串联式开关电源输出电压滤波电路工作原理
串联式开关电源输出电压滤波电路工作原理
大多数开关电源输出都是直流电压，因此，一般开关电源的输出电路都带有整流滤波电路。图1-2是带有整流滤波功能的串联式开关电源工作原理图。
图1-2是在图1-1-a电路的基础上，增加了一个整流二极管和一个lc滤波电路。其中l是储能滤波电感，它的作用是在控制开关k接通期间ton限制大电流通过，防止输入电压ui直接加到负载r上，对负载r进行电压冲击，同时对流过电感的电流il转化成磁能进行能量存储，然后在控制开关k关断期间toff把磁能转化成电流il继续向负载r提供能量输出；c是储能滤波电容，它的作用是在控制开关k接通期间ton把流过储能电感l的部分电流转化成电荷进行存储，然后在控制开关k关断期间toff把电荷转化成电流继续向负载r提供能量输出；d是整流二极管，主要功能是续流作用，故称它为续流二极管，其作用是在控制开关关断期间toff，给储能滤波电感l释放能量提供电流通路。
在控制开关关断期间toff，储能电感l将产生反电动势，流过储能电感l的电流il由反电动势el的正极流出，通过负载r，再经过续流二极管d的正极，然后从续流二极管d的负极流出，最后回到反电动势el的负极。
对于图1-2，如果不看控制开关k和输入电压ui，它是一个典型的反г 型滤波电路，它的作用是把脉动直流电压通过平滑滤波输出其平均值。
图1-3、图1-4、图1-5分别是控制开关k的占空比d等于0.5、 0.5时，图1-2电路中几个关键点的电压和电流波形。图1-3-a）、图1-4-a）、图1-5-a）分别为控制开关k输出电压uo的波形；图1-3-b）、图1-4-b）、图1-5-b）分别为储能滤波电容两端电压uc的波形；图1-3-c）、图1-4-c）、图1-5-c）分别为流过储能电感l电流il的波形。
在ton期间，控制开关k接通，输入电压ui通过控制开关k输出电压uo，然后加到储能滤波电感l和储能滤波电容c组成的滤波电路上，在此期间储能滤波电感l两端的电压el为：
el = ldi/dt = ui – uo —— k接通期间 （1-4）
式中：ui输入电压，uo为直流输出电压，即：电容两端的电压uc的平均值。
在此顺便说明：由于电容两端的电压变化量δu相对于输出电压uo来说非常小，为了简单，我们这里把uo当成常量来处理。在某种情况下，如需要对电容的初次充、放电过程进行分析时，必须需要建立微分方程，并求解。因为输出电压uo的建立需要一定的时间，精确计算得出的结果中一般都含有指数函数项，当令时间变量等于无穷大时，即电路进入稳态时，再对相关参量取平均值，其结果就基本与（1-4）相等。
对（1-4）式进行积分得：
式中i（0）为控制开关k转换瞬间（t = 0时刻），即：控制开关k刚接通瞬间流过电感l的电流，或称流过电感l的初始电流。
当控制开关k由接通期间ton突然转换到关断期间toff的瞬间，流过电感l的电流il达到最大值：
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（1-8）式中的i（ton+）就是（1-6）式中的ilm，即：
上面计算都是假设输出电压uo基本不变的情况得到的结果，在实际应用电路中也正好是这样，输出电压uo的电压纹波非常小，只有输出电压的百分之几，工程计算中完全可以忽略不计。
从（1-4）式到（1-11）和图1-3、图1-4、图1-5中可以看出：
当开关电源工作于临界连续电流或连续电流状态时，在k接通和关断的整个周期内，储能电感l都有电流流出，但在k接通期间与k关断期间，流过储能电感l的电流的上升率（绝对值）一般是不一样的。在k接通期间，流过储能电感l的电流上升率为ui-uo/l： ；在k关断期间，流过储能电感l的电流上升率为： -uo/l
因此：
（1）当ui = 2uo时，即滤波输出电压uo等于电源输入电压ui的一半时，或控制开关k的占空比d为二分之一时，流过储能电感l的电流上升率，在k接通期间与k关断期间绝对值完全相等，即电感存储能量的速度与释放能量的速度完全相等。此时，（1-5）式中i（0）和（1-11）式中ilx均等于0。在这种情况下，流过储能电感l的电流il为临界连续电流，且滤波输出电压uo等于滤波输入电压uo的平均值ua。参看图1-3。
（2）当ui > 2uo时，即：滤波输出电压uo小于电源输入电压ui的一半时，或控制开关k的占空比小于二分之一时：虽然在k接通期间，流过储能电感l的电流上升率（绝对值），大于，在k关断期间，流过储能电感l的电流上升率（绝对值）；但由于（1-5）式中i（0）等于0，以及ton小于toff，此时，（1-11）式中的ilx会出现负值，即输出电压反过来要对电感充电，但由于整流二极管d的存在，这是不可能的，这表示流过储能电感l的电流提前过0，即有断流。在这种情况下，流过储能电感l的电流il不是连续电流，开关电源工作于电流不连续状态，因此，输出电压uo的纹波比较大，且滤波输出电压uo小于滤波输入电压uo的平均值ua。参看图1-4。
（3）当ui < 2uo时，即：滤波输出电压uo大于电源输入电压ui的一半时，或控制开关k的占空比大于二分之一时：在k接通期间，虽然流过储能电感l的电流上升率（绝对值），小于，在k关断期间，流过储能电感l的电流上升率（绝对值）。但由于ton大于toff，（1-5）式中i（0）和（1-11）式中ilx均大于0，即：电感存储能量每次均释放不完。在这种情况下，流过储能电感l的电流il是连续电流，开关电源工作于连续电流状态，输出电压uo的纹波比较小，且滤波输出电压uo大于滤波输入电压uo的平均值ua。参看图1-5。
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在控制开关关断期间toff，储能电感l将产生反电动势，流过储能电感l的电流il由反电动势el的正极流出，通过负载r，再经过续流二极管d的正极，然后从续流二极管d的负极流出，最后回到反电动势el的负极。
对于图1-2，如果不看控制开关k和输入电压ui，它是一个典型的反г 型滤波电路，它的作用是把脉动直流电压通过平滑滤波输出其平均值。
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el = ldi/dt = ui – uo —— k接通期间 （1-4）
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因此：
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