【電路設計】串聯式開關電源輸出電壓濾波電路-KIA MOS管

大多數開關電源輸出都是直流電壓，因此，一般開關電源的輸出電路都帶有整流濾波電路。圖1-2是帶有整流濾波功能的串聯式開關電源工作原理圖。

圖1-2是在圖1-1-a電路的基礎上，增加了一個整流二極管和一個LC濾波電路。

其中L是儲能濾波電感，它的作用是在控制開關K接通期間Ton限制大電流通過，防止輸入電壓Ui直接加到負載R上，對負載R進行電壓沖擊，同時對流過電感的電流iL轉化成磁能進行能量存儲，然后在控制開關K關斷期間Toff把磁能轉化成電流iL繼續向負載R提供能量輸出；

C是儲能濾波電容，它的作用是在控制開關K接通期間Ton把流過儲能電感L的部分電流轉化成電荷進行存儲，然后在控制開關K關斷期間Toff把電荷轉化成電流繼續向負載R提供能量輸出；D是整流二極管，主要功能是續流作用，故稱它為續流二極管，其作用是在控制開關關斷期間Toff，給儲能濾波電感L釋放能量提供電流通路。

在控制開關關斷期間Toff，儲能電感L將產生反電動勢，流過儲能電感L的電流iL由反電動勢eL的正極流出，通過負載R，再經過續流二極管D的正極，然后從續流二極管D的負極流出，最后回到反電動勢eL的負極。

對于圖1-2，如果不看控制開關K和輸入電壓Ui，它是一個典型的反г 型濾波電路，它的作用是把脈動直流電壓通過平滑濾波輸出其平均值。

圖1-3、圖1-4、圖1-5分別是控制開關K的占空比D等于0.5、 0.5時，圖1-2電路中幾個關鍵點的電壓和電流波形。圖1-3-a)、圖1-4-a)、圖1-5-a)分別為控制開關K輸出電壓uo的波形；圖1-3-b)、圖1-4-b)、圖1-5-b)分別為儲能濾波電容兩端電壓uc的波形；圖1-3-c)、圖1-4-c)、圖1-5-c)分別為流過儲能電感L電流iL的波形。

在Ton期間，控制開關K接通，輸入電壓Ui通過控制開關K輸出電壓uo，然后加到儲能濾波電感L和儲能濾波電容C組成的濾波電路上，在此期間儲能濾波電感L兩端的電壓eL為：

eL = Ldi/dt = Ui – Uo —— K接通期間 (1-4)

式中：Ui輸入電壓，Uo為直流輸出電壓，即：電容兩端的電壓uc的平均值。

在此順便說明：由于電容兩端的電壓變化量ΔU相對于輸出電壓Uo來說非常小，為了簡單，我們這里把Uo當成常量來處理。在某種情況下，如需要對電容的初次充、放電過程進行分析時，必須需要建立微分方程，并求解。

因為輸出電壓Uo的建立需要一定的時間，精確計算得出的結果中一般都含有指數函數項，當令時間變量等于無窮大時，即電路進入穩態時，再對相關參量取平均值，其結果就基本與(1-4)相等。

對(1-4)式進行積分得：

式中i(0)為控制開關K轉換瞬間(t = 0時刻)，即：控制開關K剛接通瞬間流過電感L的電流，或稱流過電感L的初始電流。

當控制開關K由接通期間Ton突然轉換到關斷期間Toff的瞬間，流過電感L的電流iL達到最大值：

iLm =(Ui-Uo)Ton/L + i(0) —— K關斷前瞬間 (1-6)

在Toff期間，控制開關K關斷，儲能電感L把磁能轉化成電流iL，通過整流二極管D繼續向負載R提供能量，在此期間儲能濾波電感L兩端的電壓eL為：

eL = Ldi/dt = – Uo —— K關斷期間 (1-7)

式中–Uo前的負號，表示K關斷期間電感產生電動勢的方向與K接通期間電感產生電動勢的方向正好相反。對(1-7)式進行積分得：

式中i(Ton+)為控制開關K從Ton轉換到Toff的瞬間之前流過電感的電流，i(Ton+)也可以寫為i(Toff-)，即：控制開關K關斷或接通瞬間，之前和之后流過電感L的電流相等。

實際上(1-8)式中的i(Ton+)就是(1-6)式中的iLm，即：

上面計算都是假設輸出電壓Uo基本不變的情況得到的結果，在實際應用電路中也正好是這樣，輸出電壓Uo的電壓紋波非常小，只有輸出電壓的百分之幾，工程計算中完全可以忽略不計。

從(1-4)式到(1-11)和圖1-3、圖1-4、圖1-5中可以看出：

當開關電源工作于臨界連續電流或連續電流狀態時，在K接通和關斷的整個周期內，儲能電感L都有電流流出，但在K接通期間與K關斷期間，流過儲能電感L的電流的上升率(絕對值)一般是不一樣的。

在K接通期間，流過儲能電感L的電流上升率為Ui-Uo/L： ；在K關斷期間，流過儲能電感L的電流上升率為： -Uo/L

因此：

(1)當Ui = 2Uo時，即濾波輸出電壓Uo等于電源輸入電壓Ui的一半時，或控制開關K的占空比D為二分之一時，流過儲能電感L的電流上升率，在K接通期間與K關斷期間絕對值完全相等，即電感存儲能量的速度與釋放能量的速度完全相等。此時，(1-5)式中i(0)和(1-11)式中iLX均等于0。在這種情況下，流過儲能電感L的電流iL為臨界連續電流，且濾波輸出電壓Uo等于濾波輸入電壓uo的平均值Ua。參看圖1-3。

(2)當Ui > 2Uo時，即：濾波輸出電壓Uo小于電源輸入電壓Ui的一半時，或控制開關K的占空比小于二分之一時：雖然在K接通期間，流過儲能電感L的電流上升率(絕對值)，大于，在K關斷期間，流過儲能電感L的電流上升率(絕對值)；

但由于(1-5)式中i(0)等于0，以及Ton小于Toff，此時，(1-11)式中的iLX會出現負值，即輸出電壓反過來要對電感充電，但由于整流二極管D的存在，這是不可能的，這表示流過儲能電感L的電流提前過0，即有斷流。

在這種情況下，流過儲能電感L的電流iL不是連續電流，開關電源工作于電流不連續狀態，因此，輸出電壓Uo的紋波比較大，且濾波輸出電壓Uo小于濾波輸入電壓uo的平均值Ua。參看圖1-4。

（3）當Ui < 2Uo時，即：濾波輸出電壓Uo大于電源輸入電壓Ui的一半時，或控制開關K的占空比大于二分之一時：在K接通期間，雖然流過儲能電感L的電流上升率（絕對值），小于，在K關斷期間，流過儲能電感L的電流上升率（絕對值）。

但由于Ton大于Toff，（1-5）式中i（0）和（1-11）式中iLX均大于0，即：電感存儲能量每次均釋放不完。在這種情況下，流過儲能電感L的電流iL是連續電流，開關電源工作于連續電流狀態，輸出電壓Uo的紋波比較小，且濾波輸出電壓Uo大于濾波輸入電壓uo的平均值Ua。參看圖1-5。

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