1.3 開關電源的分類

開關電源的電路結構有很多種，分類方法也很多，常見的分類方式如圖1-8所示。

1.3.1 按開關管的激勵脈沖方式分類

無論何種開關電源，開關管均工作在開關狀態。驅動開關管的激勵電壓可為方波的脈寬調制電壓，也可為正弦波的諧振電壓。開關電源按開關管的激勵脈沖方式可分為自激式和他激式。

1.自激式

自激式開關電源利用開關管、開關變壓器輔助繞組構成正反饋環路，實現自激振蕩，穩定電壓輸出。由于自激式開關電源的開關管兼作振蕩管，因此無須專設振蕩器。其脈沖信號是由自激振蕩形成的，是一種非固定頻率的脈沖信號，隨輸入電壓和負載變化而變化，在輕載時頻率較高，在重載時頻率較低，在空載時會出現間歇振蕩。

自激式開關電源本身具有一定的自保護功能，一旦負載過重，必然會破壞反饋條件而停止振蕩，從而保護開關電源。由于自激式開關電源的電流峰值高、紋波電流大，特別是在高功率、大電流工作時穩定性差，因此多用于60W以下的小功率場合。

2.他激式

他激式開關電源的開關管不參與激勵脈沖的振蕩過程，有專設的振蕩器產生脈沖控制開關管。例如，常用的集成電路UC3842、NCP1200、TL494等集成控制器能輸出占空比可調的P WM脈沖。如今，許多集成控制器能根據輸出功率的輕重自動升降開關頻率，以便在不同負載狀況下，均能保持優良的電源轉換效率。

由于集成控制器把保護電路、控制電路、振蕩電路和反饋信號檢測電路集成在同一芯片上，抗干擾性能好，電路簡潔、功能強大，能夠完成振蕩、穩壓、過流、過壓和欠壓等保護功能，是分立式開關電源所無法比擬的，近年來應用越來越廣泛。

1.3.2 按轉換器的電路結構方式分類

開關電源按轉換器的電路結構方式分為非隔離型和隔離型。

1.非隔離型DC-DC轉換器

非隔離型DC-DC轉換器的輸入和輸出共地，適合低壓直流電源轉換，包括降壓式、升壓式和升降壓式。非隔離型DC-DC轉換器的基本電路如圖1-9所示。

在分析電路工作原理時，為簡便起見，假定開關S為理想開關，電路中各元器件的內阻忽略不計，輸入電壓U_I、輸出電壓U_O、電感的電感量和電容的電容量足夠大，流經電感的電流與電容兩端電壓的紋波非常小。

1）降壓式轉換器

（1）工作原理

降壓式轉換器也稱Buck電路，分解電路如圖1-10所示。當開關S閉合時，等效電路如圖1-10（b）所示，VD因承受反壓而截止，電感L勵磁并存儲能量，電容C_O開始充電。當開關S斷開時，等效電路如圖1-10（c）所示，VD因承受正壓而導通，電感L消磁并釋放能量，電容C_O開始放電。在以上兩種情形下，電感與負載R_L的電流方向不變，圖1-10（b）中的電感電流線性增加，圖1-10（c）中的電感電流線性減小。

如果負載太輕或電感L的電感量太小，在t_ON期間儲能不足，那么在t_OFF還未結束時能量已放盡，將導致輸出電壓為零，出現階梯臺階（參見第5章）。為了使輸出電壓的交流分量足夠小，C_O的電容量應足夠大。換言之，只有在L的電感量和C_O的電容量足夠大時，輸出電壓U_O和負載電流I_O才是連續的。L的電感量和C_O的電容量越大，U_O的波形越平滑。

由于I_O是U_I通過開關管和LC_O濾波電路輪流提供的，所以在通常情況下，脈動成分比線性電源要大一些，這是降壓式DC-DC轉換器的缺點之一。

（2）降壓公式

當開關S閉合時，加在電感L兩端的電壓為（U_I-U_O）。這期間，電感L由電壓（U_I-U_O）勵磁并儲存能量，磁通的增加量為

當開關S斷開時，由于電感電流不能突變，二極管變為導通狀態。輸出電流I_O與開關閉合時的方向相反。這期間，電感L消磁并釋放能量，磁通的減少量為

在穩態時，電感L磁通的增加量與減少量相等。所謂 “伏·秒相等原則”，即Δφ_ON=Δφ_OFF，聯立式（1-2）和式（1-3），降壓式轉換器的電壓變比M為

注：M=U_O/U_I。

因D≤1，則U_O≤U_I，故為降壓式轉換器。

2）升壓式轉換器

（1）工作原理

升壓式轉換器也稱Boost電路，分解電路如圖1-11所示。當開關S閉合時，等效電路如圖1-11（b）所示，VD因承受反壓而截止，電感L勵磁并存儲能量，電容C_O開始放電。當開關S斷開時，等效電路如圖1-11（c）所示，VD因承受正壓而導通，電感L消磁并釋放能量，電容C_O開始充電。在以上兩種情形下，負載的電流方向不變，圖1-11（b）中的電感電流線性增加，圖1-11（c）中的電感電流線性減小。

（2）升壓公式

當開關S閉合時，輸入電壓U_I加在電感L上。這期間，電感L由輸入電壓U_I勵磁并儲存能量，磁通的增加量為

當開關S斷開時，由于電感電流不能突變，二極管轉為導通狀態，電流I_O與開關閉合時的方向相反加到電感L上。這期間，電感L消磁并釋放能量，磁通的減少量為

在穩態時，電感L磁通的增加量與減少量相等，即Δφ_ON=Δφ_OFF ，聯立式（1-5）和式（1-6），升壓式轉換器的電壓變比M為

因D≤1，則U_O≥U_I，故為升壓式轉換器。

3）升降壓式轉換器

（1）工作原理

升降壓式轉換器也稱Buck-Boost電路，分解電路原理如圖1-12（a）所示。當開關S閉合時，等效電路如圖1-12（b）所示，VD因承受反壓而截止，電感L勵磁并存儲能量，電容C_O開始放電。當開關S斷開時，等效電路如圖1-12（c）所示，VD因承受正壓而導通，電感L消磁并釋放能量，電容C _O開始充電。在以上兩種情形下，負載的電流方向不變，圖1-12（b）中的電感電流線性增加，圖1-12（c）中的電感電流線性減小。

（2）升降壓公式

當開關S閉合時，輸入電壓U_I加在電感L上。這期間，電感L由輸入電壓U_I勵磁并儲存能量，磁通的增加量為

當開關S斷開時，由于電感電流不能突變，二極管轉為導通狀態。輸出電流I_O與開關閉合時的方向相反加到電感L上。這期間，電感L消磁并釋放能量，磁通的減少量為

在穩態時，電感L磁通的增加量與減少量相等，即Δφ_ON=Δφ_OFF ，聯立式（1-8）和式（1-9），升降壓式轉換器的電壓變比M為

當0≤D≤0.5時，M≤1，當0.5≤D≤1時，M≥1，故為升降壓式轉換器。

非隔離型DC-DC轉換器的控制特性曲線如圖1-13所示。由特性曲線可知，通過控制開關管的占空比D就可以改變輸出電壓的大小。對于這三類轉換器，也可以從能量的存儲與釋放來說明基本工作原理。電感勵磁就是存儲能量，電感消磁就是釋放能量。當開關S閉合時，來自電源的能量存儲在電感L上；當開關S斷開時，存儲在電感上的能量釋放給負載。由于它們是通過改變開關管的占空比來控制能量的存儲與釋放的，從而可獲得直流輸出，因此也稱為儲能型（電感就是儲能元件）轉換器。

2.隔離型DC-DC轉換器

當DC-DC轉換器實際應用于開關電源時，在很多情況下要求輸入與輸出間進行電氣隔離，由于采用變壓器進行隔離，因此這種轉換器被稱為隔離型轉換器，也稱變壓器耦合型轉換器（或開關電源），是目前應用最多的類型。

隔離型DC-DC轉換器的工作原理簡述如下：輸入電路將交流電壓整流濾波變為直流電壓，通過功率開關管的周期性通、斷控制變壓器一次側繞組存儲能量，將直流電壓轉換為高頻方波電壓，再由變壓器升壓或降壓、整流濾波后變為直流電壓或電流。這類轉換器也稱逆變整流轉換器。

隔離型DC-DC轉換器包括反激式、正激式、推挽式、半橋式和全橋式多種類型。

圖1-14為反激式轉換器功能框圖，包括多個功能模塊。取樣電路檢測輸出電壓，與基準電壓比較，通過誤差放大器比較放大后，經光電耦合器電氣隔離，反饋到變壓器的高壓側，控制脈沖寬度調制器來決定開關管的通、斷時間，從而穩定輸出電壓或電流。

1）反激式轉換器

反激式轉換器的電路原理如圖1-15（a）所示。當開關S閉合時，變壓器一次側繞組以輸入電壓U₁勵磁，電場能轉化為磁場能存儲在電感中，磁芯的磁通密度增大，變壓器二次側繞組感應電壓使二極管VD反向偏置而截止，二次側繞組無電流。當開關S斷開時，變壓器二次側繞組以輸出電壓U_O消磁，存儲在電感中的磁場能轉化為電場能釋放給負載，磁芯的磁通密度減小。反激式轉換器的工作原理與升降壓式轉換器類似，電壓變比為

式中，N為變壓器匝比，即N=N₁/N₂

反激式轉換器的工作波形如圖1-15（b）所示。t_ON期間，一次側繞組兩端的電壓U₁等于電源電壓U_I，二次側繞組感應的電壓為負值，在這個過程中，一次側繞組電流線性增大，二次側繞組無電流。t_OFF期間，二次側繞組兩端的電壓U₂為正值，約等于輸出電壓U_O （忽略二極管導通壓降），在這個過程中，一次側繞組無電流，二次側繞組電流線性減小。

圖1-15 反激式轉換器的電路原理及工作波形

當開關S由閉合轉為斷開瞬間，一次側繞組的電流I₁突然為零，由于變壓器鐵芯中的磁通量Φ不能突變，因此必須要求流過變壓器二次側繞組的電流I₂也跟著突變，以抵消變壓器一次側繞組電流突變的影響。當開關管由導通狀態轉為關斷瞬間，一次側繞組中的電流突然為零時，二次側繞組中的電流一定正好等于一次側繞組勵磁電流被折算到二次側繞組中電流的N倍。其中，N是變壓器一次側繞組與二次側繞組的匝比，即I₂=NI₁。該電流經整流二極管VD向負載輸出電能，變壓器消磁，從而實現能量轉移與輸出。

2）正激式轉換器

所謂正激式轉換器，是指當變壓器的一次側繞組正在被直流電壓激勵時，變壓器的二次側繞組正好有功率輸出。正激式轉換器的電路原理如圖1-16（a）所示。需要特別注意的是開關變壓器一、二次側繞組的同名端，如果把一次側繞組或二次側繞組的同名端搞反，就不再是正激式轉換器了。

正激式轉換器的工作波形如圖1-16（b）所示。當開關S閉合時，變壓器一次繞組N₁以輸入電壓U₁勵磁，能量存儲在電感中，二次側繞組N₂感應電壓使二極管VD₁導通，存儲在電感中的能量釋放給負載。此時，消磁繞組N₃使二極管VD₃反向偏置而截止。當開關S斷開時，一次側繞組N₁沒有釋放完的能量轉移到消磁繞組N₃，并以輸入電壓U_I消磁，勵磁能量反饋到輸入側；二次側繞組N₂感應電壓使二極管VD₁反向偏置，二次側繞組無電流，輸出電流發生自感，續流二極管VD₂導通。正激式轉換器的電壓變比為

式中，N為變壓器匝比，即N=N₁/N₂

正激式轉換器有一個最大的缺點，就是在開關S閉合、斷開瞬間，變壓器的一、二次側繞組均會產生很高的反電動勢。這個反電動勢是由流過變壓器一次側繞組勵磁電流存儲的磁場能產生的。為了防止開關S在閉合、斷開瞬間產生反電動勢擊穿，在變壓器中增加一個消磁繞組N₃。一方面，N₃產生的感應電動勢通過VD₃對反電動勢進行限幅，并把限幅能量返回給電源，對電源充電；另一方面，流過N₃中的電流所產生的磁場可以使變壓器的鐵芯退磁，使變壓器鐵芯中的磁場強度恢復到初始狀態。

流過變壓器二次側繞組的電流與流過電感L的電流不同：流過變壓器二次側繞組的電流有突變，流過電感L的電流不能突變，即在開關S閉合瞬間，流過變壓器的電流立刻達到某個穩定值。這個值是與變壓器二次側繞組電流大小相關的。如果把這個電流記為I_1B ，變壓器二次側繞組電流記為I₂ ，那么就有I_1B=I₂/N。其中，N為變壓器一、二次側繞組的匝比。

另外，流過變壓器的電流I₁除了I_1B還有一個勵磁電流，把勵磁電流記為ΔI₁。從電流波形圖中可以看出，ΔI₁就是I₁中隨著時間線性增長的部分，即ΔI₁=I_1P-I_1B。

當開關S由閉合突然轉為斷開瞬間，變壓器一次側繞組中的電流I₁突然為零時，二次側繞組中的電流I₂一定正好等于開關S閉合期間的電流I_2B與一次側繞組勵磁電流ΔI₁被折算到變壓器二次側繞組的電流之和。由于變壓器一次側繞組中勵磁電流ΔI₁被折算到二次側繞組的電流ΔI₁N的方向與原來二次側繞組電流I_2B的方向相反，整流二極管VD₁對電流ΔI₁N并不導通，因此電流ΔI₁N只能通過繞組N₃產生反電動勢，經整流二極管VD₃向輸入電壓U_I進行反充電。

在S閉合期間，由于開關變壓器一次側繞組和二次側繞組的電流均為零，故流過消磁繞組N₃中的電流只有一次側繞組中勵磁電流ΔI₁被折算到N₃中的電流I₃。這個電流的大小是隨著時間下降的。一般來說，正激式轉換器一次側繞組的匝數N₁與消磁繞組N₃的匝數是相等的，因此ΔI₁=I₃。

3）推挽式轉換器

推挽式轉換器是最典型的逆變整流型轉換器之一，如圖1-17 所示。開關變壓器 T的中心抽頭接直流電源U_I，當開關S₁、S₂交替閉合時，加在開關變壓器N₁上的電壓等于U₁，二次側電壓經 VD₁、VD₂全波整流，電感 L 和電容 C_O濾波得到平滑的直流電壓。

開關動作與F點的電壓波形如圖1-17所示。改變開關脈沖的占空比，就可以改變S₁、S₂的閉合與斷開時間，從而改變輸出電壓。對于推換式轉換器的驅動電路，嚴禁S₁、S₂同時閉合，否則，將會出現變壓器一、二次側繞組電流相反、磁場相互抵消的惡劣情形。

如果采用如圖1-17所示的占空比，則電壓變比可與降壓式轉換器類似，為

式中，N為變壓器匝比，即N=N₁/N₂

4）半橋式轉換器

半橋式轉換器也是典型的逆變整流型轉換器之一，如圖1-18所示。由于電解電容C₁和C₂的電容量相同，所以它們的節點電壓為U_I的一半，當開關S₁、S₂交替閉合時，加在開關變壓器N₁上的電壓為U_I的一半。開關動作與F點的電壓波形如圖1-18所示。改變開關脈沖的占空比，就可以改變S₁、S₂的閉合與斷開時間，從而改變輸出電壓。對于半橋式轉換器的驅動電路，嚴禁 S₁、S₂同時閉合，否則，將會出現兩個功率管將 U_I短路的惡劣情形。

如果采用如圖1-18所示的占空比，則電壓變比可與降壓式轉換器類似，為

式中，N為變壓器匝比，即N=N₁/N₂

推挽式轉換器與半橋式轉換器的區別是，當開關S₁、S₂交替閉合時，前者工作電壓為電源電壓U_I；后者工作電壓為電源電壓U_I的一半。因此，半橋式轉換器比推挽式轉換器的電源利用率低。

5）全橋式轉換器

半橋式轉換器的電源利用率較低，若增加兩個功率管，就可以組成全橋式轉換器，如圖1-19所示。當開關S₁、S₃與S₂、S₄交替閉合時，加在變壓器一次繞組上的電壓等于U_I ，二次側電壓經VD₁、VD₂全波整流，電感L和電容C_O濾波得到平滑的直流電壓。需要指出的是，若開關S₁、S₃與S₂、S₄閉合時間不對稱，則變壓器一次側繞組的交流電壓中將含有直流分量，在變壓器一次側繞組中產生很大的直流電流，造成磁飽和。因此，全橋式轉換器應注意避免產生直流分量。如果采用如圖1-19所示的占空比，則電壓變比是半橋式的2倍。

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單端與雙端

在隔離型開關電源中，若變壓器一次側繞組電路僅有一個開關管，則電流單向流動，變壓器磁通只能單方向變化，磁芯工作在第一象限（見圖1-20），這種轉換器被稱為單端轉換器。按變壓器二次側整流二極管的接線方式不同，單端轉換器可分為兩種類型：一種是單端反激式轉換器（一次側開關管與二次側整流二極管的開關狀態相反，當前者導通時后者關斷，反之，當前者關斷時后者導通）；另一種是單端正激式轉換器（開關管與二次側整流二極管同時導通或關斷）。

在隔離型開關電源中，若變壓器二次側繞組電路僅有兩個或四個開關管，則電流雙向流動，變壓器的磁通雙向變化，磁芯工作在第一、三象限（見圖1-20）。這種轉換器被稱為雙端轉換器。例如，推挽式變壓器、半橋式變壓器和全橋式變壓器耦合型開關電源就是雙端轉換器。

1.3.3 按開關管的脈沖調制方式分類

開關電源按開關管的脈沖調制方式分類，可分為脈寬調制型（PWM）、頻率調制型（PFM）和混合調制型。

1.脈寬調制型

脈寬調制型（PWM）是指控制開關管的脈沖頻率不變，通過改變開關管的導通時間來改變占空比，從而調節和穩定輸出電壓。由于脈沖頻率固定，輸出濾波電路易于實現最優化，因此脈寬調制型是目前最常用的類型 （他激式開關電源大都屬于此種類型）。

2.頻率調制型

頻率調制型（PFM）是指控制開關管的導通時間不變，通過改變開關管的脈沖頻率來改變占空比，從而調節和穩定輸出電壓。由于脈沖頻率不固定，輸出濾波電路不易于實現最優化，因此頻率調制型的應用遠不如脈寬調制型。

3.混合調制型

混合調制型是指開關管控制極的脈沖頻率和導通時間都改變，改變占空比，調節和穩定輸出電壓，是脈寬調制和頻率調制同時存在或同時應用的調制方式 （自激式開關電源屬于這種類型）。

上述各種不同的變壓器耦合型轉換器都有各自的特點和適用范圍，性能比較見表1-3。

盡管各種類型開關電源的開關脈沖調制方式、功率開關管的激勵方式、儲能電感與負載的連接方式各不相同，但是最后都是為了穩定輸出電壓或電流。

目前，在AC-DC開關電源轉換器中，使用最多的是反激式變壓器耦合型開關電源，其中常用類型的電路結構和工作原理將在后續章節中進行詳細講述。

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[1] PWM是 Pulse Width Modulation的英文縮寫，是指脈沖寬度調制，簡稱脈寬調制。

[2] PFM是 Pulse Frequency Modulation的英文縮寫，是指脈沖頻率調制，簡稱頻率調制。