1.3 开关电源的分类
开关电源的电路结构有很多种，分类方法也很多，常见的分类方式如图1-8所示。
图1-8 开关电源常见的分类方式
1.3.1 按开关管的激励脉冲方式分类
无论何种开关电源，开关管均工作在开关状态。驱动开关管的激励电压可为方波的脉宽调制电压，也可为正弦波的谐振电压。开关电源按开关管的激励脉冲方式可分为自激式和他激式。
1.自激式
自激式开关电源利用开关管、开关变压器辅助绕组构成正反馈环路，实现自激振荡，稳定电压输出。由于自激式开关电源的开关管兼作振荡管，因此无须专设振荡器。其脉冲信号是由自激振荡形成的，是一种非固定频率的脉冲信号，随输入电压和负载变化而变化，在轻载时频率较高，在重载时频率较低，在空载时会出现间歇振荡。
自激式开关电源本身具有一定的自保护功能，一旦负载过重，必然会破坏反馈条件而停止振荡，从而保护开关电源。由于自激式开关电源的电流峰值高、纹波电流大，特别是在高功率、大电流工作时稳定性差，因此多用于60W以下的小功率场合。
2.他激式
他激式开关电源的开关管不参与激励脉冲的振荡过程，有专设的振荡器产生脉冲控制开关管。例如，常用的集成电路UC3842、NCP1200、TL494等集成控制器能输出占空比可调的P WM脉冲。如今，许多集成控制器能根据输出功率的轻重自动升降开关频率，以便在不同负载状况下，均能保持优良的电源转换效率。
由于集成控制器把保护电路、控制电路、振荡电路和反馈信号检测电路集成在同一芯片上，抗干扰性能好，电路简洁、功能强大，能够完成振荡、稳压、过流、过压和欠压等保护功能，是分立式开关电源所无法比拟的，近年来应用越来越广泛。
1.3.2 按转换器的电路结构方式分类
开关电源按转换器的电路结构方式分为非隔离型和隔离型。
1.非隔离型DC-DC转换器
非隔离型DC-DC转换器的输入和输出共地，适合低压直流电源转换，包括降压式、升压式和升降压式。非隔离型DC-DC转换器的基本电路如图1-9所示。
图1-9 非隔离型DC-DC转换器的基本电路
在分析电路工作原理时，为简便起见，假定开关S为理想开关，电路中各元器件的内阻忽略不计，输入电压UI、输出电压UO、电感的电感量和电容的电容量足够大，流经电感的电流与电容两端电压的纹波非常小。
1）降压式转换器
（1）工作原理
降压式转换器也称Buck电路，分解电路如图1-10所示。当开关S闭合时，等效电路如图1-10（b）所示，VD因承受反压而截止，电感L励磁并存储能量，电容CO开始充电。当开关S断开时，等效电路如图1-10（c）所示，VD因承受正压而导通，电感L消磁并释放能量，电容CO开始放电。在以上两种情形下，电感与负载RL的电流方向不变，图1-10（b）中的电感电流线性增加，图1-10（c）中的电感电流线性减小。
图1-10 降压式转换器分解电路
如果负载太轻或电感L的电感量太小，在tON期间储能不足，那么在tOFF还未结束时能量已放尽，将导致输出电压为零，出现阶梯台阶（参见第5章）。为了使输出电压的交流分量足够小，CO的电容量应足够大。换言之，只有在L的电感量和CO的电容量足够大时，输出电压UO和负载电流IO才是连续的。L的电感量和CO的电容量越大，UO的波形越平滑。
由于IO是UI通过开关管和LCO滤波电路轮流提供的，所以在通常情况下，脉动成分比线性电源要大一些，这是降压式DC-DC转换器的缺点之一。
（2）降压公式
当开关S闭合时，加在电感L两端的电压为（UI-UO）。这期间，电感L由电压（UI-UO）励磁并储存能量，磁通的增加量为
当开关S断开时，由于电感电流不能突变，二极管变为导通状态。输出电流IO与开关闭合时的方向相反。这期间，电感L消磁并释放能量，磁通的减少量为
在稳态时，电感L磁通的增加量与减少量相等。所谓 “伏·秒相等原则”，即ΔφON=ΔφOFF，联立式（1-2）和式（1-3），降压式转换器的电压变比M为
注：M=UO/UI。
因D≤1，则UO≤UI，故为降压式转换器。
2）升压式转换器
（1）工作原理
升压式转换器也称Boost电路，分解电路如图1-11所示。当开关S闭合时，等效电路如图1-11（b）所示，VD因承受反压而截止，电感L励磁并存储能量，电容CO开始放电。当开关S断开时，等效电路如图1-11（c）所示，VD因承受正压而导通，电感L消磁并释放能量，电容CO开始充电。在以上两种情形下，负载的电流方向不变，图1-11（b）中的电感电流线性增加，图1-11（c）中的电感电流线性减小。
图1-11 升压式转换器分解电路
（2）升压公式
当开关S闭合时，输入电压UI加在电感L上。这期间，电感L由输入电压UI励磁并储存能量，磁通的增加量为
当开关S断开时，由于电感电流不能突变，二极管转为导通状态，电流IO与开关闭合时的方向相反加到电感L上。这期间，电感L消磁并释放能量，磁通的减少量为
在稳态时，电感L磁通的增加量与减少量相等，即ΔφON=ΔφOFF ，联立式（1-5）和式（1-6），升压式转换器的电压变比M为
因D≤1，则UO≥UI，故为升压式转换器。
3）升降压式转换器
（1）工作原理
升降压式转换器也称Buck-Boost电路，分解电路原理如图1-12（a）所示。当开关S闭合时，等效电路如图1-12（b）所示，VD因承受反压而截止，电感L励磁并存储能量，电容CO开始放电。当开关S断开时，等效电路如图1-12（c）所示，VD因承受正压而导通，电感L消磁并释放能量，电容C O开始充电。在以上两种情形下，负载的电流方向不变，图1-12（b）中的电感电流线性增加，图1-12（c）中的电感电流线性减小。
图1-12 升降压式转换器分解电路
视频2
（2）升降压公式
当开关S闭合时，输入电压UI加在电感L上。这期间，电感L由输入电压UI励磁并储存能量，磁通的增加量为
当开关S断开时，由于电感电流不能突变，二极管转为导通状态。输出电流IO与开关闭合时的方向相反加到电感L上。这期间，电感L消磁并释放能量，磁通的减少量为
在稳态时，电感L磁通的增加量与减少量相等，即ΔφON=ΔφOFF ，联立式（1-8）和式（1-9），升降压式转换器的电压变比M为
当0≤D≤0.5时，M≤1，当0.5≤D≤1时，M≥1，故为升降压式转换器。
非隔离型DC-DC转换器的控制特性曲线如图1-13所示。由特性曲线可知，通过控制开关管的占空比D就可以改变输出电压的大小。对于这三类转换器，也可以从能量的存储与释放来说明基本工作原理。电感励磁就是存储能量，电感消磁就是释放能量。当开关S闭合时，来自电源的能量存储在电感L上；当开关S断开时，存储在电感上的能量释放给负载。由于它们是通过改变开关管的占空比来控制能量的存储与释放的，从而可获得直流输出，因此也称为储能型（电感就是储能元件）转换器。
图1-13 非隔离型DC-DC转换器的控制特性曲线
2.隔离型DC-DC转换器
当DC-DC转换器实际应用于开关电源时，在很多情况下要求输入与输出间进行电气隔离，由于采用变压器进行隔离，因此这种转换器被称为隔离型转换器，也称变压器耦合型转换器（或开关电源），是目前应用最多的类型。
隔离型DC-DC转换器的工作原理简述如下：输入电路将交流电压整流滤波变为直流电压，通过功率开关管的周期性通、断控制变压器一次侧绕组存储能量，将直流电压转换为高频方波电压，再由变压器升压或降压、整流滤波后变为直流电压或电流。这类转换器也称逆变整流转换器。
隔离型DC-DC转换器包括反激式、正激式、推挽式、半桥式和全桥式多种类型。
图1-14为反激式转换器功能框图，包括多个功能模块。取样电路检测输出电压，与基准电压比较，通过误差放大器比较放大后，经光电耦合器电气隔离，反馈到变压器的高压侧，控制脉冲宽度调制器来决定开关管的通、断时间，从而稳定输出电压或电流。
图1-14 反激式转换器功能框图
1）反激式转换器
反激式转换器的电路原理如图1-15（a）所示。当开关S闭合时，变压器一次侧绕组以输入电压U1励磁，电场能转化为磁场能存储在电感中，磁芯的磁通密度增大，变压器二次侧绕组感应电压使二极管VD反向偏置而截止，二次侧绕组无电流。当开关S断开时，变压器二次侧绕组以输出电压UO消磁，存储在电感中的磁场能转化为电场能释放给负载，磁芯的磁通密度减小。反激式转换器的工作原理与升降压式转换器类似，电压变比为
式中，N为变压器匝比，即N=N1/N2
反激式转换器的工作波形如图1-15（b）所示。tON期间，一次侧绕组两端的电压U1等于电源电压UI，二次侧绕组感应的电压为负值，在这个过程中，一次侧绕组电流线性增大，二次侧绕组无电流。tOFF期间，二次侧绕组两端的电压U2为正值，约等于输出电压UO （忽略二极管导通压降），在这个过程中，一次侧绕组无电流，二次侧绕组电流线性减小。
图1-15 反激式转换器的电路原理及工作波形
当开关S由闭合转为断开瞬间，一次侧绕组的电流I1突然为零，由于变压器铁芯中的磁通量Φ不能突变，因此必须要求流过变压器二次侧绕组的电流I2也跟着突变，以抵消变压器一次侧绕组电流突变的影响。当开关管由导通状态转为关断瞬间，一次侧绕组中的电流突然为零时，二次侧绕组中的电流一定正好等于一次侧绕组励磁电流被折算到二次侧绕组中电流的N倍。其中，N是变压器一次侧绕组与二次侧绕组的匝比，即I2=NI1。该电流经整流二极管VD向负载输出电能，变压器消磁，从而实现能量转移与输出。
2）正激式转换器
所谓正激式转换器，是指当变压器的一次侧绕组正在被直流电压激励时，变压器的二次侧绕组正好有功率输出。正激式转换器的电路原理如图1-16（a）所示。需要特别注意的是开关变压器一、二次侧绕组的同名端，如果把一次侧绕组或二次侧绕组的同名端搞反，就不再是正激式转换器了。
正激式转换器的工作波形如图1-16（b）所示。当开关S闭合时，变压器一次绕组N1以输入电压U1励磁，能量存储在电感中，二次侧绕组N2感应电压使二极管VD1导通，存储在电感中的能量释放给负载。此时，消磁绕组N3使二极管VD3反向偏置而截止。当开关S断开时，一次侧绕组N1没有释放完的能量转移到消磁绕组N3，并以输入电压UI消磁，励磁能量反馈到输入侧；二次侧绕组N2感应电压使二极管VD1反向偏置，二次侧绕组无电流，输出电流发生自感，续流二极管VD2导通。正激式转换器的电压变比为
式中，N为变压器匝比，即N=N1/N2
正激式转换器有一个最大的缺点，就是在开关S闭合、断开瞬间，变压器的一、二次侧绕组均会产生很高的反电动势。这个反电动势是由流过变压器一次侧绕组励磁电流存储的磁场能产生的。为了防止开关S在闭合、断开瞬间产生反电动势击穿，在变压器中增加一个消磁绕组N3。一方面，N3产生的感应电动势通过VD3对反电动势进行限幅，并把限幅能量返回给电源，对电源充电；另一方面，流过N3中的电流所产生的磁场可以使变压器的铁芯退磁，使变压器铁芯中的磁场强度恢复到初始状态。
图1-16 正激式转换器的电路原理及工作波形
流过变压器二次侧绕组的电流与流过电感L的电流不同：流过变压器二次侧绕组的电流有突变，流过电感L的电流不能突变，即在开关S闭合瞬间，流过变压器的电流立刻达到某个稳定值。这个值是与变压器二次侧绕组电流大小相关的。如果把这个电流记为I1B ，变压器二次侧绕组电流记为I2 ，那么就有I1B=I2/N。其中，N为变压器一、二次侧绕组的匝比。
另外，流过变压器的电流I1除了I1B还有一个励磁电流，把励磁电流记为ΔI1。从电流波形图中可以看出，ΔI1就是I1中随着时间线性增长的部分，即ΔI1=I1P-I1B。
当开关S由闭合突然转为断开瞬间，变压器一次侧绕组中的电流I1突然为零时，二次侧绕组中的电流I2一定正好等于开关S闭合期间的电流I2B与一次侧绕组励磁电流ΔI1被折算到变压器二次侧绕组的电流之和。由于变压器一次侧绕组中励磁电流ΔI1被折算到二次侧绕组的电流ΔI1N的方向与原来二次侧绕组电流I2B的方向相反，整流二极管VD1对电流ΔI1N并不导通，因此电流ΔI1N只能通过绕组N3产生反电动势，经整流二极管VD3向输入电压UI进行反充电。
在S闭合期间，由于开关变压器一次侧绕组和二次侧绕组的电流均为零，故流过消磁绕组N3中的电流只有一次侧绕组中励磁电流ΔI1被折算到N3中的电流I3。这个电流的大小是随着时间下降的。一般来说，正激式转换器一次侧绕组的匝数N1与消磁绕组N3的匝数是相等的，因此ΔI1=I3。
3）推挽式转换器
推挽式转换器是最典型的逆变整流型转换器之一，如图1-17 所示。开关变压器 T的中心抽头接直流电源UI，当开关S1、S2交替闭合时，加在开关变压器N1上的电压等于U1，二次侧电压经 VD1、VD2全波整流，电感 L 和电容 CO滤波得到平滑的直流电压。
图1-17 推挽式转换器的电路原理及电压波形
开关动作与F点的电压波形如图1-17所示。改变开关脉冲的占空比，就可以改变S1、S2的闭合与断开时间，从而改变输出电压。对于推换式转换器的驱动电路，严禁S1、S2同时闭合，否则，将会出现变压器一、二次侧绕组电流相反、磁场相互抵消的恶劣情形。
如果采用如图1-17所示的占空比，则电压变比可与降压式转换器类似，为
式中，N为变压器匝比，即N=N1/N2
4）半桥式转换器
半桥式转换器也是典型的逆变整流型转换器之一，如图1-18所示。由于电解电容C1和C2的电容量相同，所以它们的节点电压为UI的一半，当开关S1、S2交替闭合时，加在开关变压器N1上的电压为UI的一半。开关动作与F点的电压波形如图1-18所示。改变开关脉冲的占空比，就可以改变S1、S2的闭合与断开时间，从而改变输出电压。对于半桥式转换器的驱动电路，严禁 S1、S2同时闭合，否则，将会出现两个功率管将 UI短路的恶劣情形。
图1-18 半桥式转换器的电路原理及电压波形
如果采用如图1-18所示的占空比，则电压变比可与降压式转换器类似，为
式中，N为变压器匝比，即N=N1/N2
推挽式转换器与半桥式转换器的区别是，当开关S1、S2交替闭合时，前者工作电压为电源电压UI；后者工作电压为电源电压UI的一半。因此，半桥式转换器比推挽式转换器的电源利用率低。
5）全桥式转换器
半桥式转换器的电源利用率较低，若增加两个功率管，就可以组成全桥式转换器，如图1-19所示。当开关S1、S3与S2、S4交替闭合时，加在变压器一次绕组上的电压等于UI ，二次侧电压经VD1、VD2全波整流，电感L和电容CO滤波得到平滑的直流电压。需要指出的是，若开关S1、S3与S2、S4闭合时间不对称，则变压器一次侧绕组的交流电压中将含有直流分量，在变压器一次侧绕组中产生很大的直流电流，造成磁饱和。因此，全桥式转换器应注意避免产生直流分量。如果采用如图1-19所示的占空比，则电压变比是半桥式的2倍。
图1-19 全桥式转换器的电路原理及工作波形
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单端与双端
在隔离型开关电源中，若变压器一次侧绕组电路仅有一个开关管，则电流单向流动，变压器磁通只能单方向变化，磁芯工作在第一象限（见图1-20），这种转换器被称为单端转换器。按变压器二次侧整流二极管的接线方式不同，单端转换器可分为两种类型：一种是单端反激式转换器（一次侧开关管与二次侧整流二极管的开关状态相反，当前者导通时后者关断，反之，当前者关断时后者导通）；另一种是单端正激式转换器（开关管与二次侧整流二极管同时导通或关断）。
图1-20 变压器磁芯的磁滞回线
在隔离型开关电源中，若变压器二次侧绕组电路仅有两个或四个开关管，则电流双向流动，变压器的磁通双向变化，磁芯工作在第一、三象限（见图1-20）。这种转换器被称为双端转换器。例如，推挽式变压器、半桥式变压器和全桥式变压器耦合型开关电源就是双端转换器。
1.3.3 按开关管的脉冲调制方式分类
开关电源按开关管的脉冲调制方式分类，可分为脉宽调制型（PWM）、频率调制型（PFM）和混合调制型。
1.脉宽调制型
脉宽调制型（PWM）是指控制开关管的脉冲频率不变，通过改变开关管的导通时间来改变占空比，从而调节和稳定输出电压。由于脉冲频率固定，输出滤波电路易于实现最优化，因此脉宽调制型是目前最常用的类型 （他激式开关电源大都属于此种类型）。
2.频率调制型
频率调制型（PFM）是指控制开关管的导通时间不变，通过改变开关管的脉冲频率来改变占空比，从而调节和稳定输出电压。由于脉冲频率不固定，输出滤波电路不易于实现最优化，因此频率调制型的应用远不如脉宽调制型。
3.混合调制型
混合调制型是指开关管控制极的脉冲频率和导通时间都改变，改变占空比，调节和稳定输出电压，是脉宽调制和频率调制同时存在或同时应用的调制方式 （自激式开关电源属于这种类型）。
上述各种不同的变压器耦合型转换器都有各自的特点和适用范围，性能比较见表1-3。
表1-3 变压器耦合型转换器性能比较
尽管各种类型开关电源的开关脉冲调制方式、功率开关管的激励方式、储能电感与负载的连接方式各不相同，但是最后都是为了稳定输出电压或电流。
目前，在AC-DC开关电源转换器中，使用最多的是反激式变压器耦合型开关电源，其中常用类型的电路结构和工作原理将在后续章节中进行详细讲述。
[1] PWM是 Pulse Width Modulation的英文缩写，是指脉冲宽度调制，简称脉宽调制。
[2] PFM是 Pulse Frequency Modulation的英文缩写，是指脉冲频率调制，简称频率调制。