鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：833次 | 2020年05月19日
一款單激式變壓器開(kāi)關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)
變壓器開(kāi)關(guān)電源的最大優(yōu)點(diǎn)是，變壓器可以同時(shí)輸出多組不同數(shù)值的電壓，改變輸出電壓和輸出電流很容易，只需改變變壓器的匝數(shù)比和漆包線截面積的大小即可;另外，變壓器初、次級(jí)互相隔離，不需共用同一個(gè)地。因此，變壓器開(kāi)關(guān)電源也有人把它稱為離線式開(kāi)關(guān)電源。這里的離線并不是不要輸入電源，而是輸入電源與輸出電源之間沒(méi)有導(dǎo)線連接，完全是通過(guò)磁場(chǎng)偶合傳輸能量。
變壓器開(kāi)關(guān)電源采用變壓器把輸入輸出進(jìn)行電器隔離的最大好處是，提高設(shè)備的絕緣強(qiáng)度，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還可以減輕EMI干擾，并且還容易進(jìn)行功率匹配。
變壓器開(kāi)關(guān)電源有單激式變壓器開(kāi)關(guān)電源和雙激式變壓器開(kāi)關(guān)電源之分，單激式變壓器開(kāi)關(guān)電源普遍應(yīng)用于小功率電子設(shè)備之中，因此，單激式變壓器開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用非常廣泛。而雙激式變壓器開(kāi)關(guān)電源一般用于功率較大的電子設(shè)備之中，并且電路一般也要復(fù)雜一些。
單激式變壓器開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)是變壓器的體積比雙激式變壓器開(kāi)關(guān)電源的激式變壓器的體積大，因?yàn)閱渭な介_(kāi)關(guān)電源的變壓器的磁芯只工作在磁回路曲線的單端，磁回路曲線變化的面積很小。
單激式變壓器開(kāi)關(guān)電源的工作原理
圖1-16-a是單激式變壓器開(kāi)關(guān)電源的最簡(jiǎn)單工作原理圖。圖1-16-a中，Ui是開(kāi)關(guān)電源的輸入電壓，T是開(kāi)關(guān)變壓器，K是控制開(kāi)關(guān)，R是負(fù)載電阻。
因此，在控制開(kāi)關(guān)K接通之前和接通之后，在變壓器初、次級(jí)線圈中感應(yīng)出現(xiàn)的電動(dòng)勢(shì)方向是不相同的。
所謂單激式變壓器開(kāi)關(guān)電源，是指開(kāi)關(guān)電源在一個(gè)工作周期之內(nèi)，變壓器的初級(jí)線圈只被直流電壓激勵(lì)一次。一般單激式變壓器開(kāi)關(guān)電源在一個(gè)工作周期之內(nèi)，只有半個(gè)周期向負(fù)載供應(yīng)功率(或電壓)輸出。當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈正好被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線圈也正好向負(fù)載供應(yīng)功率輸出，這種變壓器開(kāi)關(guān)電源稱為正激式開(kāi)關(guān)電源；當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈正好被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線圈沒(méi)有向負(fù)載供應(yīng)功率輸出，而僅在變壓器初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓被關(guān)斷后才向負(fù)載供應(yīng)功率輸出，這種變壓器開(kāi)關(guān)電源稱為反激式開(kāi)關(guān)電源。
圖1-16-b是單激式變壓器開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的波形，由于輸出電壓是由變壓器的次級(jí)輸出，因此，在輸出電壓uo中完全沒(méi)有直流成份。輸出電壓正半波的面積與負(fù)半波的面積完全相等，這是單激式變壓器開(kāi)關(guān)電源輸出電壓波形的特點(diǎn)。圖1-16-b中，當(dāng)只輸出正半波電壓時(shí)，為正激式開(kāi)關(guān)電源;反之，當(dāng)只輸出負(fù)半波電壓時(shí)，為反激式開(kāi)關(guān)電源。
順便指出，圖1-16-b中變壓器輸出電壓波形極性的正負(fù)，是可以通過(guò)調(diào)整變壓器線圈的饒線方向(相位)來(lái)改變的。嚴(yán)格地說(shuō)，只有當(dāng)控制開(kāi)關(guān)的占空比等于0.5時(shí)，開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓才能稱為正、負(fù)半周電壓，但由于人們已習(xí)慣了正、負(fù)半周的叫法，所以，只要是有正、負(fù)電壓輸出的電源，我們還是習(xí)慣地把它們稱為正、負(fù)半周。但為了與占空比不等于0.5時(shí)的電壓波形相差別，我們有時(shí)特別把占空比不等于0.5時(shí)的電壓波形稱為正、負(fù)半波。因此，有些場(chǎng)合在不影響對(duì)正、負(fù)半波電壓的理解時(shí)，或占空比不確按時(shí)，我們也習(xí)慣地把正、負(fù)半波稱為正、負(fù)半周。
圖1-16-a中，在Ton期間，控制開(kāi)關(guān)K接通，輸入電源Ui開(kāi)始對(duì)變壓器初級(jí)線圈N1繞組加電，電流從變壓器初級(jí)線圈N1繞組的兩端經(jīng)過(guò)，通過(guò)電磁感應(yīng)會(huì)在變壓器的鐵心中出現(xiàn)磁場(chǎng)，并出現(xiàn)磁力線;同時(shí)，在初級(jí)線圈N1繞組的兩端要出現(xiàn)自感電動(dòng)勢(shì)E1，在次級(jí)線圈N2繞組的兩端也會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2；感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2用途于負(fù)載R的兩端，從而出現(xiàn)負(fù)載電流。因此，在初、次級(jí)電流的共同用途下，在變壓器的鐵心中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)由流過(guò)變壓器初、次級(jí)線圈電流出現(xiàn)的合成磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)的大小可用磁力線通量(簡(jiǎn)稱磁通量)，即磁力線的數(shù)目ф來(lái)表示。
ф=ф1-ф2——K接通期間(1-60)
其中變壓器初級(jí)線圈電流出現(xiàn)的磁通ф1還可以分成兩個(gè)部分，一部分用來(lái)抵消變壓器次級(jí)線圈電流出現(xiàn)的磁通ф2，記為ф10，另一部分是由勵(lì)磁電流出現(xiàn)的磁通，記為фΔ1。顯然ф10=-ф2，фΔ1=ф。即：變壓器鐵心中出現(xiàn)的磁通量，只與流過(guò)變壓器初級(jí)線圈中的勵(lì)磁電流有關(guān)，與流過(guò)變壓器次級(jí)線圈中的電流無(wú)關(guān);流過(guò)變壓器次級(jí)線圈中的電流出現(xiàn)的磁通，完全被流過(guò)變壓器初級(jí)線圈中的另一部分電流出現(xiàn)的磁通抵消。
根據(jù)電磁感應(yīng)定律可以對(duì)變壓器初級(jí)線圈N1繞組回路列出方程：
e1=N1*dф/dt=Ui——K接通期間(1-61)
同樣，可以對(duì)變壓器次級(jí)線圈N2繞組回路列出方程：
e2=N2*dф/dt=Up——K接通期間(1-62)
根據(jù)(1-61)和(1-62)可以求得：
Up=e2=n*E1=n*Ui——K接通期間(1-63)
上式中，Up為正激式開(kāi)關(guān)電源變壓器次級(jí)輸出電壓的幅值(圖1-16-b中正半周);Ui為正激式開(kāi)關(guān)電源變壓器初級(jí)線圈N1繞組的輸入電壓;n為變壓比，即：開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈輸出電壓與初級(jí)線圈輸入電壓之比，n也可以看成是開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)線圈N2繞組與初級(jí)線圈N1繞組的匝數(shù)比，即：n=N2/N1。
由此可知，在控制開(kāi)關(guān)K接通期間，正激式開(kāi)關(guān)電源變壓器次級(jí)輸出電壓的幅值只與輸入電壓和變壓器的次/初級(jí)變壓比有關(guān)。
