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  最近幾年來,交換式電源供給器(Switched mode power supply)的需求急速的增加。主要的原因為交換式電源供給器比傳統式的電源供給器具效率高、重量輕、體積小、輸入電壓範圍大等先天性的優點。

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  交換式電源供給器的基本結構方塊圖可見圖一。在這個系統裡,交流輸入電源被整流濾波後成為直流電,然後被切成(Chopped)約25KHz的高頻,加在變壓器的初級;次級輸出經整流、濾波得到所需要的直流電壓。輸出電壓經由控制線路給一校正信號到驅動線路,用來改變開關ON與OFF的時間,以便修正輸出電壓的變化;這個系統的輸入電壓也可以是直流電壓或是電池。

  轉換直流輸入電壓為直流輸出電壓有數種可行的方法,但是在交換式電源供給器的設計中以磁性元件為重點,所以本文就以磁的觀點來分類,主要分為三種:返馳式(Flyback)、順向式(Forward)和推挽式(Push-Pull)。

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返馳式轉換器(Flyback Converter)

  圖二為返馳式轉換器的基本線路和相關的電壓、電流波形。當開關S接通時(電晶體導通),二極體D因為是逆向所以不導通,輸入電壓跨接在電感L上,電感上的電流線性上升,儲存於電感上的能量持續增加,直到開關S開路,此時二極體D導通,跨於電感上的能量轉移至輸出電容和負載上。能量在電晶體導通的狀態下儲存於電感中,所以在固定頻率下,控制電晶體的導通時間也就是控制儲存於電感中的能量,也就是控制了供給負載的能量;這就是交換式電源供給器控制和改變輸出的一種方法。

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  圖三是由圖二演變成的實用電路,從圖三A變至圖三B而至圖三C,很容易看出電感變為兩組繞組。在返馳式轉換器中,所有加諸於電容和負載的能量都來自儲存於電感的能量。但為了輸出與電源隔離,電感乃增加二次繞組。雖然電感加了二次繞組,在圖上看來似乎像一個變壓器,但在此處,我們仍稱它為電感或是儲能電感(Power inductor),因其只有電感的儲能作用,並沒有變壓器的作用。

  返馳式轉換器的優點為輸出級不必再加濾波用的抗流圈,這一點在高電壓輸出與多組輸出(如圖四)的電路中非常重要。

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  返馳式轉換器的缺點為輸出電容只在電晶體OFF狀態時才充電,所以輸出電容的漣波電流比其他形式的轉換器來的大。另一個缺點為返馳式轉換器中能量皆儲存於電感,而電感被往一個方向驅動,所以在同樣的設計條件下,與其他形式的轉換器比較,需要較大的磁蕊。

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順向式轉換器(Forward Converter)

  圖五為順向式轉換器的基本線路和相關的電壓電流波形。當開關S接通(電晶體導通)時,二極體D不導通,電流流經電感至輸出電容和負載,電流線性上升,此時能量一部分被傳遞到輸出,另一部分儲存在電感上。當開關S開路時,儲存於電感內的能量使電流繼續流經輸出電容和負載由二極體形成迴路。此二極體被稱為飛輪二極體(Flywheel diode)或接續二極體(Commutating diode)。

  如同返馳式轉換器,儲存於電感內能量的多寡,可由ON-OFF週期的變化來控制,這就是順向式轉換器控制輸出的方法。

  返馳式與順向式皆用電感來儲存能量,所不同的是返馳式的電感與負載是並聯的,當其電晶體ON的時候,能量儲存於電感,電感中的能量在電晶體OFF的時候(也就是返馳時)轉移至負載。順向式的電感與負載是串聯的,它的能量在電晶體ON的時候,一部分儲存在電感,另一部分轉移至負載;也在電晶體OFF的時候,原儲存於電感中的能量被轉移到負載。由於電感有並聯或串聯在負載上之別,所以稱返馳式為並聯式轉換器,順向式為串聯式轉換器。

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  圖六為較實用的順向式轉換器的線路,它多增加了一個與電源隔離的變壓器,與返馳式比較起來,就是其缺點之一。其主要優點為流入平滑電容器的高頻漣波電流被電感所阻隔,輸出電壓的漣波電壓比較小,由於此種特性它適合於設計低壓輸出的供給器。

  順向式轉換器中如需多組輸出,可在變壓器上增加二次繞組,但每增加一個二次繞組,就要增加二個二極體、一個電感和一個電容,這種方法使得電壓調整困難、成本增加。

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  有一種比較好的方法,就是將順向式與返馳式兩種結構合併起來。如圖七所示儲存在電感中的能量經由二次繞組供應到第二組的輸出,在電晶體導通週期結束時,電感上的電壓等於輸出電壓VO1,因此如果VO1是穩定的,VO2也同樣會是穩定的。因為儲存在電感上的能量是有限制的,無法予取予求,所以只有在第二組輸出的負載小於主輸出的30%時,這個方法才比較實際。

  圖七中的變壓器多了一個串聯的第3組線圈與二極體。主要原因如下:在電晶體的導通週期時,磁化電流線性增加到某一固定值,當電晶體關掉時,磁化電流轉向,經由增加的第3組線圈、二極體回至輸入端。這個去磁化線圈必須和一次線圈緊密的耦合,以避免電晶體在ON-OFF時有電壓突波出現。去磁化線圈和二極體能確保變壓器的磁能回至直流輸入端,並且限制電晶體集極電壓的兩倍,以避免電晶體為高壓打穿。

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推挽式轉換器(Push-Pull Converter)

  圖八為推挽式轉換器的基本線路和電流波形。推挽式為兩個工作於相反方向的順向式轉換器的組合(一推一挽)。圖八A中,開關S1接通,S2開路,二極體D1不導通,D2導通,能量一部分儲存於電感,同時一部分供給負載。圖八B中,開關S1與S2皆開路,儲存於電感中的能量經由D1與D2繼續轉移給負載,D1與D2作用如同飛輪式二極體。圖八C中,開關S2接通,S1開路,二極體D1繼續導通,D2不導通,能量也一樣一部分儲存於電感,同時一部分供給負載,如此D1 OFF D2 ON、D1 ON D2 OFF、D1 ON D2 ON的動作不斷重覆。

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  圖九為一實用的推挽式轉換器線路。推挽式輸出濾波器上的漣波電流被增為兩倍。因此降低了輸出漣波電壓。另一個優點為變壓器上的磁蕊往兩個相反方向來回被激發。所以在相同的工作條件下推挽式的變壓器磁蕊比返馳式與順向式來的小。

  多組輸出可在變壓器上增加幾個二次繞組,但每增加一個二次繞組,就要增加二極體、電感和平滑電容。另外一個方法,就是使用儲存在輸出電感上能量,應用如同順向式轉換器在圖七的方法。

  這三個基本轉換器中,每一個都可演變成數種不同的線路。在返馳式和順向式中可用一個或兩個電晶體,如果用兩個電晶體,兩個電晶體必須要同時開與關。選用這種線路必須要考慮所使用電晶體的集──射電壓VCE和集極電流IC

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  在推挽式中,變壓器的初級有數種接法(見圖十),依照變壓器初級被驅動的方法,可區分為單端式(或稱半橋式),見圖十A,推挽式(圖十B)和全橋式(圖十C),究竟使用哪一種線路就要看電晶體的能力了。

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  設計一個轉換器,首先要考慮的便是決定用哪一種轉換器。圖十一中提供了這三種轉換器的輸出電壓與功率的適用範圍,同時也要考慮市電源的隔離、漣波因素、效率、多組輸出與成本等問題,表一將三種轉換器的特性做一比較以為參考。

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  如果所要求是高性能、高功率、漣波電壓低於1%,只要一組輸出,顯然最佳的選擇是推挽式。如功率稍低,則順向式可代替推挽式。

  如要高電壓輸出時,最佳選擇則是返馳式。多組輸出的電壓供給器中,也先考慮返馳式,避免每增加一組電壓就要多一個電感、一個二極體和電容。

(取材自PHILIPS資料, 待續)

轉載音響技術第92期AUG. 1983 SPS訓練教材之一 交換式電源供給器基本結構/天網電子有限公司 提供/(取材自PHILIPS資料)

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