开关电源原理与设计（连载九）并联式开关电源输出电压滤波电路 开关电源, 工作原理, 直流电, 连载

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1-4-2.并联式开关电源输出电压滤波电路
上面已经知道，当并联式开关电源不带输出电压滤波电路时，输出脉冲电压的幅度将非常高。但在应用中，大多数并联式开关电源输出电压还是经过整流滤波后的直流电压，因此，一般开关电源的输出电路都带有整流滤波电路。
图1-12是带有整流滤波功能的并联式开关电源工作原理图。图1-12中，Ui是开关电源的工作电压，L是储能电感，eL为电流iL在储能电感两端产生的反电动势，K是控制开关，R是负载。而图1-13、图1-14、图1-15分别是并联式开关电源控制开关K工作于占空比为0.5、< 0.5、> 0.5时，图1-12电路中各点的电压、电流波形。图图1-13、图1-14、图1-15中Ui是开关电源的输入电压，uo是控制开关K两端的输出电压，uc是滤波电容两端的输出电压，Up是开关电源输出的峰值电压，Uo是开关电源输出电压(平均值)，Ua是开关电源输出的平均电压，iL是流过储能电感L的电流，iLm是流过储能电感L电流的最大值，Io是流过负载R的电流(平均值)。


当控制开关K接通时，输入电源Ui开始对储能电感L加电，流过储能电感L的电流iL开始增加，同时电流在储能电感中也要产生反电动势eL;当控制开关K由接通转为关断的时候，储能电感也会产生反电动势eL。eL反电动势的方向与开关K关断前的方向相反，但与电流的方向相同，因此，在控制开关K两端的输出电压uo等于输入电压Ui与反电动势eL之和。
因此，在Ton期间：
eL = Ldi/dt = Ui —— K接通期间 (1-43)





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对上式进行积分，可求得流过储能电感L的电流为：


(1-44)式中iL为流过储能电感L电流的瞬时值，t为时间变量;i(0)为的初始电流，即：控制开关K接通瞬间之前，流过储能电感L中的电流。当开关电源工作于临界连续电流状态时，i(0) = 0 ，由此可以求得流过储能电感L的最大电流为：
iLm =Ui*Ton/L —— K关断前瞬间 (1-45)
在开关关断Toff期间，控制开关K关断，储能电感L把电流iLm转化成反电动势，与输入电压Ui串联迭加，通过整流二极管D继续向负载R提供能量，在此期间储能电感L两端的电压eL为：
eL = -Ldi/dt = Uo-Ui —— K关断期间 (1-46)
式中负号表示反电动势eL的极性与(1-43)式相反，即：K接通与关断时电感的反电动势的极性正好相反。对(1-46)式进行积分得：


式中i(Ton+)为控制开关K从Ton转换到Toff的瞬间之前流过电感的电流，i(Ton+)也可以写为i(Toff-)，即：控制开关K关断或接通瞬间，之前和之后流过电感L的电流相等。实际上(1-47)式中的i(Ton+)就是(1-45)式中的iLm，因此，(1-9)式可以改写为：


当开关电源工作于临界连续电流状态时，流过储能电感的初始电流i(0)等于0(参看图1-13)，即：(1-49)式中流过储能电感电流的最小值iLX等于0。因此，由(1-45)和(1-49)式，可求得反转式串联开关电源输出电压Uo为：


一般，并联式开关电源的输出电压Uo都是取自输出电压uo脉冲电压的幅值Up ，经整流滤波以后储能滤波电容C两端的输出电压基本就是Up ，即：
Up = Uo —— 并联式开关电源 (1-51)
这里特别指出：(1-50)和(1-51)式的结果，虽然是以开关电源工作于临界连续电流状态的条件求得，但对于开关电源工作于连续电流状态或断流状态同样成立，因为，输出电压Uo只取其峰值电压Up，而不是取其平均值。
另外，并联式开关电源输出电压uo的平均值Ua与输入电压的大小相等，即：
Ua = Ui —— 并联式开关电源 (1-52)
由于其输出电压uo的幅值等于输入电压Ui与储能电感L产生反电动势eL之和，因此，并联式开关电源一般都是取其输出电压uo的幅值Up作为输出(电压幅值的提取方法留待后面详细讨论)。所以，并联式开关电源属于升压型开关电源。虽然并联式开关电源输出电压的幅度比输入电压可以提高，但其输出电压的平均值Ua与控制开关K的占空比D的大小无关，即：并联式开关电源输出电压的平均值Ua永远等于输入电压Ui 。