開關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)（連載11）單激式變壓器開關(guān)電源

1-5．單激式變壓器開關(guān)電源

變壓器開關(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、次級互相隔離，不需共用同一個(gè)地。因此，變壓器開關(guān)電源也有人把它稱為離線式開關(guān)電源。這里的離線并不是不需要輸入電源，而是輸入電源與輸出電源之間沒有導(dǎo)線連接，完全是通過磁場偶合傳輸能量。

變壓器開關(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。

變壓器開關(guān)電源有單激式變壓器開關(guān)電源和雙激式變壓器開關(guān)電源之分，單激式變壓器開關(guān)電源普遍應(yīng)用于小功率電子設(shè)備之中，因此，單激式變壓器開關(guān)電源應(yīng)用非常廣泛。而雙激式變壓器開關(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。

單激式變壓器開關(guān)電源的缺點(diǎn)是變壓器的體積比雙激式變壓器開關(guān)電源的激式變壓器的體積大，因?yàn)閱渭な介_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。

1-5-1．單激式變壓器開關(guān)電源的工作原理

圖1-16-a是單激式變壓器開關(guān)電源的最簡單工作原理圖。圖1-16-a中，Ui是開關(guān)電源的輸入電壓，T是開關(guān)變壓器，K是控制開關(guān)，R是負(fù)載電阻。

當(dāng)控制開關(guān)K接通的時(shí)候，直流輸入電壓Ui首先對變壓器T的初級線圈N1繞組供電，電流在變壓器初級線圈N1繞組的兩端會產(chǎn)生自感電動勢e1；同時(shí)，通過互感M的作用，在變壓器次級線圈N2繞組的兩端也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e2；當(dāng)控制開關(guān)K由接通狀態(tài)突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷狀態(tài)的時(shí)候，電流在變壓器初級線圈N1繞組中存儲的能量（磁能）也會產(chǎn)生反電動勢e1；同時(shí)，通過互感M的作用，在變壓器次級線圈N2繞組中也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e2。

因此，在控制開關(guān)K接通之前和接通之后，在變壓器初、次級線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的電動勢方向是不一樣的。

所謂單激式變壓器開關(guān)電源，是指開關(guān)電源在一個(gè)工作周期之內(nèi)，變壓器的初級線圈只被直流電壓激勵(lì)一次。一般單激式變壓器開關(guān)電源在一個(gè)工作周期之內(nèi)，只有半個(gè)周期向負(fù)載提供功率（或電壓）輸出。當(dāng)變壓器的初級線圈正好被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級線圈也正好向負(fù)載提供功率輸出，這種變壓器開關(guān)電源稱為正激式開關(guān)電源；當(dāng)變壓器的初級線圈正好被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級線圈沒有向負(fù)載提供功率輸出，而僅在變壓器初級線圈的激勵(lì)電壓被關(guān)斷后才向負(fù)載提供功率輸出，這種變壓器開關(guān)電源稱為反激式開關(guān)電源。

圖1-16-b是單激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓的波形，由于輸出電壓是由變壓器的次級輸出，因此，在輸出電壓uo中完全沒有直流成份。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)，為正激式開關(guān)電源；反之，當(dāng)只輸出負(fù)半波電壓時(shí)，為反激式開關(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)，是可以通過調(diào)整變壓器線圈的饒線方向（相位）來改變的。嚴(yán)格地說，只有當(dāng)控制開關(guān)的占空比等于0.5時(shí)，開關(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)的電壓波形相區(qū)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，有些場合在不影響對正、負(fù)半波電壓的理解時(shí)，或占空比不確定時(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，控制開關(guān)K接通，輸入電源Ui開始對變壓器初級線圈N1繞組加電，電流從變壓器初級線圈N1繞組的兩端經(jīng)過，通過電磁感應(yīng)會在變壓器的鐵心中產(chǎn)生磁場，并產(chǎn)生磁力線；同時(shí)，在初級線圈N1繞組的兩端要產(chǎn)生自感電動勢E1，在次級線圈N2繞組的兩端也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e2；感應(yīng)電動勢e2作用于負(fù)載R的兩端，從而產(chǎn)生負(fù)載電流。因此，在初、次級電流的共同作用下，在變壓器的鐵心中會產(chǎn)生一個(gè)由流過變壓器初、次級線圈電流產(chǎn)生的合成磁場，這個(gè)磁場的大小可用磁力線通量（簡稱磁通量），即磁力線的數(shù)目ф來表示。

ф= ф 1－ф2 —— K接通期間 （1-60）

其中變壓器初級線圈電流產(chǎn)生的磁通 ф1還可以分成兩個(gè)部分，一部分用來抵消變壓器次級線圈電流產(chǎn)生的磁通 ф2，記為 ф10，另一部分是由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通，記為фΔ 1。顯然 ф10 =－ ф2，фΔ 1 =ф 。即：變壓器鐵心中產(chǎn)生的磁通量 ，只與流過變壓器初級線圈中的勵(lì)磁電流有關(guān)，與流過變壓器次級線圈中的電流無關(guān)；流過變壓器次級線圈中的電流產(chǎn)生的磁通，完全被流過變壓器初級線圈中的另一部分電流產(chǎn)生的磁通抵消。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律可以對變壓器初級線圈N1繞組回路列出方程：
e1 = N1*dф/dt = Ui —— K接通期間 （1-61）
同樣，可以對變壓器次級線圈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為正激式開關(guān)電源變壓器次級輸出電壓的幅值（圖1-16-b中正半周）；Ui為正激式開關(guān)電源變壓器初級線圈N1繞組的輸入電壓；n為變壓比，即：開關(guān)變壓器次級線圈輸出電壓與初級線圈輸入電壓之比，n也可以看成是開關(guān)變壓器次級線圈N2繞組與初級線圈N1繞組的匝數(shù)比，即：n = N2/N1。

由此可知，在控制開關(guān)K接通期間，正激式開關(guān)電源變壓器次級輸出電壓的幅值只與輸入電壓和變壓器的次/初級變壓比有關(guān)。