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1开关电源原理与设计前言电子创新网设计联谊会上（当时还叫IC设计荔枝节），陶先生当时主持一个会场讨论，其犀利诙谐的言论吸引了所有与会者，也包括我这个对本土IC设计不甚了解的门外汉，从那以后，与陶先生结下友谊，对陶先生印象最深的是其古道热肠和渊博的知识，作为留学德国的高材生，陶先生在射频、电子系统设计方面积累深厚的经验，在我担任电子工程专辑网站主编期间，陶先生经常撰写技术文章，其文章点击率经常创下记录，2007年，他的《为什么大学毕业生工作难找？》的文章一发表就受到各个媒体的转载，引起强烈反响，现在，当我们回读这篇文章，陶显芳先生当时的分析无不一一得到印证。创办电子创新网以后，陶先生也是鼎立支持，在电子创新网上首发了很多非常有分量的文章，《开关电源原理与设计》一书本是陶先生准备出版的图书，此书从理论深度分析开关电源的原理，书中很多公式均由陶先生自己推导得出，且内容由浅入深，非常适合工程师朋友学习。在国内开关电源书籍中可算是位列第一的奇书，此书经我看后，即被约来发表，电子创新网也成为此书唯一授权发表媒体，陶先生淡泊名利，唯希望此书可以给本土工程师电源设计上更多帮助，在此，衷心地感谢陶先生无私地奉献！此书目前以博文连载形式在电子创新网发表，陶先生也经常在博客中回答网友的提问，如果想了解最新内容可以登陆电子创新网查看。我们会将每章作为独立的电子书编辑后登出，供工程师朋友下载。张国斌《开关电源原理与设计》电子书主编电子创新网CEO开关电源原理与设计前言电子创新网作者简介陶显芳先生简历：毕业于大连理工大学，1988年经电子部选拔，由国家经委派送，德国企业界资助(中德政府签订的150个专家学者到德进修学习项目)，赴德国CDC(CARDUISBERGCENTER)和SIEMENS等大学、企业进修学习(18个月)。参与开发的651甲、970、713雷达被中国科学大会授予科学进步奖；是康佳技术开发中心的创始人和技术带头人，开发的KK953P型彩电获全国彩电性能指标评比第一名。拥有多项国家级发明专利。现为康佳集团彩电技术开发中心总体技术设计所所长/高级工程师，“中国管理科学研究院”特约研究员，深圳市计算机协会第六届副会长。陶先生在创新网上的博客地址开关电源原理与设计目录4电子创新网目录前言••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••2第1章、开关电源的基本工作原理•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••61.1几种基本类型的开关电源•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••61.2串联式开关电源•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••61.2.1串联式开关电源的工作原理••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••61.2.2串联式开关电源输出电压滤波电路••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••71.2.3串联式开关电源储能滤波电感的计算•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••121.2.4串联式开关电源储能滤波电容的计算•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••131.3反转式串联开关电源•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••151.3.1反转式串联开关电源的工作原理••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••151.3.2反转式串联开关电源储能电感的计算•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••181.3.3反转式串联开关电源储能滤波电容的计算••••••••••••••••••••••••••••••••••••191.4并联式开关电源••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••201.4.1并联式开关电源的工作原理•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••211.4.2并联式开关电源输出电压滤波电路•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••221.4.3并联开关电源储能电感的计算••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••261.4.4并联式开关电源储能滤波电容的计算•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••271.5单激式变压器开关电源••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••281.5.1单激式变压器开关电源的工作原理•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••281.6正激式变压器开关电源••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••341.6.1正激式变压器开关电源工作原理••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••341.6.2正激式变压器开关电源的优缺点••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••371.6.3正激式变压器开关电源电路参数计算•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••391.7反激式变压器开关电源工作原理•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••43开关电源原理与设计目录5电子创新网反激式变压器开关电源工作原理••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••431.7.2开关电源电路的过渡过程•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••481.7.3反激式变压器开关电源电路参数计算•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••531.7.4反激式变压器开关电源的优缺点••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••581.8双激式变压器开关电源•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••591.8.1推挽式变压器开关电源的工作原理•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••601.8.2半桥式变压器开关电源•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••791.8.3全桥式变压器开关电源••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••101开关电源原理与设计第一章开关电源的基本工作原理6电子创新网几种基本类型的开关电源顾名思义，开关电源就是利用电子开关器件（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），通过控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。开关电源一般有三种工作模式：频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作模式多用于开关稳压电源。另外，开关电源输出电压也有三种工作方式：直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。同样，前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作方式多用于开关稳压电源。根据开关器件在电路中连接的方式，目前比较广泛使用的开关电源，大体上可分为：串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。其中，变压器式开关电源（后面简称变压器开关电源）还可以进一步分成：推挽式、半桥式、全桥式等多种；根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分成：正激式、反激式、单激式和双激式等多种；如果从用途上来分，还可以分成更多种类。下面我们先对串联式、并联式、变压器式等三种最基本的开关电源工作原理进行简单介绍，其它种类的开关电源也将逐步进行详细分析。1.2串联式开关电源1.2.1串联式开关电源的工作原理图1.1.a是串联式开关电源的最简单工作原理图，图1.1.a中Ui是开关电源的工作电压，即：直流输入电压；K是控制开关，R是负载。当控制开关K接通的时候，开关电源就向负载R输出一个脉冲宽度为Ton，幅度为Ui的脉冲电压Up；当控制开关K关断的时候，又相当于开关电源向负载R输出一个脉冲宽度为Toff，幅度为0的脉冲电压。这样，控制开关K不停地“接通”和“关断”，在负载两端就可以得到一个脉冲调制的输出电压uo。图1.1.b是串联式开关电源输出电压的波形，由图中看出，控制开关K输出电压uo是一个脉冲调制方波，脉冲幅度Up等于输入电压Ui，脉冲宽度等于控制开关K的接通时间Ton，由此可求得串联式开关电源输出电压uo的平均值Ua为：开关电源原理与设计第一章开关电源的基本工作原理7电子创新网接通的时间，T为控制开关K的工作周期。改变控制开关K接通时间Ton与关断时间Toff的比例，就可以改变输出电压uo的平均值Ua。一般人们都把称为占空比（Duty），用D来表示，即：或串联式开关电源输出电压uo的幅值Up等于输入电压Ui，其输出电压uo的平均值Ua总是小于输入电压Ui，因此，串联式开关电源一般都是以平均值Ua为变量输出电压。所以，串联式开关电源属于降压型开关电源。串联式开关电源也有人称它为斩波器，由于它工作原理简单，工作效率很高，因此其在输出功率控制方面应用很广。例如，电动摩托车速度控制器以及灯光亮度控制器等，都是属于串联式开关电源的应用。如果串联式开关电源只单纯用于功率输出控制，电压输出可以不用接整流滤波电路，而直接给负载提供功率输出；但如果用于稳压输出，则必须要经过整流滤波。串联式开关电源的缺点是输入与输出共用一个地，因此，容易产生EMI干扰和底板带电，当输入电压为市电整流输出电压的时候，容易引起触电，对人身不安全。1.2.2串联式开关电源输出电压滤波电路大多数开关电源输出都是直流电压，因此，一般开关电源的输出电路都带有整流滤波电路。图1.2是带有整流滤波功能的串联式开关电源工作原理图。开关电源原理与设计第一章开关电源的基本工作原理8电子创新网电路的基础上，增加了一个整流二极管和一个LC滤波电路。其中L是储能滤波电感，它的作用是在控制开关K接通期间Ton限制大电流通过，防止输入电压Ui直接加到负载R上，对负载R进行电压冲击，同时对流过电感的电流iL转化成磁能进行能量存储，然后在控制开关K关断期间Toff把磁能转化成电流iL继