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第3章 自激式开关电源的原理与应用

自激式开关电源利用调整管、变压器辅助绕组构成正反馈通路，实现自激振荡，再借助反馈信号稳定电压输出。由于调整管兼作振荡管，所以无须专设振荡器，故所用的元器件较少，电路简单、成本低，在一定程度上简化了电路。由于自激式开关电源经济实用，目前仍有较多的电子设备采用自激式开关电源，比如手机充电器、打印机、自动化仪器仪表、电视机和显示器等。

本章拟在讲述自激式开关电源基本电路的基础上，以几种变压器耦合型自激式开关电源的电路实例为载体，配合关键点的测试波形，剖析它们的工作原理，希望引领读者进入开关电源的万千世界。

3-1 自激式开关电源的工作原理

3.1.1 自激式开关电源的特点

1．自激式开关电源

现在所有由市电供电的AC-DC设备，几乎全部采用变压器耦合型开关电源，也称为隔离型开关电源。功率管周期性通断，控制开关变压器初级绕组存储输入电源的能量，通过次级绕组进行能量释放。显然，开关电源的输入与输出是通过变压器的磁耦合传递能量的。由于变压器绕组之间是绝缘的，因此初次级绕组完全隔离，即“热地”和“冷地”是绝缘的，且绝缘电阻和抗电强度均可达到很高，这一特点对用电安全尤为重要。

若开关管的激励脉冲是由变压器辅助绕组与开关管构成的正反馈环路自激振荡产生的，称为自激式开关电源。由于自激式开关电源的调整管兼作振荡管，因此无须专设振荡器。除非特别说明，本书讲述的自激式开关电源均是指自激式变压器耦合型开关电源，下面就介绍这方面的知识。

2．自激式开关电源的特点

（1）自激式开关电源结构简单，生产制造成本低廉。

（2）自激式开关电源的脉冲信号是自激振荡产生的，是一种非固定频率的变换电路，随输入电压和负载变化而变化，轻载时开关频率较高或间歇振荡，满载时频率会自动降低。

（3）自激式开关电源在占空比D发生改变时，开关管的IC与UCE相对值发生变化，因此D变化范围较小，一般小于50%。

（4）自激式开关电源具备一定的自保护功能，一旦负载过重，必然破坏反馈条件，振荡将因损耗过大而减少或和间歇振荡，因此保护电路比较简单，这是自激式开关电源的一大优点。

（5）自激式开关电源的电流峰值高、纹波电流大，由于工作频率随输入电压和负载电流变化而变化，在高功率、大电流工作时稳定性差，故仅适宜60W以下的小功率场合。由于许多办公设备、手机充电器和仪器仪表等在这个功率范围之下，故自激式开关电源的使用相当普遍。

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3.1.2 自激式开关电源的工作原理

如图3-1所示为自激式开关电源的基本电路。UI是输入交流电压经整流的直流电压；CI是整流电压的滤波电容；RB是启动电阻；VT是功率开关管；RB、CB与变压器辅助绕组构成VT的振荡电路；T是开关变压器，初绕绕组用于储能及初、次级组能量耦合，辅助绕组产生正反馈信号；整流二极管VD和CO组成整流滤波电路，输出平滑的直流电压UO给负载RL供电。

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图3-1 自激式开关电源的基本电路

初始上电时，电阻RB给VT提供在启动电流开始导通。VT一旦导通，变压器T初级绕组因有电流流过而发生自感，自感电动势的方向阻止电流的增大；另一方面，初级绕组同时与次级绕组、辅助绕组发生互感，次级绕组感应动势的方向使二极管VD反偏，辅助绕组感应动势的方向加速VT导通。当VT趋向于截止时，初级绕组因电流减小而发生自感，自感电动势的方向阻止电流的减小（此时初级绕组与电源电压UI顺向叠加），次级绕组感应动势的方向使二极管VD正偏，辅助绕组感应动势的方向加速VT截止。

电压和电路波形如图3-2所示。VT导通（tON）期间，变压器T初级绕组从电源电压UI蓄积能量；在VT截止（tOFF）期间，变压器T蓄积的能量释放给负载。在VT从导通到截止转换瞬间，变压器初次级绕组依次出现峰值电流I1P、I2P②，见图3-2（a）、（b）所示。初、次级绕组均为脉冲电压，且相位相反，见图3-2（c）、（d）所示。UF为整流二极管导通压降，U2是u2的正脉冲，等于输出直流UO与二极管导通电压UF的叠加。tOFF结束时，变压器初级绕组感应电动势u1自由振荡返回到零。VT基极连接的辅助绕组也称正反馈绕组，因变压器互感产生正反馈 ①②

' 有些文献称之为RCC变换器，RCC指Ringing Choke Converter，即阻尼振荡变换器。 图中I1P、I2P是i1、i2的峰值电流，下标P为peak首字母。 ..

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信号控制VT的通断，即所谓自激振荡。

由上述工作原理可知，自激式开关电源是以功率管和变压器为主要元件组成的开关变换电路，通过自激振荡将直流电变成初级侧的脉冲电压，通过变压器耦合到次级侧，再经二极管整流与电容滤波送往负载电路。在这种电路中，由于功率管起着开关及振荡的双重作用，省去了控制电路，因此电路比较简单。

（a）tON期间

（b）tOFF期间

③

图3-2 电压和电流波形 图3-3 自激式开关电源的等效电路

图3-3所示为自激式开关电源的分时等效电路，L1、L2分别为初、次级绕组的电感。图（a）

tON期间开关管VT导通，T初级绕组两端所加电压为UI，次级侧滤波电容CO放电、电压降低，

供给负载输出电流iO。这期间，变压器T初级绕组从直流电源UI吸收能量、电感励磁；整流二极管VD中无电流，故变压器初、次级绕组无相互作用。

图（b）tOFF期间开关管VT截止，T初级绕组没有电流，故图中未画出。这期间，初级绕组吸收的能量耦合到次级侧，整流二极管VD导通，一边给电容CO充电、电压升高，一边给负载供电，变压器初级绕组释能、电感消磁。 ③

一般来说，开关电源的初级绕组电压高、电流小，次级绕组电压低、电流大，而辅助绕组主要起正反馈控制作用，电压与电流均比较小。 ..