開關電源的基本結構和工作原理分析開關電源依據(jù)隔離的方式分成兩種：隔離式、非隔離式REF_Ref6226\r\h[7]。在非隔離式開關電源中有兩種最常用的，一種是BUCK降壓型，而另一種是BOOST升壓型；然而在隔離式開關電源的研究中應用比較多的拓撲結構指反激式。下列詳細闡述了反激式開關電源拓撲結構以及工作原理。1.1開關電源的基本拓撲結構1.1．1BUCK型開關電源拓撲結構BUCK型就是降壓型，它的基本拓撲結構正像圖2-1所示：圖2-1BUCK型開關電源拓撲結構圖2-1中VIN是輸入的電壓，其同DC的輸入電壓是有串聯(lián)關系的。在TON（也就是開關管MOS開通）的時候，輸入VIN會在第一時間給電感L以及負載充電，電感儲能增加，在瞬間會使負載電壓VOUT增加。在開關管TOFF（斷開）的時候，續(xù)流二極管D導通，這時其會與電感、負載以及大地組成閉合回路，電感給負載充電，這時負載電壓VOUT下降。在開關管開通的時候，令它的導通電壓是零，則VL就是直流輸入電壓VIN。由于電感L上的壓降不變（VIN-VOUT)，因此電感的電流會升高；由于負載阻抗就會使輸出電壓升高，經(jīng)過電阻分壓，VFB作為輸出電壓VOUT的檢測值和開關芯片內(nèi)的參考電壓VREF相比較放大；其輸出VEA_OUT被當做PWM的參考電壓和芯片內(nèi)產(chǎn)生的周期是T的斜坡電壓Slope相比較，從而產(chǎn)生控制外部功率開關管開關的柵控制信號。當在斜坡電壓Slope增大至VEA_OUT時，PWM就會輸出低電壓，使MOS關斷。這個時候因為電感中電流IL不可以突然改變，所以在MOS關斷的同時，電感兩端電壓的極性會在瞬間逆轉(zhuǎn)，但在變化的同時電流不會發(fā)生任何變化。這個時候二極管D是開通的，它會使電感的電壓VL一直處于二極管的導通壓降。因為電感不斷放電，所以電流會呈線性的下降。1.1．2BOOST型開關電源拓撲結構BOOST型是升壓型，它的基本拓撲結構就像下圖2-2：圖2-2BOOST型開關電源拓撲結構此中VIN是直流輸入電壓。當MOS開通即TON時，輸出電壓主要來自于輸出電容的連續(xù)蓄電，所以輸出電容一定要具備充足的容量，可以使開關管開通的全部時間里，輸出電容可以供給負載充分的電，來保證負載運行。一樣的因為在MOS斷開也就是TOFF期間，電感的電流不可能突然發(fā)生變化，電感L兩端電壓級性會翻轉(zhuǎn)，VL電壓高于輸入電壓VIN。此這個時候電感電流就不會再經(jīng)過MOS，而是會通過二極管D來給負載提供電，同時給輸出電容COUT供電，此時電感會放電。所以，在開關管斷開的時候就可以是輸入電壓VIN加上電感放電時產(chǎn)生的電壓和一同給負載充電。1.1．3反激式開關電源拓撲結構反激式自身帶有特別的隔離特點，而上述BUCK型和BOOST型拓撲結構皆沒有隔離。反激式開關電源經(jīng)由變壓器可以讓輸入和輸出分隔時也能多路輸出；同時變壓器不但可以傳輸能量，也可以儲存能量，相當于取代了儲能電感，它的基本拓撲結構如下圖2-3。圖2-3反激式開關電源典型拓撲結構綜上所述可知，反激式拓撲結構擁有BUCK型以及BOOST型拓撲結構所沒有的優(yōu)勢，即隔離優(yōu)勢。當存在多個電源時反激式可以通過自身隔離，而BUCK型和BOOST型需要加多個隔離，所以選取反激式變換器勢在必得。而反激式的開關電源的主電路圖如下圖2-4。因為變壓器所擁有的同名端在同一方向上，所以就會導致輸出的電壓的正負極是上面負下面正的。驅(qū)動信號是高電平，開關管開通，原邊電感就會接受到從電壓源傳來的電流，從而使流過電感的電流呈逐漸遞增情況，一直遞增到開關管斷開的時候，這時的原邊電流就會是最大的。在開關管開通的時候，因為二極管的電壓是上負下正的，也就是電壓極性相反，所以就會導致二極管的副邊其實是沒有電流的。驅(qū)動信號是低電平，開關管斷開，原來二極管的副邊就會有正向?qū)ǖ碾妷海@時二極管就會打開，來使電容接收電，這時電容也就會給電阻提供電，所以就會導致電容的電壓是上面負下面正的。圖2-4反激式電路原理圖反激式變換器擁有連續(xù)工作和非連續(xù)工作這兩種工作模式。非連續(xù)工作模式即當下一個周期的驅(qū)動信號快要到來的時候，變壓器副邊側的電感里面就沒有電流了REF_Ref27813\r\h[8]。當下一個周期的驅(qū)動信號快要到來的時候，變壓器副邊電感中的電流沒有降低為0，此種工作模式成為電流斷續(xù)模式。處于連續(xù)模式和斷續(xù)模式之間的是臨界模式，此種狀態(tài)下，如果有下一個周期的信號到來，那么電感的電流就會恰巧變成0。因為不能有飽和的變壓器磁芯，所以大部分時間就會讓變壓器工作在非連續(xù)的情況下面。反激式變換器主要有以下特點：(1)高頻率的變壓器類比一個可以儲能的電感，當開關管處于開通狀態(tài)時，它的變壓器就開始存儲電量，當開關管斷開的時候，它就會將電量發(fā)送到二次側REF_Ref27813\r\h[8]。(2)能夠在連續(xù)狀態(tài)下工作又能在不是連續(xù)的狀態(tài)下工作。(3)能夠做直流輸入又能夠做交流輸出的AC/DC變換器。(4)高頻變壓器里面的匝數(shù)之比決定輸出電壓和輸入電壓兩者之差。(5)加多二次側的繞組以及與此相關的電路就能夠得到多條路的輸出。(6)大部分的時候并不要在整流二極管的輸出以及濾波電容兩者中加一個低頻的濾波電感。1.2開關電源的調(diào)制方式通過調(diào)制開通時間、斷開時間和周期之間的不一樣，開關電源的調(diào)制方式通常分為3種：PWM調(diào)制、PFM調(diào)制、PWM-PFM調(diào)制REF_Ref30357\r\h[9]。1.1.1PWM調(diào)制PWM調(diào)制就是脈沖寬度調(diào)制，它工作的典型波形如圖2-5所示。PWM調(diào)制也就是在去調(diào)控開關管信號的占空比的時候，不可以改變開關管的開關的頻率，但能調(diào)節(jié)傳輸?shù)墓β?。PWM調(diào)制同時也是最普遍的開關電源的調(diào)制方法，主要原因是它的用于控制的電路比較容易，更利于設計和檢測，工作在滿負載時，效率會比另外的幾個調(diào)制方式高一些。不過因為誤差放大器里有突變的電壓所以響應的速度會有改變。圖2-5PWM調(diào)制1.1.2PFM調(diào)制PFM調(diào)制就是脈沖頻率調(diào)制，它工作的典型波形如圖2-6所示。PFM調(diào)制就是在開關管開通或斷開的時間一定的同時，改變自己的頻率，也就是通過知道自己斷開或開通的快慢，去實現(xiàn)穩(wěn)定傳輸?shù)墓β实慕Y果。PFM調(diào)制有一個非常好的特點是當它的負載很輕時它的效率會比PWM調(diào)制大很多。并且因為電源系統(tǒng)里面有EMI濾波器，它一般是需要對一段規(guī)定好的頻率去進行刪減過篩，擇優(yōu)選取，但其實PFM調(diào)制的頻率并不是一成不變的，所以它的EMI濾波器很有可能會對之后的工作產(chǎn)生壞的影響，但現(xiàn)在還沒有方法去確定。其次，如果PFM調(diào)制的頻率發(fā)生變化的話，電路的連接就會由原來的簡單變得繁雜。因為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是取決于三個因素，即幅值、相位和頻率。頻率如果一直發(fā)生改變的話，整個系統(tǒng)的設計過程和它的簡化就會變得越來越復雜，傳遞函數(shù)就會因為這個而帶來麻煩，想要去設計補償電路的話就會變得更加的艱巨。圖2-6PFM調(diào)制1.1.3PWM-PFM調(diào)制PWM-PFM混合調(diào)制，也就是把上面說的那兩個調(diào)制通過一定的方式集裝到了一起，來調(diào)整傳輸?shù)墓β暑l率和開關技術。它的工作原理是當負載較小時會自動轉(zhuǎn)化為PFM調(diào)制模塊，讓整個的傳輸?shù)男首兊米畲螅欢斬撦d不是輕載時或者另外的狀況的時候就會通過自身的邏輯而轉(zhuǎn)化為PWM調(diào)制。也就是PWM-PFM調(diào)制具有了PFM調(diào)制同PWM調(diào)制兩者的好處，不僅如此它還消除了兩者的缺點，比如它解決了PWM調(diào)制在負載較小時的效率情況，還有有效的控制了PFM在高次諧波時的一些不確定性的影響。因為這些所以它在很多方面都有著很好的發(fā)揮，例如當有多種負載時候的效率方面、想要輸出電壓的穩(wěn)定情況，或者需要靜態(tài)輸出時的效率等等。綜上所述可知，PWM調(diào)制是最普遍的開關電源的調(diào)制方法，主要原因是它的用于控制的電路比較容易，更利于設計和檢測，而如果是PFM調(diào)制，當頻率發(fā)生變化的話，電路的連接就會由原來的簡單變得繁雜，所以PWM調(diào)制技術的選取勢在必得。1.3開關電源的控制方式開關電源的控制方式即負載反饋加上開關電源的調(diào)制方式兩者一起發(fā)揮作用的狀態(tài)下負載可以穩(wěn)定高效率的運行的控制體系REF_Ref30357\r\h[9]。以下分別介紹了3種常見且普遍的控制方式及其優(yōu)缺點。2.3.1電壓反饋PWM控制方式盡管電壓反饋開關電源實現(xiàn)條件簡單，但是環(huán)路動態(tài)的響應緩慢。并且如果輸入電壓發(fā)生一定的波動時，電壓反饋不能迅速做出反應，所以輸出電壓會帶有紋波。由于它是單環(huán)控制的，所以反饋信號經(jīng)過PWM來調(diào)節(jié)占空比時會延遲很長時間。所以它不適合在輸出電壓紋波的要求比較高的狀態(tài)下出現(xiàn)。圖2-7電壓反饋PWM控制方式從圖2-7可以發(fā)現(xiàn)，電壓反饋的控制電路是需要比較干凈的輸入電壓，并且對輸入電壓的波動是沒有直接的抑制。2.3.2電流反饋PWM控制方式電流反饋PWM控制可以精準的調(diào)控輸出電壓瞬態(tài)誤差。由下圖2-8得，電流反饋也就是在電壓反饋根本上多加了一個輸出電流反饋。圖2-8電流反饋PWM控制方式3.3雙環(huán)控制方式一般來說的話PI雙閉環(huán)控制方式，有兩個控制方面：電流內(nèi)環(huán)控制以及電壓外環(huán)控制。電流