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下面是開關電源設計務必掌握的知識 1、開關電源占空比的選擇與計算 2、開關變壓器初次級線圈匝數(shù)比的計算 概述：占空比是脈沖寬度調制(PWM)開關電源的調制度，開關電源的穩(wěn)壓功能就是通過自動改變占空比來實現(xiàn)的，開關電源的輸出電壓與占空比成正比，開關電源輸出電壓的變化范圍基本上就是占空比的變化范圍。由于開關電源輸出電壓的變化范圍受到電源開關管擊穿電壓的限制，因此，正確選擇占空比的變化范圍是決定開關電源是否可靠工作的重要因素；而占空比的選擇主要與開關電源變壓器初、次級線圈的匝數(shù)比有關，因此，正確選擇開關電源變壓器初、次級線圈的匝數(shù)比也是一個非常重要的因素。 開關電源占空比和開關電源變壓器初、次級線圈的匝數(shù)比的正確選擇涉及到對開關電源變壓器初、次級線圈感應電動勢的計算。因此，下面我們先從分析開關電源變壓器初、次級線圈感應電動勢開始。 1.1占空比的定義 占空比一般是指，在開關電源中，開關管導通的時間與工作周期之比，即：
（1）式中：D為占空比，Ton為開關管導通的時間，Toff為開關管關斷的時間，T為開關電源的工作周期。 對于一個脈沖波形也可以用占空比來表示，如圖1所示。
在反激式開關電源中，開關管導通的時候，變壓器次級線圈是沒有功率輸出的，如果把（1）中的D記為D1，（2）式中的D記為D2，則D1、D2有下面關系：
1.2開關變壓器初次級線圈的輸出波形
圖2a是輸出電壓為交流的開關電源工作原理圖。為了便于分析，我們假說變壓器初次級線圈的變壓比為1:1（即N1=N2，L1=L2），當開關K又導通轉斷開時，變壓器初級、次級線圈產生感應電動勢為：
（6）式中： 為了便于分析，我們引進一個半波平均值的概念，我們把Upa、Upa-分別定義為變壓器初、次級線圈感應電動勢正、負半周的半波平均值。半波平均值就是把反電動勢等效成一個幅度等于Upa或Upa-的方波，如圖2b中的Upa-所示。
1.3反激式變壓器初次級線圈的輸出波形
圖3a為反激式開關電源的工作原理圖，圖3b為反激式開關電源變壓器初、次級線圈的波形（N1=N2時）。圖中的Ui、uL1、uL2、Up、Upa、Upa-、Ua、Ua-等前面都已經介紹過，圖3中只多了一個整流濾波輸出電壓Uo。 所謂反激式開關電源，就是電源開關管導通時，開關電源無功率輸出，僅在電源開關管截止時才有功率輸出。在反激式開關電源中，由于整流二極管以及儲能濾波電容的作用，它會把變壓器初、次級線圈產生的反電動勢進行平均，使峰值脈沖電壓Up（Up-）被平均成半波平均值Upa（Upa-），這相當于限幅的作用，因為充滿電的電容相當于一個電壓等于Uo的電池。這種限幅作用是假說開關電源變壓器初、次級線圈沒有漏感的情況下才能成立。 1.4占空比的選擇和計算
1、圖4a中uL1為變壓器初級線圈N1產生的反電動勢，藍、紅色箭頭分別表示開關接通和關斷時，感應電動勢的方向。 2、圖4b藍色為開關接通時變壓器初級線圈N1產生的感應電動勢波形；紅色為開關關斷時N1產生的感應電動勢波形。 在圖4b中，由于變壓器存儲的能量和釋放的能量相等，所以藍色波形的面積等于紅色波形的面積。 即： Upa-×Ton=Upa×Toff 或 Ui×Ton=Upa×Toff
把占空比： （7）式就是我們用來選擇和計算占空比D的關系式。 由圖4a和圖4c可以看出，（7）式括弧中的值（Ui＋Upa）正好就是電源開關管兩端的電壓，電源開關管的耐壓有限，因此，開關電源的最大占空比要受到電源開關管的最高耐壓BVm值的限制。 在實際應用中，由于變壓器初級線圈的漏感是不能忽視的，因為，這個漏感產生的反電動勢不能通過次級整流濾波電路對其進行限幅。從（5）式可知，這個反電動勢的峰值非常大。因此，在變壓器初級線圈回路中還要另設一個限幅電路，如圖5所示。
中L0為變壓器初級線圈的漏感（一般為5~10%，與初次級線圈的繞法有關），L0產生的反電動勢會迭加在初級線圈L1產生的半波平均值電壓上。通過D1、C1、R1的作用可以對L0產生的反電動勢進行限幅，其半波平均值的大小，可以通過調整R1和C1的大小來改變，使之不要超過L1產生的半波平均值的5%。 如果把漏感L0產生的反電動勢也一起進行考慮，當輸入電壓為最大值時，上面（7）式應該改寫為： Upm = (Uim＋Upm)Dmax……………（8） （8）式中，Upm為變壓器初級線圈產生感應電動勢的最大峰值，當采用圖5所示限幅電路之后，Upm的值就等于初級線圈L1和L0分別產生反電動勢的半波平均值之和。此值與漏感大小有關，Upm大約比無漏感時的Upa大5~8%。如果把上式括弧(Uim＋Upm)中的值換成BVm，則（8）式又可以改寫為： Upm = BVm×Dmax…………（9） （9）式中，BVm=（Uim＋Upm），為電源開關管的最高耐壓，Dmax為：當輸入電壓為最大值（Uim），且改變占空比使電源開關管兩端電壓達到最高耐壓值時，此時占空比所能達到的最大值，即極限值。 值得指出的是：占空比是隨著輸入電壓變化而變化的，當輸入電壓為最大值時，此時動態(tài)變化的D應該為最小值Dmin，但（9）式中的極限值Dmax則另有意義，它表示：當輸入電壓為最大值，且此時的占空比D也達到極限值Dmax時，電源開關管將會過壓被擊穿。因此，實際工作中的最小占空比Dmin應該比（9）式中的Dmax小好多，一般取Dmin =0.7 Dmax較為合適。由此我們可以得出結論： 在設計反激式開關電源時，可根據(jù)（8）式和（9）式來計算占空比Dmax的最大值。 1.5 占空比計算舉例 設計一個反激式開關電源，輸入電壓最大值為AC260V，假設，電源開關管的最大耐壓為650V，求開關電源的最小占空比Dmin。 第一步，求極限占空比Dmax：Upm = BVm×Dmax——（9） 已知：Uim = 260×1.414 = 368（V）；BVm= 650V； Upm = 650－368 = 284（V） 把上面結果代入（9）式：Upm = BVm×Dmax得： 284 = 650×Dmax ， 即：Dmax = 0.437 第二步，求最小占空比Dmin： 在實際應用中，為了安全，最小占空比Dmin最少要比極限占空比Dmax多留30%的余量，由此可求得： Dmin = Dmax×0.7 = 0.437×0.7 = 0.306 …………（10） 以上計算方法在開關電源設計過程中經常用到，請大家參考。 在反激式開關電源中，輸出電壓不但與占空比有關，而且還與開關變壓器初、次級線圈的匝數(shù)比有關，而開關變壓器初、次級線圈的匝數(shù)比是不可變的，一旦極限占空比Dmax或最小占空比Dmin確定之后， 開關變壓器初、次級線圈的匝數(shù)比也就確定了。 由于變壓器次級線圈輸出脈沖經整流濾波后，電解電容會對輸出脈沖電壓起到平均的作用，如果忽略整流二極管的壓降以及電壓紋波，開關電源的整流輸出電壓Uo基本就等于輸出脈沖的半波平均值Upa。因此前面（7）式可以改寫為： Uo=Upa =（ nUi ＋ Upa ）×D …………（11） 而（8）式則可以改寫為： Uo = Upm = Upa = (nUim＋Upa) Dmin ………（12） （11）和（12）式中的n為開關變壓器初、次級線圈的變壓比。開關變壓器的變壓比n與匝數(shù)比N兩者在數(shù)值上稍有區(qū)別，兩者進行轉換時要考慮變壓器的工作效率。 上面兩式就是我們用來計算反激式開關電源變壓器變壓比的公式。 設計一個反激式開關電源，輸入電壓最大值為AC260V，輸出電壓為DC24V；假設，電源開關管的最大耐壓為650V，求開關電源的最小占空比Dmin和開關變壓器初、次級線圈的匝數(shù)比N。說明：整流二極管壓降為1V，整流輸入/輸出: AC/DC = 1.2。 第一步，最小占空比Dmin在前面例子中已經求得： Dmin = Dmax×0.7 = 0.437×0.7 = 0.306 ——（10） 第二步，求變壓比n : Uo = (nUim＋Uo)Dmax——（12） 已知：Uo = 24＋1（V），Uim = 260×1.2 = 312（V），Dmax = 0.306，代入（12）式得: Uo = (nUim＋Uo)Dmax = (312n＋25)×0.306 = 25（V） 由此求得：n = 0.18，這個結果還應該把變壓器的轉換效率以及輸出紋波考慮進去，設兩者的工作效率為90%，則實際應用中的匝數(shù)比N應為： N= n/0.9 =0.18/0.9 = 0.2 ——（13） 以上計算方法在開關電源設計過程中經常用到，請大家參考。 第一步： 根據(jù)最高輸入電壓Uim和電源開關管的最高耐壓BVm，計算極限占空比Dmax及最 小占空比Dmin： Upm = (Uim＋Upm)Dmax 或 Upm = BVm×Dmax，Dmim=0.7 Dmax 式中：Upm為變壓器初級線圈產生感應電動勢的最大峰值，Upm= BVm－Uim 第二步： 根據(jù)最高輸入電壓Uim和最小占空比Dmin計算開關變壓器初、次級線圈的變壓比n，然后求匝數(shù)比N： Uo = (nUi＋Uo)D 或 Uo = (nUim＋Uo)Dmin N= n/0.9 式中：Uo為變壓器次級線圈輸出電壓（半波平均值），n為變壓器初、次級線圈的變壓比，N為變壓器初、次級線圈的匝數(shù)比；0.9為變壓器及濾波電路的工作效率。
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