开关电源的基本工作原理

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：
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。
图1-2是在图1-1-a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继续向负载r提供能量输出；c是储能滤波电容，它的作用是在控制开关k接通期间ton把流过储能电感l的部分电流转化成电荷进行存储，然后在控制开关k关断期间toff把电荷转化成电流继续向负载r提供能量输出；d是整流二极管，主要功能是续流作用，故称它为续流二极管，其作用是在控制开关关断期间toff，给储能滤波电感l释放能量提供电流通路。
在控制开关关断期间toff，储能电感l将产生反电动势，流过储能电感l的电流il由反电动势el的正极流出，通过负载r，再经过续流二极管d的正极，然后从续流二极管d的负极流出，最后回到反电动势el的负极。
对于图1-2，如果不看控制开关k和输入电压ui，它是一个典型的反г 型滤波电路，它的作用是把脉动直流电压通过平滑滤波输出其平均值。
图1-3、图1-4、图1-5分别是控制开关k的占空比d等于0.5、《 0.5、》 0.5时，图1-2电路中几个关键点的电压和电流波形。图1-3-a）、图1-4-a）、图1-5-a）分别为控制开关k输出电压uo的波形；图1-3-b）、图1-4-b）、图1-5-b）分别为储能滤波电容两端电压uc的波形；图1-3-c）、图1-4-c）、图1-5-c）分别为流过储能电感l电流il的波形。