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入门必备:陶显芳《开关电源原理与设计》详解
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更新于2024-07-18
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《开关电源原理与设计》是由陶显芳先生所著,这本书是一本深入浅出的介绍开关电源原理与设计的专业著作,特别适合初学者入门学习。陶显芳先生拥有丰富的学术背景,他不仅是留学德国的高材生,精通射频和电子系统设计,而且在业界有着广泛的认可和影响力。他在2007年的文章《为什么大学毕业生工作难找?》曾引起广泛关注,并且其观点在后续的发展中得到了验证。 《开关电源原理与设计》这本书的特点在于,作者陶显芳亲自推导了许多书中的公式,确保了理论深度的同时,内容由浅入深,层次分明,便于工程师逐步掌握。作为国内开关电源领域的稀缺资源,这本书被誉为是国内同类书籍中的佼佼者,体现了作者对本土工程师的深厚关怀,他淡泊名利,更注重的是知识的实际传播与应用。 该书以博文连载的形式在电子创新网上发表,陶显芳先生还积极参与博客互动,解答读者疑问,使得读者能够实时获取最新的学习资料。作为《开关电源原理与设计》的主编和电子创新网的CEO,张国斌对陶显芳先生的贡献表示高度赞赏,并承诺将每章节单独整理成电子书供工程师下载,这无疑为业界同仁提供了一个宝贵的学习平台。 书中不仅涵盖了开关电源的基础理论,还包括实际设计中的关键技术和应用案例,使读者能够在理论与实践之间建立起紧密的联系。对于希望深入了解开关电源设计的工程师来说,《开关电源原理与设计》是一本不可多得的参考资料,它不仅提供了扎实的技术知识,也体现了作者的专业素养和无私分享的精神。
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开关电源原理与设计 第一章 开关电源的基本工作原理
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势,使电流继续流动,并通过整流二极管D进行整流,再经电容储能滤波,然后向负载R提供电流输出。
控制开关K不断地反复接通和关断过程,在负载R上就可以得到一个负极性的电压输出。
图 1-7
图 1-8
图 1-8
图 1-9
开关电源原理与设计 第一章 开关电源的基本工作原理
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图 1-10
图1-8、图1-9、图1-10分别是控制开关K的占空比D等于0.5、< 0.5、> 0.5时,图1-7电路中几个
关键点的电压和电流波形。图1-8-a)、图1-9-a)、图1-10-a)分别为控制开关K输出电压uo的波形;
图1-8-b)、图1-9-b)、图1-10-b)分别为储能滤波电容两端电压uc的波形;图1-8-c)、图1-9-c)、图
1-10-c)分别为流 过储能电感L电流iL的波形。应该特别注意的是,图1-8-c)、图1-9 -c)、图1-10- c)中
的电流波形按原理应该取负值,但取负值后与前面图1-5与图1-6对比反而觉得不好对比和分析,因此,
当进行具体计算时,一定要注意电流和电压的方向。
在开关接通Ton期间,控制开关K接通,电源Ui开始对储能电感L供电,在此期间储能电感L两端的
电压eL为:
—— K接通期间 (1-19)
对( 1 - 1 9 )式 进 行 积 分 得 :
—— K接通期间 (1-20)
式中iL为流过储能电感L电流的瞬时值,t为时间变量;i(0)为的初始电流,即:控制开关K接通瞬间
之前,流过储能电感L中的电流。当开关电源工作于临界连续电流状态时,
i(0)=0
,由 此 可 以 求 得 流 过 储
能电感L的最大电流为:
—— K关断前瞬间 (1-21)
在开关关断Toff期间,控制开关K关断,储能电感L把电流iLm转化成反电动势,通过整流二极管D
继续向负载R提供能量,在此期间储能电感L两端的电压eL为:
开关电源原理与设计 第一章 开关电源的基本工作原理
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—— K关断期间 (1-22)
式中–Uo前的负号,表示K关断期间电感产生电动势的方向与K接通期间电感产生电动势的方向正
好相反。对(1-22)式进行积分得:
—— K关断期间 (1-23)
式中i(Ton+)为控制开关K从Ton转换到Toff的瞬间之前流过电感的电流,i(Ton+)也可以写为i
(Toff-),即:控制开关K关断或接通瞬间,之前和之后流过电感L的电流相等。实际上(1-23)式中的i
( T o n + )就 是( 1 - 2 1 )式 中 的 i L m ,即 :
—
— K关断前瞬间 (1-24)
因 此 ,( 1 - 9 ) 式 可 以 改 写 为 :
—— K关断期间 (1-25)
当t = Toff时iL达到最小值。其最小值为:
—— K接通前瞬间 (1-26)
反转式串联开关电源输出电压一般为负脉冲的幅值。当开关电源工作于临界连续电流状态时,流
过储能电感的初始电流i(0)等于0(参看图1-8-a)),即:(1-26)式中流过储能电感电流的最小值iLX等
于0。因此,由(1-21)和(1-26)式,可求得反转式串联开关电源输出电压Uo为:
(1-27)
由(1-27)式可以看出,反转式串联开关电源输出电压与输入电压与开关接通的时间成正比,与开
关关断的时间成反比。
另外,从图1-8可以看出,由于反转式串联开关电源,仅当控制开关K关断期间才产生反电动势向负
载提供能量。因此,当占空比为0.5时,输出电流的平均值Io为流过储能电感电流最大值的四分之一;当
占空比小于0.5时,输出电流的平均值Io小于流过储能电感电流最大值的四分之一(图1-9);当占空比大
于0.5时,输出电流的平均值Io大于流过储能电感电流最大值的四分之一(图1-10)。
1.3.2 反转式串联开关电源储能电感的计算
反转式串联开关电源储能电感的计算方法与前面“串联式开关电源储能滤波电感的计算”方法基
本相同,计算反转式串联开关电源中储能电感的数值,也是从流过储能电感的电流为临界连续电流状态
进行分析。但须要特别注意,反转式串联开关电源中的储能电感仅在控制开关K关断期间才产生反电动
开关电源原理与设计 第一章 开关电源的基本工作原理
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势向负载提供能量,因此,流过负载的电流比串联式开关电源流过负载的电流小一倍,即:当占空比小
于0.5时,反转式串联开关电源中流过负载R的电流Io只有流过储能电感L最大电流iLm的四分之一。根据
(1-21)式:
—— K关断前瞬间 (1-21)
(1-21)式可以改写为:
—— K关断前瞬间 (1-28)
式中Io为流过负载的电流,当D = 0.5时,其大小等于最大电流iLm的四分之一;T为开关电源的工作
周期,T正好等于2倍Ton。
由此求得:
(1-29)
或:
(1-3 0)
(1-29)和(1-30)式,就是计算反转式串联开关电源中储能电感的公式。同理,(1-29)和(1-30)
式的计算结果,只给出了计算反转式串联开关电源储能滤波电感L的中间值,或平均值,对于极端情况可
以在平均值的计算结果上再乘以一个大于1的系数。
当储能电感L的值小于(1-29)式的值时,流过滤波电感L的电流上升率将增大,如果流过滤波电感
L的电流iL为连续电流,输出电压Uo将会升高;如果为了维持滤波输出电压Uo不变,则必须要把控制开
关K占空比D减小,但占空比D的减小将会使流过储能电感的电流iL出现不连续,从而使滤波输出电压Uo
的电压纹波增大。
如果流过滤波电感L的电流iL不是连续电流,储能电感L的减小,将会使流过储能电感的电流iL不
连续的时间变长,电源滤波输出电压Uo不但不会升高,反而会使反转式串联开关电源滤波输出电压Uo
的电压纹波显著增大。
当储能滤波电感L的值大于(1-29)式的值时,流过储能电感L的电流上升率将减小,输出电压Uo将
降低,但滤波输出电压Uo的电压纹波显著减小;如果为了维持电源滤波输出电压Uo不变,控制开关K必
须要把占空比D增大,而占空比D的增大又会使流过储能电感的电流iL不连续的时间缩短,或由电流不
连续变成电流连续,从而使电源滤波输出电压Uo的电压纹波降低。
1.3.3 反转式串联 开 关电源储能滤 波电容的计算
开关电源原理与设计 第一章 开关电源的基本工作原理
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反转式串联开关电源储能滤波电容参数的计算,与串联式开关电源储能滤波电容的计算方法基本
相同。但要注意,即使是在占空比D等于0.5的情况下,滤波电容器充、放电的时间都不相等,滤波电容
器充电的时间小于半个工作周期,而电容器放电的时间则大于半个工作周期,但电容器充、放电的电荷
是相等的,即电容器充电时的电流大于放电时的电流。这是整流滤波电路的普遍规律。
从图1-8可以看出,在占空比D等于0.5的情况下,电容器充电的时间为 ,电容充电电流的平均值
为 ,或 ;而电容器放电的时间为 ,电容放电电流的平均值为0.9Io。
因此有:
(1-31)
式中ΔQ为电容器充电的电荷,Io流过负载的平均电流,T为工作周期。电容充电时,电容两端的电压
由最小值充到最大值(绝对值),相应的电压增量为2ΔUc,由此求得电容器两端的波纹电压ΔUP-P为:
—— D = 0.5时 (1-32)
由此求得:
—— D = 0.5时 (1-33)
或:
—— D = 0.5时 (1-34)
(1-33)和(1-34)式,就是计算反转式串联开关电源储能滤波电容的公式(D=0.5时)。式中:Io
是流过负载电流的平均值,T为开关工作周期,ΔUP-P为滤波输出电压的波纹,或电压纹波。一般波纹
电压都是取电压增量的峰-峰值,因此,当D=0.5时,波纹电压等于电容器充电的电压增量,即:ΔUP-P
=2ΔUc 。
同理,(1-33)和(1-34)式的计算结果,只给出了计算反转式串联开关电源储能滤波电容C的中间
值,或平均值,对于极端情况可以在平均值的计算结果上再乘以一个大于1的系数。
当开关K的占空比D小于0.5时,由于流过储能滤波电感L的电流会不连续,电容器放电的时间将远
远大于电容器充电的时间,因此,开关电源滤波输出电压的纹波将显著增大。另外,开关电源的负载一
般也不是固定的,当负载电流增大的时候,开关电源滤波输出电压的纹波也将会增大。因此,设计开关
电源的时候要留有充分的余量,实际应用中最好按(1-33)式计算结果的2倍以上来计算储能滤波电容
的参数。
1.4 并联式开关电源
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wenjiu5
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