1-3.反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源
1-3-1.反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源的工作原理
圖1-7是另一種串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源,一般稱為反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源。這種反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源與一般串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源的區(qū)別是,這種反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源輸出的電壓是負(fù)電壓,正好與一般串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源輸出的正電壓極性相反;并且由于儲(chǔ)能電感L只在開(kāi)關(guān)K關(guān)斷時(shí)才向負(fù)載輸出電流,因此,在相同條件下,反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源輸出的電流比串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源輸出的電流小一倍。
在一般電路中大部分都是使用單極性電源,但在一些特殊場(chǎng)合,有時(shí)需要兩組電源,其中一組為負(fù)電源。因此,選用圖1-7所示的反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源作為負(fù)電源是很方便的。
圖1-7中,Ui為輸入電源,K為控制開(kāi)關(guān),L為儲(chǔ)能電感,D為整流二極管,C為儲(chǔ)能濾波電容,R為負(fù)載電阻。當(dāng)控制開(kāi)關(guān)K接通的時(shí)候,輸入電源Ui開(kāi)始對(duì)儲(chǔ)能電感L加電,流過(guò)儲(chǔ)能電感L的電流開(kāi)始增加,同時(shí)電流在儲(chǔ)能電感中也要產(chǎn)生磁場(chǎng);當(dāng)控制開(kāi)關(guān)K由接通轉(zhuǎn)為關(guān)斷的時(shí)候,儲(chǔ)能電感會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì),使電流繼續(xù)流動(dòng),并通過(guò)整流二極管D進(jìn)行整流,再經(jīng)電容儲(chǔ)能濾波,然后向負(fù)載R提供電流輸出。控制開(kāi)關(guān)K不斷地反復(fù)接通和關(guān)斷過(guò)程,在負(fù)載R上就可以得到一個(gè)負(fù)極性的電壓輸出。
圖1-8、圖1-9、圖1-10分別是控制開(kāi)關(guān)K的占空比D等于0.5、< 0.5、> 0.5時(shí),圖1-7電路中幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的電壓和電流波形。圖1-8-a)、圖1-9-a)、圖1-10-a)分別為控制開(kāi)關(guān)K輸出電壓uo的波形;圖1-8-b)、圖1-9-b)、圖1-10-b)分別為儲(chǔ)能濾波電容兩端電壓uc的波形;圖1-8-c)、圖1-9-c)、圖1-10-c)分別為流過(guò)儲(chǔ)能電感L電流iL的波形。應(yīng)該特別注意的是,圖1-8-c)、圖1-9-c)、圖1-10-c)中的電流波形按原理應(yīng)該取負(fù)值,但取負(fù)值后反而覺(jué)得與前面圖1-5與圖1-6不好對(duì)比和分析,因此,當(dāng)進(jìn)行具體計(jì)算時(shí),一定要注意電流和電壓的方向。
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在開(kāi)關(guān)K接通Ton期間,電源Ui開(kāi)始對(duì)儲(chǔ)能電感L供電,儲(chǔ)能電感L兩端的電壓eL為:
式中iL為流過(guò)儲(chǔ)能電感L電流的瞬時(shí)值,t為時(shí)間變量,i(0)為的初始電流,即:控制開(kāi)關(guān)K接通瞬間之前流過(guò)儲(chǔ)能電感L中的電流。當(dāng)t = Ton時(shí),流過(guò)儲(chǔ)能電感L的電流達(dá)到最大值:
在開(kāi)關(guān)K關(guān)斷期間,儲(chǔ)能電感L把電流iLm存儲(chǔ)的磁能轉(zhuǎn)化成反電動(dòng)勢(shì),然后通過(guò)整流二極管D向負(fù)載R提供能量,在此期間L兩端的電壓eL為:
上式中Uo前的負(fù)號(hào),表示K關(guān)斷期間電感產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的方向與K接通期間電感產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的方向正好相反。
順便指出,反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源輸出電壓為負(fù)脈沖,當(dāng)圖1-7中的濾波電容器C開(kāi)路時(shí),負(fù)脈沖的幅度將非常高,負(fù)脈沖是一個(gè)幅度按指數(shù)規(guī)律下降的尖脈沖,其幅度主要由負(fù)載電阻的大小,以及占空比來(lái)決定;當(dāng)圖7中的濾波電容器C接入后,反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源輸出電壓uo為一負(fù)方波,此方波我們可稱之為半波平均值,關(guān)于半波平均值的概念我們后面還會(huì)詳細(xì)解釋。
對(duì)(1-22)式進(jìn)行積分得:
上式中i(Ton+)為控制開(kāi)關(guān)K從Ton轉(zhuǎn)換到Toff的瞬間流過(guò)電感的電流,i(Ton+)也可以寫(xiě)為i(Toff-),即:控制開(kāi)關(guān)K關(guān)斷或接通瞬間,之前和之后流過(guò)電感L的電流相等。實(shí)際上(1-23)式中的i(Ton+)就是(1-21)式中的iLm,即:
當(dāng)開(kāi)關(guān)電源工作于臨界電流連續(xù)狀態(tài),或電流不連續(xù)狀態(tài)時(shí),即D≤0.5時(shí),流過(guò)儲(chǔ)能電感的初始電流i(0)和流過(guò)儲(chǔ)能電感電流的最小值iLX均等于0(參看圖1-8和圖1-9);而當(dāng)開(kāi)關(guān)電源工作于電流連續(xù)狀態(tài),即D≥0.5時(shí),流過(guò)儲(chǔ)能電感的初始電流i(0)和流過(guò)儲(chǔ)能電感電流的最小值iLX均相等(參看圖1-10)。因此,由(1-21)和(1-26)式,可求得反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源輸出電壓Uo為:
由(1-27)式可以看出,反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源輸出電壓與輸入電壓與開(kāi)關(guān)接通的時(shí)間成正比,與開(kāi)關(guān)關(guān)斷的時(shí)間成反比,而與儲(chǔ)能電感L的大小無(wú)關(guān);與儲(chǔ)能電感L有關(guān)的是輸出電流的大小,電流的大小隱含在(1-21)、(1-25)、(1-26)式中。
另外,從圖1-8可以看出,由于反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源,僅當(dāng)控制開(kāi)關(guān)K關(guān)斷期間才產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)向負(fù)載提供能量。因此,當(dāng)占空比為0.5時(shí),輸出電流的平均值Io為流過(guò)儲(chǔ)能電感電流最大值的四分之一;當(dāng)占空比小于0.5時(shí),輸出電流的平均值Io小于流過(guò)儲(chǔ)能電感電流最大值的四分之一(圖1-9);當(dāng)占空比大于0.5時(shí),輸出電流的平均值Io大于流過(guò)儲(chǔ)能電感電流最大值的四分之一(圖1-10)。
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1-3-2.反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能電感的計(jì)算
反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能電感的計(jì)算方法與前面“串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電感的計(jì)算”方法基本相同,計(jì)算反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源中儲(chǔ)能電感的數(shù)值,也是從流過(guò)儲(chǔ)能電感的電流為電流臨界連續(xù)狀態(tài)進(jìn)行分析。但須要特別注意,反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源中的儲(chǔ)能電感僅在控制開(kāi)關(guān)K關(guān)斷期間才產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)向負(fù)載提供能量,因此,流過(guò)負(fù)載的電流比串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源流過(guò)負(fù)載的電流小一倍(D = 0.5時(shí)),即:當(dāng)占空比等于0.5時(shí),反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源中流過(guò)負(fù)載R的電流Io只有流過(guò)儲(chǔ)能電感L最大電流iLm的四分之一。根據(jù)(1-21)式:
式中Io為流過(guò)負(fù)載的電流,當(dāng)D = 0.5時(shí),其大小等于最大電流iLm的四分之一;T為開(kāi)關(guān)電源的工作周期,T正好等于2倍Ton。
由此求得:
(1-29)和(1-30)式,就是計(jì)算反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源中儲(chǔ)能電感的公式。同理,(1-29)和(1-30)式的計(jì)算結(jié)果,只給出了計(jì)算反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能電感L的中間值,或平均值,由于輸出電流的不確定性,實(shí)際應(yīng)用時(shí),可以以此為極限,在此平均值的計(jì)算結(jié)果上再乘以一個(gè)大于1的系數(shù)。
當(dāng)儲(chǔ)能電感L的值小于(1-29)式的值時(shí),流過(guò)濾波電感L的電流上升率將增大,如果流過(guò)濾波電感L的電流iL為連續(xù)電流,輸出電壓Uo將會(huì)升高;如果為了維持濾波輸出電壓Uo不變,則必須要把控制開(kāi)關(guān)K占空比D減小,但占空比D的減小將會(huì)使流過(guò)儲(chǔ)能電感的電流iL出現(xiàn)不連續(xù),從而使濾波輸出電壓Uo的電壓紋波增大。
如果流過(guò)濾波電感L的電流iL不是連續(xù)電流,儲(chǔ)能電感L的減小,將會(huì)使流過(guò)儲(chǔ)能電感的電流iL不連續(xù)的時(shí)間變長(zhǎng),電源濾波輸出電壓Uo不但不會(huì)升高,反而會(huì)使反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源濾波輸出電壓Uo的電壓紋波顯著增大。
當(dāng)儲(chǔ)能電感L的值大于(1-29)式的值時(shí),流過(guò)儲(chǔ)能電感L的電流上升率將減小,輸出電壓Uo將降低,但濾波輸出電壓Uo的電壓紋波顯著減?。蝗绻麨榱司S持電源濾波輸出電壓Uo不變,控制開(kāi)關(guān)K必須要把占空比D增大,而占空比D的增大又會(huì)使流過(guò)儲(chǔ)能電感的電流iL不連續(xù)的時(shí)間縮短,或由電流不連續(xù)變成電流連續(xù),從而使電源濾波輸出電壓Uo的電壓紋波降低。
反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源對(duì)負(fù)載輸出的電流Io只有流過(guò)儲(chǔ)能電感最大電流ILm的四分之一,在流過(guò)儲(chǔ)能電感最大電流ILm相同的情況下,比串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源對(duì)負(fù)載輸出的電流Io小一倍,因此,在輸出電壓紋波相同的情況下,反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源的電流紋波要比串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源的電流紋波大一倍。這種情況,濾波電容的充放電回路的電流很容易產(chǎn)生EMI干擾,在進(jìn)行PCB線路設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意。
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1-3-3.反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容的計(jì)算
反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容參數(shù)的計(jì)算,與串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容的計(jì)算方法基本相同。但要注意,即使是在占空比D等于0.5的情況下,濾波電容器充、放電的時(shí)間都不相等,濾波電容器充電的時(shí)間小于半個(gè)工作周期,而電容器放電的時(shí)間則大于半個(gè)工作周期,但電容器充、放電的電荷是相等的,即電容器充電時(shí)的電流大于放電時(shí)的電流。
從圖1-8可以看出,在占空比D等于0.5的情況下,電容器充電的時(shí)間為 ,電容器充電電流的平均值為 ,或 ;而電容器放電的時(shí)間為 ,電容器放電電流的平均值為0.9 Io。
因此有:
(1-33)和(1-34)式,就是計(jì)算反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容的公式(D = 0.5時(shí))。式中:Io是流過(guò)負(fù)載電流的平均值,T為開(kāi)關(guān)工作周期,ΔUP-P為濾波輸出電壓的波紋。一般波紋電壓都是取峰-峰值,因此,當(dāng)D = 0.5時(shí),波紋電壓正好等于電容器充電的電壓增量,即:ΔUP-P = ΔUc 。
同理,(1-33)和(1-34)式的計(jì)算結(jié)果,只給出了計(jì)算反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源儲(chǔ)能濾波電容C的中間值,或平均值,由于輸出電流的不確定性,實(shí)際應(yīng)用時(shí),可以以此為極限,在此平均值的計(jì)算結(jié)果上再乘以一個(gè)大于1的系數(shù)。特別是當(dāng)開(kāi)關(guān)K的占空比D小于0.5的時(shí)后,由于流過(guò)儲(chǔ)能電感L的電流會(huì)不連續(xù),電容器放電的時(shí)間將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電容器充電的時(shí)間,因此,開(kāi)關(guān)電源濾波輸出電壓的紋波將顯著增大。因此,在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的時(shí)候要留有充分的余量,實(shí)際應(yīng)用中最好按(1-33)式計(jì)算結(jié)果的2倍以上來(lái)計(jì)算儲(chǔ)能濾波電容的參數(shù)。
未完待續(xù):下次將為大家連載并聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源的工作原理及參數(shù)計(jì)算,請(qǐng)大家耐心等候......
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