【导读】开关电源功率电路有五个基本元件：开关，二极管，电容，电感，变压器。本文为大家详细介绍电源系统设计指标、开关电源的基本分析及其拓朴结构。

概述

一. 理想直流变换器应有的参数性能

1. 输入输出端的电压均为平滑的直流电压，无交流谐波的分量

2. 输出阻抗为零

3. 快速动态响应，抑制能力强

4. 高效率，小型化

二. 常用的DC/DC电源方案

1. 线性电源。主要应用于对发热和效率要求不高的应用场合，线性电源的效率通常在35% to 50%之间

2. 脉宽调制（PWM）开关电源。在使用时具有比线性电源更高的效率和灵活性

3. 高效率的谐振开关电源。由基本的PWM开关电源演变而来，主要应用于高效率和对电磁干扰有特别要求的场合

电源系统设计指标

输入电压

Vin(nom)：产品的正常输入电压

Vin(max)：产品的最高输入电压

Vin(min)：产品的最低输入电压

频率：直流，50，60，400Hz等

浪涌电压：输入电压超出Vin(max)的时间段，电源必须能够承受这个浪涌电压，正常工作

瞬态电压：具有很高的电压尖峰（包括正与负尖峰），这是输入电源系统的特征

输入电流

Iin(max)：最大平均输入电流。它的最大极限值可以由安全管理机构来定义。

输出电压

Vout(rated)：额定输出电压（理想输出电压）

Vout(min)：保证负载不被切断的最小输出电压。

Vout(max)：保证负载线路正常运行的最大输出电压。

Vout(abs)：负载遭到破坏时的极限电压。

电压纹波：这是峰-峰值电压，它的频率和大小应该能被负载所接受

输出电流

Iout(retad)：额定输出电流。

Iout(min)：在正常运行情况下，最小的输出电流。

Iout(max)：负载的瞬态承受的输出电流。

Isc：负载短路时的最大极限电流。

动态负载响应时间

当加上阶跃负载时，电源系统响应需要的时间

电压调整率

输入电压变化时，输出电压的变化率，即：

电压调整率=（最高输出电压-最低输出电压）/额定输出电压X100%

负载调整率

负载电流从半载到额定负载时，输出电压的变化率，即：

负载调整率=（满载时输出电压-半载时输出电压）/额定负载时输出电压X100%

总效率

这将决定系统有多少热量产生，以及在结构设计时是否应考虑采用散热片。

总效率=输出功率/输入功率X100%

开关电源的基本分析

开关电源的基本元件：

电容的基本方程

1. 当一电流流经电容, 电容两端的电压逐渐增加, 并且电容量越大电壓增加越慢。

2. 在稳态工作的开关电源中流经电容的电流对时间的积分为零。

电感的基本方程

1. 当一电感突然加上一个电压时, 其中的电流逐渐增加, 并且电感量越大电流增加越慢。

2. 当一电感上的电流突然中断, 在其两端会产生一瞬时高压, 并且电感量越大该电压越高。

电感的伏秒平衡原则：

伏秒平衡原则：在稳态工作的开关电源中电感两端的正伏秒值等于负伏秒值。

分析开关电源中电容和电感的几条原则：

1. 电容两端的电压不能突变(当电容足够大时,可认为其电压不变)。

2. 电感中的电流不能突变(当电感足够大时,可认为其电流恒定不变)。

3. 流经电容的电流平均值在一个开关周期内为零。

4. 电感两端的伏秒积在一个开关周期内必须平衡。

两个有用的公式：

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开关电源的拓朴结构

三种基本的非隔离开关电源

BUCK电路工作原理分析

根据L的伏秒平衡原则：

根据L在1-D时间的基本方程：

BUCK电路的工作可以看作是一个机械飞轮和单活塞发动机。电路的LC滤波器就是飞轮，存储从驱动器输出的脉冲功率。LC滤波器（扼流输入滤波器）的输入就是经过斩波以后的电压。LC滤波器平均了占空比调制的脉冲电压。LC滤波器的作用可用以下公式表示：

Vout=Vin*D

通过控制电路改变占空比，即可保持输出电压的恒定。BUCK变换器之所以被称为降压式变换器，是因为它的输出电压必定低于输入电压。

我们可以把BUCK电路的工作过程分成两个阶段，当开关导通时，输入电压加到LC滤波器的输入端，电感上的电流以固定斜率线性上升。电感上的电流用下面公式描述：

IL(on)=((Vin-Vout)/Lo)*Ton + Imin

在这个阶段，存储在电感上的能量为：

输入的能量就存储在电感铁心材料的磁通中。

当开关断开时，由于电感上的电流不能突变，电感电流就通过二极管D续流，该二极管称为续流二极管，这样就实现了对原先流过开关管电流的续流，同时电感中存储的一部份能量向负载释放。续流电流环包括：二极管，电感，负载。在这阶段流过电感上的电流用下式描述：

IL(off)=Ipk-(VoutToff/Lo)

在这阶段，电流波形是一条斜率为负的斜线，斜率为-Vout/Lo。当开关再次导通时，二极管迅速关断，电流从输入电源和开关管流过。在开关导通前瞬间，电感上的电流Imin就是开关管通过的初始电流。

BUCK电路的输入输出关系

[page]   BOOST电路的工作原理分析
 

升压变换器与BUCK变换器有着相同的组成部份，只是它们的位置被重新布置了一下。新的布局使变换器与正激式变换器的工作过程完全不同。在这种情况下，开关管导通时，电流环路仅在包括电感，开关管和输入电压源。在这段时间中，二极管是反向阻断的。电感电流波形也是以固定斜率上升，可用下式描述：

iL(Ton)=Vin*Ton/L

在这个阶段，能量存储在电感鐵心的磁通中，开关管关断时，由于电感中的电流不能突变，于是二极管立刻正向导通。这时，电感与开关相连端的电压被输出电压钳位，这个电压被称作反激电压，其幅值是输出电压加上二极管的正向压降，在开关管关断这段时间里，电感上的电流用下式表示：

iL(Toff)=Ipk-((Vout-Vin)*Toff/L)

如果在下个周期之前，铁心中的磁通完全为零，就称电路工作在电流断续模式。如果铁心中的磁通没有完全降为零，还有一部分磁通，就称电路工作在电流连续模式。通常升压式变换器通常工作在电流断续模式。

BOOST变换器工作在电流断续模式下，存储在电感中的能量为：

Estored=? LIpk^2

单位时间内，传输的能量必须满足负载连续功率消耗的需求，这就意味着开关管导通期间，存储的能量要足够大，即电流峰值Ipk要满足以下要求：

Pload<Pout=Fop*? LIpk^2(Fop是变换器的开关频率）

BOOST电路的输入输出关系
 

BUCK-BOOST电路的工作原理分析

BUCK-BOOST输入输出关系

功率半导体器件重要参数的最小值

开关电源小结

开关电源功率电路的五个基本元件：开关，二极管，电容，电感，变压器

开关电源功率电路分析要点

1. 电容的电压不能突变, 电感的电流不能突变

2. 流经电容的电流平均值为零, 电感两端电压的平均值为零

3. 理想变压器电压与匝数成比且同名同极性, 电流与匝数成反比且点进点出

4. 电容恒流充电的公式为C * ΔU = I *T, 电感恒压储能的公式为L * ΔI = U *T

5. 变压器与电感的伏秒积必须平衡