開關電源原理與設計（連載一）開關電源的基本工作原理

因為近日很多人在向我咨詢有關開關電源設計知識，這里將我撰寫的《開關電源原理與設計》一書，希望給設計開關電源的工程師朋友一點幫助，我會以連載的形式發布此書，歡迎提出改進建議!

第一章 開關電源的基本工作原理

1-1.幾種基本類型的開關電源

顧名思義，開關電源就是利用電子開關器件(如晶體管、場效應管、可控硅閘流管等)，通過控制電路，使電子開關器件不停地“接通”和“關斷”，讓電子開關器件對輸入電壓進行脈沖調制，從而實現DC/AC、DC/DC電壓變換，以及輸出電壓可調和自動穩壓。

開關電源一般有三種工作模式：頻率、脈沖寬度固定模式，頻率固定、脈沖寬度可變模式，頻率、脈沖寬度可變模式。前一種工作模式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換;后兩種工作模式多用于開關穩壓電源。另外，開關電源輸出電壓也有三種工作方式：直接輸出電壓方式、平均值輸出電壓方式、幅值輸出電壓方式。同樣，前一種工作方式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換;后兩種工作方式多用于開關穩壓電源。

根據開關器件在電路中連接的方式，目前比較廣泛使用的開關電源，大體上可分為：串聯式開關電源、并聯式開關電源、變壓器式開關電源等三大類。其中，變壓器式開關電源(后面簡稱變壓器開關電源)還可以進一步分成：推挽式、半橋式、全橋式等多種;根據變壓器的激勵和輸出電壓的相位，又可以分成：正激式、反激式、單激式和雙激式等多種;如果從用途上來分，還可以分成更多種類。

下面我們先對串聯式、并聯式、變壓器式等三種最基本的開關電源工作原理進行簡單介紹，其它種類的開關電源也將逐步進行詳細分析。

1-2.串聯式開關電源

1-2-1.串聯式開關電源的工作原理

圖1-1-a是串聯式開關電源的最簡單工作原理圖，圖1-1-a中Ui是開關電源的工作電壓，即：直流輸入電壓;K是控制開關，R是負載。當控制開關K接通的時候，開關電源就向負載R輸出一個脈沖寬度為Ton，幅度為Ui的脈沖電壓Up;當控制開關K關斷的時候，又相當于開關電源向負載R輸出一個脈沖寬度為Toff，幅度為0的脈沖電壓。這樣，控制開關K不停地“接通”和“關斷”，在負載兩端就可以得到一個脈沖調制的輸出電壓uo 。

圖1-1-b是串聯式開關電源輸出電壓的波形，由圖中看出，控制開關K輸出電壓uo是一個脈沖調制方波，脈沖幅度Up等于輸入電壓Ui，脈沖寬度等于控制開關K的接通時間Ton，由此可求得串聯式開關電源輸出電壓uo的平均值Ua為：

串聯式開關電源輸出電壓uo的幅值Up等于輸入電壓Ui，其輸出電壓uo的平均值Ua總是小于輸入電壓Ui，因此，串聯式開關電源一般都是以平均值Ua為變量輸出電壓。所以，串聯式開關電源屬于降壓型開關電源。

串聯式開關電源也有人稱它為斬波器，由于它工作原理簡單，工作效率很高，因此其在輸出功率控制方面應用很廣。例如，電動摩托車速度控制器以及燈光亮度控制器等，都是屬于串聯式開關電源的應用。如果串聯式開關電源只單純用于功率輸出控制，電壓輸出可以不用接整流濾波電路，而直接給負載提供功率輸出;但如果用于穩壓輸出，則必須要經過整流濾波。

串聯式開關電源的缺點是輸入與輸出共用一個地，因此，容易產生EMI干擾和底板帶電，當輸入電壓為市電整流輸出電壓的時候，容易引起觸電，對人身不安全。