開關電源原理與設計（連載三）串聯式開關電源儲能濾波電感的計算

1-2-3.串聯式開關電源儲能濾波電感的計算

從上面分析可知，串聯式開關電源輸出電壓Uo與控制開關的占空比D有關，還與儲能電感L的大小有關，因為儲能電感L決定電流的上升率(di/dt)，即輸出電流的大小。因此，正確選擇儲能電感的參數相當重要。

串聯式開關電源最好工作于臨界連續電流狀態，或連續電流狀態。串聯式開關電源工作于臨界連續電流狀態時，濾波輸出電壓Uo正好是濾波輸入電壓uo的平均值Ua，此時，開關電源輸出電壓的調整率為最好，且輸出電壓Uo的紋波也不大。因此，我們可以從臨界連續電流狀態著手進行分析。我們先看(1-6)式：

iLm =(Ui-Uo)/L *Ton + i(0) —— K關斷前瞬間 (1-6)

當串聯式開關電源工作于臨界連續電流狀態時，即D = 0.5時，i(0) = 0，iLm = 2 Io，因此，(1-6)式可以改寫為：

2Io = Uo/2L *T —— K關斷前瞬間 (1-12)

式中Io為流過負載的電流(平均電流)，當D = 0.5時，其大小正好等于流過儲能電感L最大電流iLm的二分之一;T為開關電源的工作周期，T正好等于2倍Ton。

由此求得：

L = Uo/4Io *T —— D = 0.5時 (1-13)

或：

L >Uo/4Io *T =Ui/2Io*T —— D = 0.5時 (1-14)

(1-13)和(1-14)式，就是計算串聯式開關電源儲能濾波電感L的公式(D = 0.5時)。(1-13)和(1-14)式的計算結果，只給出了計算串聯式開關電源儲能濾波電感L的中間值，或平均值，對于極端情況可以在平均值的計算結果上再乘以一個大于1的系數。

如果增大儲能濾波電感L的電感量，濾波輸出電壓Uo將小于濾波輸入電壓uo的平均值Ua，因此，在保證濾波輸出電壓Uo為一定值的情況下，勢必要增大控制開關K的占空比D，以保持輸出電壓Uo的穩定;而控制開關K的占空比D增大，又將會使流過儲能濾波電感L的電流iL不連續的時間縮短，或由電流不連續變成電流連續，從而使輸出電壓Uo的電壓紋波ΔUP-P進一步會減小，輸出電壓更穩定。

如果儲能濾波電感L的值小于(1-13)式的值，串聯式開關電源濾波輸出的電壓Uo將大于濾波輸入電壓uo的平均值Ua，在保證濾波輸出電壓Uo為一定值的情況下，勢必要減小控制開關K的占空比D，以保持輸出電壓Uo的值不變;控制開關K的占空比D減小，將會使流過濾波電感L的電流iL出現不連續，從而使輸出電壓Uo的電壓紋波ΔUP-P增大，造成輸出電壓不穩定。

由此可知，調整串聯式開關電源濾波輸出電壓Uo的大小，實際上就是同時調整流過濾波電感L和控制開關K占空比D的大小。

由圖1-4可以看出：當控制開關K的占空比D小于0.5時，流過濾波電感L的電流iL出現不連續，輸出電流Io小于流過濾波電感L最大電流iLm的二分之一，濾波輸出電壓Uo的電壓紋波ΔUP-P將顯著增大。因此，串聯式開關電源最好不要工作于圖1-4的電流不連續狀態，而最好工作于圖1-3和圖1-5表示的臨界連續電流和連續電流狀態。

串聯式開關電源工作于臨界連續電流狀態，輸出電壓Uo等于輸入電壓Ui的二分之一，等于濾波輸入電壓uo的平均值Ua;且輸出電流Io也等于流過濾波電感L最大電流iLm的二分之一。

串聯式開關電源工作于連續電流狀態，輸出電壓Uo大于輸入電壓Ui的二分之一，大于濾波輸入電壓uo的平均值Ua;且輸出電流Io也大于流過濾波電感L最大電流iLm的二分之一。