開關(guān)電源占空比的選擇與開關(guān)變壓器初次級(jí)線圈匝數(shù)比的計(jì)算

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1、開關(guān)電源占空比的選擇與開關(guān)變壓器初次級(jí)線圈匝數(shù)比的計(jì)算陶顯芳2011.6.26112下面是開關(guān)電源設(shè)計(jì)務(wù)必掌握的知識(shí)開關(guān)電源占空比的選擇與計(jì)算開關(guān)變壓器初次級(jí)線圈匝數(shù)比的計(jì)算2希望從事開關(guān)電源設(shè)計(jì)的工程師對(duì)此感興趣1.開關(guān)電源占空比的選擇與計(jì)算概述：占空比是脈沖寬度調(diào)制(PWM)開關(guān)電源的調(diào)制度，開關(guān)電源的穩(wěn)壓功能就是通過自動(dòng)改變占空比來實(shí)現(xiàn)的，開關(guān)電源的輸出電壓與占空比成正比，開關(guān)電源輸出電壓的變化范圍基本上就是占空比的變化范圍。由于開關(guān)電源輸出電壓的變化范圍受到電源開關(guān)管擊穿電壓的限制，因此，正確選擇占空比的變化范圍是決

2、定開關(guān)電源是否可靠工作的重要因素；而占空比的選擇主要與開關(guān)電源變壓器初、次級(jí)線圈的匝數(shù)比有關(guān)，因此，正確選擇開關(guān)電源變壓器初、次級(jí)線圈的匝數(shù)比也是一個(gè)非常重要的因素。開關(guān)電源占空比和開關(guān)電源變壓器初、次級(jí)線圈的匝數(shù)比的正確選擇涉及到對(duì)開關(guān)電源變壓器初、次級(jí)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算。因此，下面我們先從分析開關(guān)電源變壓器初、次級(jí)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)開始。31.1占空比的定義占空比一般是指，在開關(guān)電源中，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與工作周期之比，即：……………(1)（1）式中：D為占空比，Ton為開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間，Toff為開關(guān)管關(guān)斷的時(shí)間，T為開關(guān)

3、電源的工作周期。對(duì)于一個(gè)脈沖波形也可以用占空比來表示，如圖1所示。在反激式開關(guān)電源中，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)候，變壓器次級(jí)線圈是沒有功率輸出的，如果把（1）中的D記為D1，（2）式中的D記為D2，則D1、D2有下面關(guān)系：D1+D2=1………………(3)4圖11.2開關(guān)變壓器初次級(jí)線圈的輸出波形圖2a是輸出電壓為交流的開關(guān)電源工作原理圖。為了便于分析，我們假說變壓器初次級(jí)線圈的變壓比為1:1（即N1=N2，L1=L2），當(dāng)開關(guān)K又導(dǎo)通轉(zhuǎn)斷開時(shí)，變壓器初級(jí)、次級(jí)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：……………(4)………………………(5)圖25（5）式

4、中：………………………(6)（6）式中：為變壓器初級(jí)線圈的勵(lì)磁電流，由此可知，變壓器初、次級(jí)線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)主要是由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的。我們從（5）可以看出，當(dāng)變壓器初、次級(jí)線圈的負(fù)載電阻R很大或者開路的情況下，變壓器初、次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)峰值是非常高的，如果這個(gè)電壓直接加到電源開關(guān)管兩端，電源開關(guān)管一定會(huì)被擊穿。為了便于分析，我們引進(jìn)一個(gè)半波平均值的概念，我們把Upa、Upa-分別定義為變壓器初、次級(jí)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正、負(fù)半周的半波平均值。半波平均值就是把反電動(dòng)勢(shì)等效成一個(gè)幅度等于Upa或Upa-的方波，如圖2b中的Up

5、a-所示。圖261.3反激式變壓器初次級(jí)線圈的輸出波形圖3圖3a為反激式開關(guān)電源的工作原理圖，圖3b為反激式開關(guān)電源變壓器初、次級(jí)線圈的波形（N1=N2時(shí)）。圖中的Ui、uL1、uL2、Up、Upa、Upa-、Ua、Ua-等前面都已經(jīng)介紹過，圖3中只多了一個(gè)整流濾波輸出電壓Uo。所謂反激式開關(guān)電源，就是電源開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)電源無功率輸出，僅在電源開關(guān)管截止時(shí)才有功率輸出。在反激式開關(guān)電源中，由于整流二極管以及儲(chǔ)能濾波電容的作用，它會(huì)把變壓器初、次級(jí)線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行平均，使峰值脈沖電壓Up（Up-）被平均成半波平均值U

6、pa（Upa-），這相當(dāng)于限幅的作用，因?yàn)槌錆M電的電容相當(dāng)于一個(gè)電壓等于Uo的電池。這種限幅作用是假說開關(guān)電源變壓器初、次級(jí)線圈沒有漏感的情況下才能成立。71.4占空比的選擇和計(jì)算1、圖4a中uL1為變壓器初級(jí)線圈N1產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)，藍(lán)、紅色箭頭分別表示開關(guān)接通和關(guān)斷時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向。2、圖4b藍(lán)色為開關(guān)接通時(shí)變壓器初級(jí)線圈N1產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形；紅色為開關(guān)關(guān)斷時(shí)N1產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形。在圖4b中，由于變壓器存儲(chǔ)的能量和釋放的能量相等，所以藍(lán)色波形的面積等于紅色波形的面積。即：Upa-×Ton=Upa×Toff或Ui

7、×Ton=Upa×Toff把占空比：待入上式就可以求得：Upa=(Ui＋Upa)×D…………（7）（7）式就是我們用來選擇和計(jì)算占空比D的關(guān)系式。8圖4由圖4a和圖4c可以看出，（7）式括弧中的值（Ui＋Upa）正好就是電源開關(guān)管兩端的電壓，電源開關(guān)管的耐壓有限，因此，開關(guān)電源的最大占空比要受到電源開關(guān)管的最高耐壓BVm值的限制。在實(shí)際應(yīng)用中，由于變壓器初級(jí)線圈的漏感是不能忽視的，因?yàn)?，這個(gè)漏感產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)不能通過次級(jí)整流濾波電路對(duì)其進(jìn)行限幅。從（5）式可知，這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)的峰值非常大。因此，在變壓器初級(jí)線圈回路中還要另設(shè)一

8、個(gè)限幅電路，如圖5所示。9圖5中L0為變壓器初級(jí)線圈的漏感（一般為5~10%，與初次級(jí)線圈的繞法有關(guān)），L0產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)會(huì)迭加在初級(jí)線圈L1產(chǎn)生的半波平均值電壓上。通過D1、C1、R1的作用可以對(duì)L0產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行限幅，其半波平均值的大小，可以通過調(diào)整R1和C1的大小來改變，使之不要