《开关电源设计技巧》连载六：并联式开关电源 开关电源, 技巧, 连载

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1-4.并联式开关电源
　　并联式开关电源 的工作原理比较简单，工作效率很高，因此应用很广泛，特别是在一些小电子产品中，并联式开关电源作为DC/DC升压电源应用最广。例如，很多使用干电池的手提式电器，由于干电池的电压一般只有1.5V或3V，为了提高工作电压，都是使用并联式开关电源把工作电压提高一倍。并联式开关电源的缺点是输入与输出共用一个地，因此，容易产生EMI干扰。

　　1-4-1.并联式开关电源的工作原理
　　eL = Ldi/dt = Ui —— K接通期间 图1-11-a是并联式开关电源的最简单工作原理图，图1-11-b是并联式开关电源输出电压的波形。图1-11-a中Ui是开关电源的工作电压，L是储 能电感，K是控制开关，R是负载。图1-11-b中Ui是开关电源的输入电压，Uo是开关电源输出的电压，Up是开关电源输出的峰值电压，Ua是开关电源 输出的平均电压。

　　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的电流开始增加，同时电流在储能电感中也要产生磁场;当控制开关K由接通转为关断的时候，储能电感会产生反电动势，反电动势产生电流的方向与原来电流的方向相同，因此，在负载上会产生很高的电压。

　　在Ton期间，控制开关K接通，储能滤波电感L两端的电压eL正好与输入电压Ui相等，即：
　　对上式进行积分，可求得流过储能电感L的电流为：
　　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)为流过储能电感的初始电流，即：开关K接通前瞬间流过储能电感的电流。一般当占空比D小于或等于0.5时，i(0)= 0，由此可以求得流过储能电感L的最大电流ILm为：
　　式中Ton为控制开关K接通的时间。当图1-11-a中的控制开关K由接通状态突然转为关断时，储能电感L会把其存储的能量(磁能)通过反电动势进行释放，储能电感L产生的反电动势为：
　　式中负号表示反电动势eL的极性与(1-35)式中的符号相反，即：K接通与关断时电感的反电动势的极性正好相反。对(1-38)式阶微分方程求解得：
　　式中C为常数，把初始条件代入上式，就很容易求出C，由于控制开关K由接通状态突然转为关断时，流过储能电感L中的电流iL不能突变，因此，i(Ton+)正好等于流过储能电感L的最大电流ILm ，所以(1-39)式可以写为：
　　图1-11-a并联式开关电源输出电压uo等于：
　　由(1-41)式可以看出，当t = 0时，即：K关断瞬间，输出电压有最大值：
　　当t等于很大时，并联式开关电源输出电压的值将接近输入电压Ui，但这种情况一般不会发生，因为控制开关K的关断时间等不了那么长。

　　从(1-42)式可以看出，当并联式开关电源的负载R很大或开路时，输出脉冲电压的幅度将非常高。因此，并联式开关电源经常用于高压脉冲发生电路。

　　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：
　　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：
　　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：
　　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t = Toff时iL达到最小值。其最小值为：
　　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：
　　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：
　　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 。