新手福音-开关电源的工作原理

一、开关电源的工作原理
我们通常所接触的、所用的电源中，许多都是开关电源。那么开关电源到底是什么呢？
这个要从电源的发展说起了。
最开始的时候，人们利用的是化学电源，主要是各种原电池。当然，哪个时候电力系统远没有现在这么发达重要。电源主要是供一些物理学家研究电现象使用。
之后，随着电磁转换的深入研究，实现了电-热、电-光、电-动等各种电到其他能量间的转换手段和理论逐步完善，化学电源已经无法满足应用了。于是基于发电机的动-电转换电源开始走上舞台。同我们今天普遍使用的交流电不同的是，起初人们是用直流发电机做电源的。爱迪生和他的同伙们成立了一个电力公司，就是架设的直流输电系统。但是，因为直流电不能方便的转换成各种电压，所以，输电线的电压等级不能过高，导致线路压降过大。当时最远输电不过几英里范围。由此，人们根据变压器原理提出交流输电系统，并迅速推广。有趣的是，当时爱迪生异常顽固的反对交流输电系统，甚至用高压交流电电死一条狗--以此来说明交流输电系统的不安全性。
到今天，电已经深入生产生活的各个角落。可以说，电是人类利用最广泛的二次能源。
由于技术原因，电网的频率通常是50/60HZ。飞机上是400HZ，普遍比较低。主要是因为当时的变压器主要利用铁心制造。而当时的冶金技术还不能制造出在高频下损耗低的材料。
随着半导体业的发展，对电源的要求也越来越高。电压朝着低的方向发展，而体积重量要求也月来越苛刻。
最早采用开关电源的，应该是美国的阿波罗登月计划了。
由此而开启关于开关电源的研究与生产序幕。
在最初电子管时代，就有一些利用气体击穿效应制造的稳压管。属于现代稳压电源的鼻祖。然后也产生了利用电子三极管稳压的一些稳压装置。当时主要是给一些要求严格的电子管电路供电，如飞机的航电系统、雷达系统等等。
随着晶体管时代的到来，电子管电路走向没落。齐纳击穿二极管代替了电子稳压管，晶体三极管代替了电子管。大量线性稳压电路涌现出来，有简单的齐纳二极管稳压电路、射极跟随器、带负反馈调整的稳压电路等等。
但是由于调整管处于线性放大区域，管子两端的压降不能过小，否则电源波动会超出稳压能力。管子耗散的功率=管压降*管子电流（通常比输出电流略大一点点）是很可观的能量损失。并且产生了热需要很大的散热器。有些场合，需要高效率，有些场合需要高稳定性，有些场合又有体积要求（散热器受限制）或是密封等等。
于此，提出了开关电源电路。当时，开关电源电路或多或少的受到一些数字电路的启发。
因为在传统的电源里，体积重量最大的往往是变压器，而减小变压器的直接有效的手段就是提高电源频率。于是各种拓扑结构纷纷被提出。许多电路在今天依然在大量应用。
开关电源是利用半导体器件将直流电源调制成可以通过变压器传递的各种脉冲波形，并且频率远远高于电网频率，发这种高频电流通过体积重量都小很多的高频变压器传递，然后在重新整流滤波作为输出。
由于功率半导体只工作在开通（过饱和）和关断两种状态，故此称为开关电源，国内早期译做斩波电源。
当半导体器件工作在开通和关断状态时，其两端的UI乘积远远小于通常线性状态，所以损失的功率非常小。并且变压器的体积重量也很小，所用材料成本也小很多。
体积小，重量轻，输入电压范围大，效率高是其主要特点。
通过改变直流脉冲的频率、相位、宽度，出现了三种工作模式PFM（ Pulse Frequency Munition）、PPM（Pulse Phase Modulation）、PWM（Pulse-Width Modulation ）。
PFM模式应用的比较早，主要特点是工作频率比较高，所以功率密度大，开关工作于“软开关”状态。所谓软开关是指在半导体开关器件开通或关断前开关器件两端电压或电流处于0状态，此时关，则由于只有电压或电流，故其乘积--开关损耗为零，实际是一个很小值。所以器件工作时，并无多少热量产生，器件寿命得以延长。但是因为开关频率随负载变动，且范围比较大，故后级滤波器比较难设计，部分抵消了他的优势。并且器件的应力也比较大。
PPM模式是通过改变脉冲的相位来工作的。典型电路是各种移相全桥软开关电路。其特点是拓扑结构适合大功率变换，并且容易实现软开关特性。频率固定，控制相对容易。主要应用于各种高功率变换场合从几百到几十千瓦。
PWM模式是通过改变脉冲宽度实现稳压功能的。是目前应用最多，最广泛的一种模式。其特点是控制容易，拓扑选择多，控制电路多，频率固定。在几瓦到几千瓦的范围内都有应用，并且通过适当的辅助电路也可以实现ZC（V）T软开关。
所以，开关电源是指通过改变脉冲的频率、相位、宽度等参数实现稳压输出的一种电源。
下面我们从最基本的PWM电路来分析开关电源的工作状态。
图1-1.1是两个最基本的PWM电路。


左边是基本的BOOST电路（电感升压电路）右边是BUCK电路（电感降压）。升压电路通过电感将电压提升使输出电压大于输入电压。而右边电路是通过电感和电容将脉冲滤波得到输出，故电压低于输入电压。
下面分析几个工作步骤。
首先，根据稳态时电感电流是否连续（就是在一个开关周期内电感电流是否归零，若归零则不连续，也可以根据电容电压是否连续分类，不过通常没有这么做的。因为电压不连续的时候非常非常少见--电容电压通常都是负载电压，如果电容电压不连续则输出电压也将是脉冲波形就不是稳压电源了。）
先分析电感电流连续的情况（右上波形图）
1、T0前开关断开，电感释放先前存储的能量。电感电流下降。负载由电感和电容联合供电。
2、T0时刻开关管闭和，顶部电路的电流按标出的箭头方向流动。电感电流增加，电感储存能量。表达式为dE/dt=（（dI/dt）*（dI/dt））*L）/2既ΔE=ΔI*ΔI*L/2，电容电压增加，存储能量，表达式为ΔE=ΔU*ΔU*C/2。（I电流（安培）L电感量（亨利）U电压（伏特）C电容量（法拉））
3、T1时刻，开关断开，电感释放先前存储的能量。电感电流下降。
4、T2时刻，开关闭合，同T0。
电感电流断续（右中波形图）
1、T0前开关断开，电感电流是0，负载由电容供电。
2、T0时刻，开关闭合，中上部电路的电流按标出的箭头方向流动。电感电流增加，电感储存能量。表达式为dE/dt=（（dI/dt）*（dI/dt））*L）/2既ΔE=ΔI*ΔI*L/2，电容电压增加，存储能量，表达式为ΔE=ΔU*ΔU*C/2。（I电流（安培）L电感量（亨利）U电压（伏特）C电容量（法拉））
3、T1时刻，开关断开，电感释放先前存储的能量。电感电流下降。
4、T2时刻前，电感存储能量释放完毕，电流归零，负载由电容供电。
5、T2时刻，开关闭合，同T0。
右下是电感电流断续、电容电压断续的波形，大家自己分析。
这两个拓扑结构是基本的PWM拓扑，可以通过串联、并联等形式派生出许多拓扑结构。并且通过在适当的地方插入变压器来实现隔离拓扑。
思考：1、图中二极管的作用。2、图中电容的作用。3、图中电感的作用。4、负载一定的情况下，电流连续与断续的条件是什么，同那些器件参数有关。5、电感量、电容量的选择要求是什么。