开关电源工作原理

开关电源在各个领域被普遍采用，而开关电源技术也有了重大的突破和进步。新型功率器件的开发促进了开关电源的高频化，功率MUSFET和IGBT可使中小型开关电源工作频率达到400KHZ，软开关技术使高频开关电源的实现有了可能，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了电源的效率;控制技术的发展以及专用控制芯片的生产，不仅使电源电路大幅度简化，而且使开关电源的动态性能和可靠性大大提高。

开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空前的小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，特别是在高新领域的应用，推动到了高新技术产品的小型化、轻便化，另外开关电源的发展与应用在节约资源与保护环境方面都具有深远的意义。21世纪开关电源的发展技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面：小型化、轻量化、高频化;②高可靠性;③低噪声;④采用计算机辅助设计和控制。

开关电源的结构

开关电源的基本构成如图1所示，其中DC/DC变换器用于进行功率转换，是开关电源的核心部分，此外还有软启动、过流与过压保护等电路。输出采样电路检测输出电压变化，并与基准电压进行比较，误差电压经过放大及脉宽调制(PWM)电路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。DC/DC变换器有多种电路形式，常见的有工作波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振型变换器，在本设计中采用PWM变换器来控制功率器件的占空比。本设计主要由四个部分组成：1)整流滤波电路;2)升压斩波电路;3)PWM脉宽调制电路;4)按键显示电路。

1.单相桥式整流滤波电路

单相桥式整流滤波电路如图2所示。负载RL未接入(开关S断开)时的情况：设电容器两端初始电压为零，接入交流电源后，当v2为正半周时，v2通过D1、D3向电容器C充电; v2为负半周时，经D2、D4向电容器C充电，充电时间常数为

其中Rint包括变压器副绕组的直流电阻和二极管D的正向电阻。由于Rint一般很小，电容器很快就充电到交流电压v2的最大值 ，极性如图2所示。由于电容器无放电回路，故输出电压(即电容器C两端的电压vC)保持在 ，输出为一个恒定的直流，如图3中t0(即纵坐标左边)部分所示。

因td一般较大，故电容两端的电压vC按指数规律慢慢下降，其输出电压vL = vC，如图3的ab段所示。与此同时，交流电压v2按正弦规律上升。当v2>vC时，二极管D1、D3受正向电压作用而导通，此时v2经二极管D1、D3一方面向负载RL提供电流，另一方面向电容器C充电(接入负载时的充电时间常数tc =( RL||Rint)C≈Rint C很小)，vC将如图3中的bc段，图中bc段上的阴影部分为电路中的电流在整流电路内阻Rint上产生的压降。vC随着交流电压v2升高到接近最大值 。然后，v2又按正弦规律下降。当v2 vC时，二极管受反向电压作用而截止，电容器C又经RL放电，vC波形如图3中的cd段。电容器C如此周而复始地进行充放电，负载上便得到如图3所示的一个近似锯齿波的电压vL = vC，使负载电压的波动大为减小。

这种电路的优点是输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高。因此，这种电路在半导体整流电路中得到了颇为广泛的应用。

2.升压斩波电路

升压斩波电路原理图如图4所示。当控制器输出脉冲高电平时，开关管VT导通，电感L储存能量，在ton时间内电感电流增量为

。当控制器输出低电平时，开关管VT截止，电感L向电容C充电并向负载提供能量，在Ioff 时间内电感减少的电流量为

，当电路工作于稳定状态时，有

，可得

(

为占空比)，因为 ，所以输出电压高于输入电压，电路实现升压，设计中只要调节占空比的大小就可以改变输出电压的大小。

3. PWM脉宽调制电路

PWM脉宽调制电路采用功能强大的TL494定频调制芯片，该芯片有16个引脚，芯片的封装图与内部电路如图5所示。

TL494由振荡器、D触发器、死区时间比较器、PWM比较器、两个误差放大器、5V基准电压源与两个驱动三极管组成。芯片的1脚、2脚和15脚、16脚分别为两个误差放大器输入端;3脚为误差放大器的反馈补偿端;4脚为死区电平控制端;5脚、6脚为振荡器的 R、C输入端;8脚、9脚和11脚、10脚分别为两个内部驱动三极管的集电极和发射极，通过它们发出的脉冲可以控制变换器开关管的交替导通与截止;13脚为输出状态控制端，当13脚为低电平时，两个内部驱动三极管同时导通或截止，引脚8 和11 同步工作，单端输出，当13脚为高电平时，两个内部驱动三极管交替导通，引脚8 和11推挽工作，双路输出，分别控制变换器的两个开关管。本设计采用第一种工作方式。