开关电源的基本结构和工作原理

串联反馈型稳压电路由于调整管工作在线性放大区，因此在负载电流较大时，调整管的集电极损耗（PC=VCEIO）相当大，电源效率较低，有时还要配备庞大的散热装置。为了克服上述缺点，可采样串联开关型稳压电路，串联开关型稳压电路中的串联调整管工作在开关状态（即饱和导通和截止两种状态）。由于管子饱和导通时管压降UCES和截止时管子的电流ICEO都很小，管耗主要发生在状态转换过程中，电源效率可提高到80%～90%，所以它的体积小、质量轻。它的主要缺点是输出电压中所含纹波较大。由于优点突出，串联反馈型稳压电路目前应用日趋广泛。

前面所介绍的串联型稳压电路属于线性稳压电路，调整管始终工作于线性放大区，因此自身功率消耗大、效率低。为了解决调整管的散热问题，还要安装散热器，这必然要增大电子设备的体积和质量。

在开关型稳压电路中，调整管工作在开关状态。当其截止前，电流很小，因而管耗很小；当其饱和时，管压降很小，因而管耗也很小。这样就提高了效率，同时可减轻体积和质量。此外，开关型稳压电路更易于实现自动保护，因此在现代电子设备（如电视机、计算机、航天仪器等）中得到了广泛的应用。

图6-15所示为串联开关型稳压电路组成框图，开关调整管V1与负载RL串联。

图6-15　开关型稳压电路原理图

基准电压电路提供稳定的基准电压UR，比较放大器A1对取样电压UF与基准电压UR的差值进行放大，其输出电压UA送到电压比较器A2的同相输入端。振荡器产生一个频率固定的三角波UT，它决定了电源的开关频率。UT送到电压比较器A2的反相输入端，与UA进行比较。当UA＞UT时，A2输出电压UB为高电平，调整管V1饱和导通；当UA＜UT时，输出电压UB为低电平，调整管V1截止。UA、UT和UB波形如图6-16（a）、（b）所示。

图6-16　串联开关型稳压电路波形图

设开关调整管的导通时间为ton，截止时间为toff[图6-16（c）]，脉冲波形的占空比定义为(www.xing528.com)

当开关调整管饱和导通时，忽略饱和压降，UE≈Ui，则输出电压平均值为

电路采用LC滤波，V1为续流二极管。当调整管V1导通时，二极管V2截止；当V1截止时，电感L的自感电动势eL极性如图6-15所示。自感电动势eL加在RL和V2的回路上，二极管V2导通（电容C同时放电），负载RL中继续保持原方向电流。续流滤波波形如图6-16（d）所示。

假设输出电压Uo升高，取样电压同时增大，比较放大器A1输出电压UA下降，调整管V1导通时间ton减小，占空比q减小，输出电压Uo随之减小，结果使Uo基本不变。调节过程可用下式表示：

以上控制过程是在保持调整管开关周期T不变的情况下，通过改变调整管导通时间ton来调节脉冲占空比，从而实现稳压的，故称为脉宽调制式（PWM）稳压电源，简化电路如图6-17所示。

图6-17　串联开关型稳压电路简化电路

开关型稳压电源的最低开关频率fT一般在10～100 kHz。fT越高，需要使用的L、C值越小。这样，系统的尺寸和质量将会减小，成本将随之降低。另外，开关频率的增加将使开关调整管单位时间转换的次数增加，使开关调整管的管耗增加，而效率将降低。