供電流；當S關斷后，L通過二極管續流，保持負載電流連續。輸出電壓因為占空比作用，不會超過輸入電源電壓。
（二）升壓變換器
Boost電路：升壓斬波器，入出極性相同。
利用同樣的方法，根據穩態時電感L的充放電伏秒積相等的原理，可以推導出電壓關系：
Uo/Ui=1/（1-Δ）
圖3：Boost電路拓補結構
這個電路的開關管和負載構成并聯。在S通時，電流通過L平波，
電源對L充電。當S斷時，L向負載及電源放電，輸出電壓將是輸入電壓Ui+UL，因而有升壓作用。
（三）逆向變換器
Buck-Boost電路：升/降壓斬波器，入出極性相反，電感傳輸。
電壓關系：Uo/Ui=-Δ/（1-Δ）
圖4：Buck-Boost電路拓補結構
S通時，輸入電源僅對電感充電，當S斷時，再通過電感對負載放電來實現電源傳輸。
所以，這里的L是用于傳輸能量的器件。
（四）丘克變換器
Cuk電路：升/降壓斬波器，入出極性相反，電容傳輸。
電壓關系：Uo/Ui=-Δ/（1-Δ）。
圖5：Cuk變換器電路拓補結構
當開關S閉合時，Ui對L1充電。當S斷開時，Ui+EL1通過VD對C1進行充電。再當S閉合時，VD關斷，C1通過L2、C2濾波對負載放電，L1繼續充電。
這里的C1用于傳遞能量，而且輸出極性和輸入相反。
二、隔離型開關變換器
1．推挽型變換器
下面是推挽型變換器的電路。
圖6：推挽型變換電路
S1和S2輪流導通，將在二次側產生交變的脈動電流，經過全波整流轉換為直流信號，再經L、C濾波，送給負載。
由于電感L在開關之后，所以當變比為1時，它實際上類似于降壓變換器。
2．半橋型變換器
圖2-6給出了半橋型變換器的電路圖。
當S1和S2輪流導通時，一次側將通過電源-S1-T-C2-電源及電源-C1-T-S2-電源產生交變電流，從而在二次側產生交變的脈動電流，經過全波整流轉換為直流信號，再經L、C濾波，送給負載。
同樣地，這個電路也相當于降壓式拓補結構。
圖7：半橋式變換電路
3．全橋型變換器
下圖是全橋變換器電路。
圖8：全橋式變換電路
當S1、S3和S2、S4兩兩輪流導通時，一次側將通過電源-S2-T-S4-電源及電源-S1-T-S3-電源產生交變電流，從而在二次側產生交變的脈動電流，經過全波整流轉換為直流信號，再經L、C濾波，送給負載。
這個電路也相當于降壓式拓補結構。
4．正激型變換器
下圖為正激式變換器。
圖9：正激型變換器電路
當S導通時，原邊經過輸入電源-N1-S-輸入電源，產生電流。當S斷開時，N1能量轉移到N3，經N3-電源-VD3向輸入端釋放能量，避免變壓器過飽和。VD1用于整流，VD2用于S斷開期間續流。
5．隔離型Cuk變換器
隔離型Cuk變換器電路如下所示：
圖10：隔離型Cuk變換器
當S導通時，Ui對L1充電。當S斷開時，Ui+EL1對C11及變壓器原邊放電，同時給C11充電，電流方向從上向下。附邊感應出脈動直流信號，通過VD對C12反向充電。在S導通期間，C12的反壓將使VD關斷，并通過L2、C2 濾波后，對負載放電。
這里的C12明顯是用于傳遞能量的，所以Cuk電路是電容傳輸變換電路。
6．電流變換器
能量回饋型電流變換器電路如下圖所示。
（N3同名端反了）
圖11：能量回饋型電流變換器電路
該電路與推挽電路類似。不同的是，在主通路上串聯了一個電感。其作用是在S1、S2斷開期間，使得變壓器能量轉移到N3繞組，通過VD3回饋到輸入端。
下面是升壓型變換器的電路圖：
圖12：升壓型電流變換器電路
該電路也與推挽電路類似，并在主通路上串聯了一個電感。在開關導通期間，L積蓄能量。當一側開關斷開時，電感電動勢和Ui疊加在一起，對另一側放電。因此，L有升壓作用。
三、準諧振型變換器
在脈沖調制電路中，加入R、L諧振電路，使得流過開關的電流及管子兩端的壓降為準正弦波。這種開關電源成為諧振式開關電源。
利用一定的控制技術，可以實現開關管在電流或電壓波形過零時切換，這樣對縮小電源體積，增大電源控制能力，提高開關速度，改善紋波都有極大好處。所以諧振開關電源是當前開關電源發展的主流技術。又分為：
1．ZCS——零電流開關。開關管在零電流時關斷。
2．ZVS——零電壓開關。開關管在零電壓時關斷。
具體關于這個技術的簡單介紹，見后面相關內容。
四、開關電源的分類總結
開關電源的分類
（一）按控制方式：
脈沖調制變換器：驅動波形為方波。PWM、PFM、混合式。
諧振式變換器：驅動波形為正弦波。又分ZCS（零電流諧振開關）、ZVS（零電壓諧振開關）兩種。
（二）按電壓轉換形式：
即整流電源。
2．DC/DC：二次電源。
1)Buck電路：降壓斬波器，入出極性相同。
2)Boost：升壓斬波器，入出極性相同。
3)Buck-Boost：升/降壓斬波器，入出極性相反，電感傳輸。
4)Cuk：升/降壓斬波器，入出極性相反，電容傳輸。
（三）按拓補結構：
1．隔離型：有變壓器。
2．非隔離型：無變壓器。
審核編輯：湯梓紅
工商網監
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