開關電源原理與設計（連載五）反轉式串聯(lián)開關電源

1-3.反轉式串聯(lián)開關電源

1-3-1.反轉式串聯(lián)開關電源的工作原理

圖1-7是另一種串聯(lián)式開關電源，一般稱為反轉式串聯(lián)開關電源。這種反轉式串聯(lián)開關電源與一般串聯(lián)式開關電源的區(qū)別是，這種反轉式串聯(lián)開關電源輸出的電壓是負電壓，正好與一般串聯(lián)式開關電源輸出的正電壓極性相反;并且由于儲能電感L只在開關K關斷時才向負載輸出電流，因此，在相同條件下，反轉式串聯(lián)開關電源輸出的電流比串聯(lián)式開關電源輸出的電流小一倍。

在一般電路中大部分都是使用單極性電源，但在一些特殊場合，有時需要兩組電源，其中一組為負電源。因此，選用圖1-7所示的反轉式串聯(lián)開關電源作為負電源是很方便的。

圖1-7中，Ui為輸入電源，K為控制開關，L為儲能電感，D為整流二極管，C為儲能濾波電容，R為負載電阻。當控制開關K接通的時候，輸入電源Ui開始對儲能電感L加電，流過儲能電感L的電流開始增加，同時電流在儲能電感中也要產生磁場;當控制開關K由接通轉為關斷的時候，儲能電感會產生反電動勢，使電流繼續(xù)流動，并通過整流二極管D進行整流，再經電容儲能濾波，然后向負載R提供電流輸出?？刂崎_關K不斷地反復接通和關斷過程，在負載R上就可以得到一個負極性的電壓輸出。

圖1-8、圖1-9、圖1-10分別是控制開關K的占空比D等于0.5、 0.5、> 0.5時，圖1-7電路中幾個關鍵點的電壓和電流波形。圖1-8-a)、圖1-9-a)、圖1-10-a)分別為控制開關K輸出電壓uo的波形;圖1-8-b)、圖1-9-b)、圖1-10-b)分別為儲能濾波電容兩端電壓uc的波形;圖1-8-c)、圖1-9-c)、圖1-10-c)分別為流過儲能電感L電流iL的波形。應該特別注意的是，圖1-8-c)、圖1-9-c)、圖1-10-c)中的電流波形按原理應該取負值，但取負值后與前面圖1-5與圖1-6對比反而覺得不好對比和分析，因此，當進行具體計算時，一定要注意電流和電壓的方向。

在開關接通Ton期間，控制開關K接通，電源Ui開始對儲能電感L供電，在此期間儲能電感L兩端的電壓eL為：

eL = Ldi/dt = Ui —— K接通期間 (1-19)

對(1-19)式進行積分得：

式中iL為流過儲能電感L電流的瞬時值，t為時間變量;i(0)為的初始電流，即：控制開關K接通瞬間之前，流過儲能電感L中的電流。當開關電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)時，i(0) = 0 ，由此可以求得流過儲能電感L的最大電流為：

iLm =Ui/L *Ton —— K關斷前瞬間 (1-21)

在開關關斷Toff期間，控制開關K關斷，儲能電感L把電流iLm轉化成反電動勢，通過整流二極管D繼續(xù)向負載R提供能量，在此期間儲能電感L兩端的電壓eL為：

eL = Ldi/dt = – Uo —— K關斷期間 (1-22)

式中–Uo前的負號，表示K關斷期間電感產生電動勢的方向與K接通期間電感產生電動勢的方向正好相反。對(1-22)式進行積分得：

式中i(Ton+)為控制開關K從Ton轉換到Toff的瞬間之前流過電感的電流，i(Ton+)也可以寫為i(Toff-)，即：控制開關K關斷或接通瞬間，之前和之后流過電感L的電流相等。實際上(1-23)式中的i(Ton+)就是(1-21)式中的iLm，即：

i(Ton+) = iLm —— K關斷前瞬間 (1-24)

因此，(1-9)式可以改寫為：

iL =( Uo/L) *t + iLm —— K關斷期間 (1-25)

當t = Toff時iL達到最小值。其最小值為：

iLX = (Uo/L)*Toff + iLm —— K接通前瞬間 (1-26)

反轉式串聯(lián)開關電源輸出電壓一般為負脈沖的幅值。當開關電源工作于臨界連續(xù)電流狀態(tài)時，流過儲能電感的初始電流i(0)等于0(參看圖1-8-a))，即：(1-26)式中流過儲能電感電流的最小值iLX等于0。因此，由(1-21)和(1-26)式，可求得反轉式串聯(lián)開關電源輸出電壓Uo為：

由(1-27)式可以看出，反轉式串聯(lián)開關電源輸出電壓與輸入電壓與開關接通的時間成正比，與開關關斷的時間成反比。

另外，從圖1-8可以看出，由于反轉式串聯(lián)開關電源，僅當控制開關K關斷期間才產生反電動勢向負載提供能量。因此，當占空比為0.5時，輸出電流的平均值Io為流過儲能電感電流最大值的四分之一;當占空比小于0.5時，輸出電流的平均值Io小于流過儲能電感電流最大值的四分之一(圖1-9);當占空比大于0.5時，輸出電流的平均值Io大于流過儲能電感電流最大值的四分之一(圖1-10)。