变换器型开关电源负载效应简析

摘要：在变换器型开关电源中，与电压控制模式开关电源相比，电流控制模式开关电源的电压调整率获得几个数量级的优化，负载调整率也有显著改善;但负载调整率仍劣于电压调整率，这成了目前变换器型开关电源的一种规律。

叙词：VIPer22A 电压控制 电流控制 变换器型开关电源 负载调整率 电压调整率

Abstract：Abstract: Compared with switching power supply with voltage-control mode, the voltage adjustment rate in current in switching power supply with current-control mode achieves optimization of several orders of magnitude, following the significant improvement in the load adjustment rate. However, the load adjustment rate is inferior to current adjustment rate, which is quite common with present-day convertor-type switching power supply.

Keyword：VIPer22A, Voltage control, Current control, Convertor-type switching power supply, Load adjustment rate, Voltage adjustment rate

1 前言

由市电供电的变换器型开关电源具有隔离功能。这类电源使用多了，就会发现：尽管它们电路结构不同，性能差异也大，然而它们的负载效应总是劣于源电压效应。本文对这一问题进行简析。

2 电压控制型变换器式开关电源

2.1 整体电路结构框图

通常的电压控制型变换器式开关电源的电路结构如图1所示。市电经整流滤波环节进入变换器后，再经高频整流滤波器至输出端负载。负载端电压经反馈误差放大器放大，回馈到PWM环节，进而调节变换器的输出脉宽，以稳定负载端电压。

2.2 负载调整率估算

2.2.1 梗概计算

由市电供电的变换器型开关电源，其源电压效应通常都优于负载效应。负载调整率可以用式(1)表示 。

(1)

式中：△Uoi—加额定负载电流时在输出端产生的电压降落(V);

Uo—开关电源空载时的额定输出电压(V);

K—误差放大器的电压放大倍数。

2.2.2 开关电源负载波动时整流滤波电压的波动

从开关电源负载电流由零到额定负载时，工频整流滤波直流电压E随之衰减，衰减值

△E的百分比与滤波电容容量和负载大小有关，可参照桥式整流输出电压E/Um与ωCRL关系曲线予以估算(见图2)。

图中： E —整流滤波电压平均值(V),E=Y1×1.4142Ui;

Y1—左边纵坐标数值;

Um—整流电压峰值(V), Um=1.4142Ui;

Ui—电网电压(V);

Y2—右边纵坐标数值;

Rn—包括电网和整流管正向压降等在内的整流滤波电路的总内阻(Ω);

Rl—实际负载电阻(Ω);

ω—电网角频率，ω=2πf(弧度);

f——电网频率，(Hz);

C—滤波电容容量(F)。

不难看出，总内阻Rn越大，实际输出的整流滤波电压E的衰减比例也越大,曲线也就越往下面移。

小功率变换器式开关电源在额定负载时，(Rn/Rl) ≈0.005;空载时(Rn/Rl) ≈0.002。查图2相应曲线，可得两种状态的E值之差△E≈E(2.0～3.0)%。

2.2.3 变换器中变压器原边电阻的影响

考虑到开关电源的效率和体积，变换器中的变压器尽量选择小型化，绕组漆包线也要相应细一些，因此绕组电阻也较大;当流过较大电流时，绕组就会产生较大压降(铜损)，影响负载调整率。原边绕组的电阻值用Rw1表示。

2.2.4 变换器中功率MOSFET漏-源极间的电压降波动

小功率变换器中功率MOSFET的导通电阻RON较大，可达10Ω以上，当开关电源负载波动时，必然引发功率MOSFET的压降波动，这同样影响着负载调整率。

2.2.5 变压器副边绕组电阻和高频整流管压降随负载波动而波动

这是不言而喻的，副边绕组电阻用Rw3表示，高频整流管压降用VD表示。

2.2.6 输出电压的综合变化

将以上对负载调整率有明显影响的四项加起来，可列出通常变换器型开关电源开环状态下的输出电压变化

(2)

式中：△E—负载电流由零到额定负载时，工频整流滤波直流电压E衰减百分比，可按桥式整流电容滤波 输出电压E与ωRLC关系曲线估量(见图2);

N2/N1—变压器T1原边与副边绕组之变比;

IO—输出额定电流(A);

RON——-功率开关管的导通电阻(Ω);

RT1——-变压器的内阻(Ω);

VD——-输出端整流管的压降(V)。

变压器的内阻

(3)

式中： RW1—绕组W1反射到W3的电阻(Ω);

RW3—绕组W3的电阻(Ω)。

将式(3)分别带入式(2)和式(1)，整理后得电流调整率

(4)

式中 K=10～100。按(4)式估算，可得出电流调整率Si至少大于1%，有时甚至可达10%以上。

2.3 电压调整率估算

电压调