电子设备普遍需要直流电源，除一些小型、便携式设备外，其需要的电能多取自工频交流电源。在开关电源出现之前的电源设备为线形电源，其基本结构如图6-22所示。交流电进入电源设备后，先经过工频电源变压器降压，然后整流滤波，得到比较平稳的直流电压，但这个电压会随交流电源的波动和负载的变化而变化。为了稳定输出直流电压，还要有稳压电路。线性电源的稳压电路是串联在输出电路中的一个大功率晶体管，叫做调整管。在控制电路的调节下，根据输出电压的变化情况晶体管的电压随时变化。由于调整管与负载是串联的，改变调整管的电压可以使负载电压稳定在某要求的数值上。线性电源有两个严重的缺点，其一是要有电源变压器，使整个电源电路体积、重量都难以减小，不可能作到小型化。另一个缺点是调整管串联在电路中，其电流等于或大于负载电流，其两端的电压为整流输出和负载电压之差，因此会消耗大量的功率。 负载
市
电
图6-22 线性电源的结构
开关电源为以电力电子开关器件为核心的稳压电源，从根本上克服了线性电源的上述两个缺点，可以使电源设备作到小型化、低功耗，并且与线性电源相比，允许交流电源的电压波动范围更宽。更适合电子设备对电源的要求，特别适合于在现代电子设备中使用。
6.5.1开关电源的结构
大部分常用的开关电源是为电子设备提供直流电源供电，电子设备所需要的直流电压一般都在几伏到十几伏的范围，而交流市电电源供给的电压为220V （110V ），频率为50Hz （60Hz ）。开关电源的作用就是把一个高电压等级的工频交流电变换成一个低电压等级的直流电。开关电源的基本结构如图6-23所示。
市电电源
负
载图6-23 开关电源的结构
工频交流电进入开关电源后被直接整流，因此省去了体积大、重量大的工频整流变压器。整流器输出为电压很高的直流电，如果整流后的电压经电容滤波，电压的平均值为300V~310V。高电压等级的直流电送往逆变器的输入端，经逆变器变换，变为高电压、高频交流电，目前开关电源逆变器的变换工作频率在几十到几百KHz范围。逆变器输出的交流电能接高频降压变压器的原边，由于经逆变器产生
的高频交流电的频率比工频高得多，所以高频变压器的体积要比同容量的工频变压器小得多，从根本上减小了整个电源的体积和重量。逆变器产生的高频交流电经高频变压器降压后，在经过整流、稳压等环节，变换出符合负载要求的低压直流电能，供给负载。从开关电源的结构中可以看出，电路中没有调整管，不会消耗额外的能量，所有电子器件都工作在开关状态，如果忽略开关器件的导通压降和电路的杂散电阻，电路的效率应为1。
6.5.2 开关电源的整流电路
在开关电源中有两个整流电路，其一是直接与市电电源连接的工频整流电路，另一个是对变压器次级高频电压进行整流的电路。两者的电压大小、工作频率有很大的差别，所以对整流器件的要求也有很大的不同。
1.工频整流和滤波电路
工频整流电路一般为不可控整流电路，根据电源容量的大小，可以是单相整流，一般选用单相桥式结构，大容量的开关电源可用三相交流电源，整流电路可用三相半波和三相桥式不可控整流电路。整流电路中二极管额定电压和通态平均电流的选取与一般整流电路相同。小功率单相整流电路可用全桥或半桥整流模块。整流器件在满足额定电压和通态平均电流的前提下没有其它特殊的要求。
二极管整流后的滤波电路为电容滤波，使用大容量的电解电容一般几百、几千μF甚
至更大。因为大容量的电解电容都存在者较大的等效电感，对于高频电流成分的通过有较大的阻碍作用，所以经常有一个容量较小的其它结构的电容与电解电容并联，为电流中的高频成分提供通路，改善滤波效果。现在的一些新型开关电源的工频整流电路采用高频整流这种全新的形式，有兴趣的读者可阅读有关资料。
2. 半波、全波和桥式整流
悲兮魔兽输出端的整流电路是把来自高频变压器次级的电压转换为直流，所用的整流器件必须对频率的要求。整流电路的接线形式与变换器的形式有关。一些小功率的开关电源，采用单端电路，即单端正激式和单端反激式（回扫式），此时整流电路只能用半波整流结构，因为变换器只有半个周期输出能量。
乙烯利
+V
直
流
输
出直流输出（a ）单端正激（b ）单端反激
图6-24 单端变换器的半波整流电路
如果开关电源中的逆变电路为桥式、半桥式或推挽式，逆变器生成的交流电压在两个半周中都向外输出能量，所以整流电路应采用全波整流或桥式整流。全波整流需要变压器的次级绕组中设中心抽头，并且要求两半的绕组尽量对称，对于工频变压器制作起来比较麻烦，所以工频整流电路中一般不采用全波整流形式。但是工作频率达到20KHz 以上的高频变压器一般绕组匝数比较少，结构比较简单，增
加中心抽头比较容易，而且全波整流与桥式整流效果相同却减少了两个二极管，所以这种形式较常用。全波整流电路原理图如图6-25。
逆
变
电
路
图6-25 全波整流电路
3.倍流整流
在开关电源的高频整流电路中，还有一种倍流整流电路被采用，电路原理图如图6-26（a）所示。
i
i
(a)电路原理图(b)波形图
O
-
图6-26 倍流整流电路
设变压器次级电压u2为方波，在电路稳定工作状态电感L1和L2中电流保持连续。其工作原理分析如下。在图中的t0~t1段，变压器次级电压u2为正，二极管VD1导通，电路中有两个导电回路，其一是VD1→负载→L2→变压器次级→VD1。另一条是VD1→负载→L1→VD1。由于L2回路中有电源，L2从电源u2获得能量，所以i L2线性上升。L1的回路中没有电源，L1释放能量，使得i L1下降。如果此时变压器次级电压的幅度为U2，则电感L2中的电压为u L2=U2-U O，电感L1中的电压为u L1=U O。此阶段的持续时间为t on。
当变压器次级电压u2为0时，由于电感的储能作用，i L1、i L2都不为0，分别通过VD1、VD2与负载形成回路，由于电感释放能量，i L1、i L2线性下降。此过程对应图中的t1~t2段，持续时间为t off。此阶段u L2=u L2=U O。
在图中的t2~t3段，变压器次级电压为负，电路中有形成两个回路，第一个回路的路径为VD2→负载→L1→变压器次级→VD2，L2从电源u2中获取能量，使得i L1上升。另一个回路为VD2→负载→L2→
VD2，这个回路为L2释放能量的通路，i L2下降。此过程对应图中的t2~t3段。此过程中变压器次级电压为-U2，电感L1中的电压为u L1=U2-U O，电感L2中的电压为u L2=U O。
从t3到t4这段时间，变压器次级电压有变成0，L1、L2中储存的能量分别通过VD1和VD2向负载释放，i L1、i L2线性下降。此过程与t1~t2段完全相同，u L2=u L2=U O。
根据电感两端无直流电压降的原则，下式应该成立中国梦想秀2012
李真案off
O
on
O
t
U
t
U
U=
−)
(
2
（6.7）
令工作周期T S 为
off on S t t T += （6.8）
占空比为
S
on T t D = （6.9） 负载电压U O 与变压器次级电压的幅度U 2之间的关系为
2DU U O = （6.10）
倍流整流电路的两个电感中始终有电流同时供给负载，所以比同容量的桥式整流电路有更强的电流输出能力。就电感来看，当其与电源、负载串联形成回路时，电感从电源获得能量的补充，此时电源在补充电感能量的同时还向负载供应能量。当电感仅与负载形成回路时，电感向负载释放能量。倍流整流电路的主回路也为桥式结构，但是任何导通回路都只有一个二极管串联其中，而不象一般桥式电路那样有两个二极管串联在回路中，因此由于二极管导通压降造成的电压损失更小。在输出电压低、电流大的工作状态，可以大大地减少功率损耗提高效率。
4.同步整流
同步整流的目的是尽可能地减少整流器件的通态压降造成的整流电压的损失。前面讲到的倍流整流能够减少整流元件的直流电压降，但整流回路中仍串联一个导通着的二极管。如果输出电压比较高，这个压降比输出电压小得多，是不会造成很大的不良影响的。但在一些输出电压很低、输出电流又很大的场合，即使二极管的导通压降仅有零点几伏也会造成很大的功率损耗。因此寻一种导通压降小的整流器件对降低电源的供耗是非常有利的。低电压的MOSFET 的导通压降比二极管要低得多，用来做整流器件可以达到上述目的。图6-27是用低电压MOSFET 组成的全波式整流电路，用低电压MOSFET 也可以组成其它类型的整流电路，如半波、倍流等。
迷惘的一代图6-27 用MOSFET 组成的整流电路
MOSFET为可控器件，用其进行整流必须配以相应的控制和驱动电路。对于全波整流，简单的方法是直接在变压器的次级增加绕组，如图6-28（a）所示。在普通全波整流变压器次级绕组的基础上再增加两个绕组，同名端如图，在变压器次级电压为正时，所有绕组的“•”端为正，最上部的绕组为VT1提供驱动电压使其导通，加在VT2栅极和源极之间的绕组为VT2的栅极加反向电压，VT2不能导通。同样，当变压器次级电压为负时，各绕组的“•”端为负，VT2的栅极获得正向驱动电压而导通，VT1栅极的电压为负，不能导通。这种驱动方式MOSFET的驱动信号与变压器次级电压保持严格地同步，效果很好，另外这种电路结构简单所以常被设计者采用。
(a)全波整流(b)倍流整流
图6-28 同步整流的驱动
图6-28（b）是倍流整流电路的MOSFET驱动电路，两个MOSFET的栅极电压分别取自变压器次级绕组的两端，当该变压器次级绕组上端电压为正时，经电阻R2、稳压管VW2为VT2提供正向栅极电压，使其导通。此时VT1的栅极为负电压，不能导通。如果变压器次级电压下端为正，VT1导通，VT2截止。
5.6.3 开关电源的逆变电路
开关电源中的一个重要的能量转换环节是把工频整流后得到的直流电由电子开关变换成负载需要的直流电。实现这种变换可以有不同的电路结构。一些小功率的开关电源是通过单端式DC-DC变换器来实现的，如第四章介绍的单端正激、单端反激式直流变换器，属于斩波器的内容。这类电路没有专门的逆变电路，而高频整流电路也属于DC-DC变换器的一部分。但多数开关电源的主电路中，工频整流滤波之后有一个逆变电路，将高压直流电能
变电工程
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