开关电源技术
开关电源的工作原理及技术趋势
开关电源的工作原理及技术趋势开关电源是一种电能转换装置，它将功率电子器件（如开关管）工作在开关状态下，通过电子开关的控制，将输入电源的电能转换为所需的输出电能。
开关电源的工作原理及技术趋势如下：1. 工作原理：开关电源主要由输入端（输入电源和输入滤波器）、控制电路、功率器件（开关管）、输出变压器、输出滤波电路和反馈电路等部分组成。
工作过程如下：当输入电源通电时，输入滤波器将电源的交流电转换为稳定的直流电。
然后，控制电路控制开关管工作在开关状态下，通过控制开关管的导通和断开，将输入电源的直流电按一定频率进行开关操作。
开关管导通时，输入电源的直流电被输入到输出变压器，通过变压器的变压作用，将输入电压调整到所需的输出电压。
当开关管断开时，输入电源的直流电被关闭，通过变压器的变压作用，将变压器的能量传递给输出滤波电路，得到稳定的输出电压。
输出电压经过反馈电路与控制电路相连接，实现对输出电压的稳定控制。
2. 技术趋势：（1）高效率：随着人们对能源的节约要求越来越高，开关电源不断追求更高的能源转换效率。
高效率能够减少功耗和热量产生，降低能源浪费。
（2）小型化：开关电源的体积越小越便于携带和集成。
随着现代电子产品尺寸的减小，开关电源要求更小巧的尺寸以适应产品设计。
（3）轻量化：开关电源的重量越低越有利于产品的携带和移动性。
减轻开关电源的重量可以带来更高的便携性和用户体验。
（4）可靠性：开关电源的可靠性是保障设备正常工作的重要因素。
随着电子产品的使用要求日益严格，开关电源的可靠性要求也日益增强。
（5）环保性：环境保护意识的增强，使得开关电源要求具备低噪声、低辐射等特性，减少电磁污染对周围环境和人体的影响。
（6）智能化：随着信息技术的不断发展，开关电源要求智能化、数字化。
通过微处理器、集成电路和专用芯片等技术，实现对开关电源的智能控制和状态监测。
随着科技的不断进步和社会对电力需求的日益增长，开关电源的工作原理和技术趋势将不断演进。
开关电源 执行标准
开关电源执行标准开关电源是一种电子设备，它利用电路控制开关管进行高速开启和关闭，以提供稳定电压和电流的电源。
以下是开关电源的介绍和执行标准：一、开关电源的介绍1. 开关电源的基本原理开关电源利用电路控制开关管进行高速开启和关闭，以提供稳定电压和电流的电源。
它主要由输入电路、输出电路、开关管、控制电路等组成。
输入电路接收交流电，通过整流滤波得到直流电，再通过开关管进行高频开关，输出稳定的直流电。
控制电路则负责控制开关管的开启和关闭，以达到稳定的输出电压和电流。
2. 开关电源的种类开关电源可分为交流电源（AC-DC）和直流电源（DC-DC）两大类。
交流电源是将交流电转换为直流电，而直流电源则是将直流电进行升降压或稳压处理。
此外，根据输出路数和电路结构的不同，开关电源还可分为单路输出和多路输出，以及正激式和反激式等不同类型。
3. 开关电源的特点开关电源具有高效率、小体积、轻量化、高可靠性等优点。
由于其采用高频开关技术，因此具有较高的功率密度，能够提供稳定的电压和电流输出。
此外，开关电源还具有较好的保护功能，如过流保护、过压保护、欠压保护等，以确保用电设备和人身安全。
二、开关电源的执行标准1. 安全标准开关电源作为一类电子设备，其安全性是首要考虑的因素。
因此，在设计和生产过程中，需要严格遵守相关的安全标准。
例如，应符合GB4943.1-2011《信息技术设备安全第1部分：通用要求》、GB17625.1-2012《电磁兼容限值谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16A）》等国家或行业标准。
同时，对于出口产品还需符合相应的国际标准，如UL60950-1、EN60950-1等。
2. 性能标准开关电源的性能标准主要包括输出电压、电流、功率、效率等指标。
这些指标需要符合设计要求，以确保开关电源能够满足实际应用的需求。
例如，输出电压和电流需要稳定且精度较高，功率和效率则需要尽可能提高以降低能耗。
此外，对于具有稳压功能的开关电源，其稳压精度应符合相应的国家或行业标准。
开关电源及发展现状
开关电源及发展现状一、开关电源的基本原理和发展概述在现代电子设备中，开关电源广泛应用于各种领域，如计算机、通信、工业控制等。
开关电源可以将交流电转换为直流电，并通过高频开关器件（如功率MOSFET、IGBT）进行高效率的电能转换，同时使用电感元件对电流进行滤波，使输出具有较低的波动和噪声。
随着电子技术的快速发展，开关电源在以下几个方面得到了显著的改进和发展：1. 尺寸和重量的减小：通过改进电路设计和采用高效的器件和材料，现代开关电源相对于传统的线性电源来说，体积和重量更小。
因此，在移动电子设备和便携式设备中得到广泛应用。
2. 高效率和能量节约：开关电源的输出效率较高，通常可以达到90%以上，更加有效地利用电能。
这不仅有助于减少能源消耗，降低发热量，同时也减小了对环境的影响。
3. 可调性和稳定性：现代开关电源通常具有可调的输出电压和电流，以适应不同设备的需求。
同时，通过采用反馈控制技术和高精度的电压/电流传感器，可以实现较高的输出稳定性和精度。
4. 数字化和智能化：随着微处理器和数字信号处理技术的广泛应用，开关电源实现了数字化控制和智能化管理。
这使得对电源状态、过载保护、故障诊断等进行实时监测和管理成为可能。
二、开关电源发展的现状目前，开关电源领域的发展主要集中在以下几个方面：1. 高频功率器件的改进：高频开关器件的性能和可靠性对于开关电源的效率和稳定性至关重要。
近年来，功率MOSFET和IGBT等器件的性能不断提高，使得开关电源可以实现更高的开关频率和更高的输出功率。
2. 多电平拓扑的应用：传统的开关电源通常采用单级拓扑结构，但这种结构在高功率和高频率应用中存在一定的限制。
近年来，基于多电平（Multi-level）拓扑的开关电源得到了广泛研究和应用，例如三电平、多电平变频和混合拓扑结构，能够提高电能转换效率和减小电磁干扰。
3. 新型材料和元件的应用：随着功率电子技术的发展，新型材料和元件的应用进一步推动了开关电源的发展。
开关电源的工作原理
开关电源的工作原理开关电源是一种现代电源转换技术，已经广泛应用于各种电子设备中，如计算机、手机、电视等。
相比传统线性电源，开关电源具有更高的效率、更小的体积和更轻的重量，因此备受青睐。
下面将介绍开关电源的工作原理。
1. 整体结构开关电源主要由输入滤波电路、整流桥、直流滤波电路、开关变换器、控制电路和输出稳压电路等部分组成。
其中，开关变换器是整个开关电源的核心部件，主要由主开关管、变压器和输出整流滤波电路构成。
2. 工作原理开关电源的工作原理可以分为两个主要阶段：变换器的导通状态和关断状态。
变换器导通状态1.当输入电压加电后，经过输入滤波电路进行滤波处理后，进入整流桥，将交流电转换为脉冲信号。
2.脉冲信号进入开关变换器后，主开关管导通，电流通过变压器，产生磁场。
3.变压器的磁场会通过耦合效应将能量传递给输出端，经过输出整流滤波电路后，得到稳定的直流电压。
变换器关断状态1.主开关管关断，磁场能量释放，产生感应电动势，继续供电给输出端。
2.控制电路会监测输出端电压情况，若电压低于设定值，则触发主开关管再次导通，进行下一个工作周期。
3.控制电路根据输出端电压情况动态调整开关管的导通时间，以保持输出电压稳定。
3. 特点与优势开关电源相比线性电源具有以下特点和优势：1.高效率：开关电源利用高频开关原理，能够降低能量损耗，提高整体效率。
2.体积小巧：采用高频开关技术，使得开关电源可以更小型化，更适用于各种小型电子设备。
3.稳定输出：通过控制电路的精确调节，开关电源能够稳定输出所需的电压和电流。
4.节能环保：由于高效率的特点，开关电源的节能效果显著，有助于减少电能消耗和环境污染。
4. 结语开关电源作为一种先进的电源转换技术，具有高效、稳定、小型化等优势，广泛应用于各种电子设备中。
了解开关电源的工作原理有助于我们更好地理解其工作过程，也有助于我们在实际应用中更好地设计和维护电子设备。
希望本文对您有所帮助。
开关电源设计技术
开关电源基本拓朴
• BUCK BOOST 极性反转变换器
非隔离电源应用，典型应用如MC34063等。
5
开关电源基本拓朴
• F广泛，输出功率小
于70W。
6
开关电源基本拓朴
• FORWARD 单端正激变换器
应用于200W以下的电源。
7
开关电源基本拓朴
连续模式（Kp≤ 1）
Irms IP
DMAX
(
K
2 P
3
KP
1)
不连续模式（Kp≥ 1）
Irms
DMAX
I
2 P
3
27
开关电源设计方法
9、根据交流输入电压Vac，Po和η选择开关元件（PI）
10、计算变压器初级电感Lp
连续模式
LP
I
2 P
KP
106 PO 1 KP
2
f sm in
34
开关电源设计方法
19、确定输入整流桥
额定反向电压： VR 1.25 2 VACMAX
额定有效值电流：ID ≥ 2×IACRMS
I ACRMS
PO VACMIN
PF
无功率因数电路时PF取0.5。
35
单端反激电源典型波形
• 次级整流二极管波形
36
单端反激电源介绍
• 单端反激
动画演示： topology.swf
也将是正弦波，从而实 现PFC功能。
19
功率因数校正（PFC）
• 公司使用的PFC芯片LT1249
20
开关电源设计方法
• 单端反激电源设计
1、确定系统要求：Vacmax、 Vacmin、Vo、Io、Po、η 2、根据输出要求选择反馈电路和偏置电压Vb：
开关电源设计(精通型)
开关电源设计（精通型）一、开关电源基本原理及分类1. 基本原理开关电源的工作原理是通过控制开关器件的导通与关断，实现电能的高效转换。
它主要由输入整流滤波电路、开关变压器、输出整流滤波电路和控制电路组成。
在开关电源中，开关器件将输入的交流电压转换为高频脉冲电压，通过开关变压器实现电压的升降，经过输出整流滤波电路，得到稳定的直流电压。
2. 分类（1）PWM（脉冲宽度调制）型开关电源：通过调节脉冲宽度来控制输出电压，具有高效、高精度等特点。
（2）PFM（脉冲频率调制）型开关电源：通过调节脉冲频率来控制输出电压，适用于负载变化较大的场合。
二、开关电源关键技术与设计要点1. 高频变压器设计（1）选用合适的磁芯材料，保证变压器在高频工作时的磁通密度不超过饱和磁通密度。
（2）合理设计变压器的绕组匝数比，以满足输出电压和电流的要求。
（3）考虑变压器损耗，包括铜损、铁损和杂散损耗，确保变压器具有较高的效率。
2. 开关器件的选择与应用（1）开关频率：根据开关电源的设计要求，选择合适的开关频率。
（2）电压和电流等级：确保开关器件能承受最大电压和电流。
（3）功率损耗：选择低损耗的开关器件，提高开关电源的效率。
（4）驱动方式：根据开关器件的特点，选择合适的驱动电路。
3. 控制电路设计（1）稳定性：确保控制电路在各种工况下都能稳定工作。
（2）精度：提高控制电路的采样精度，降低输出电压的波动。
（3）保护功能：设置过压、过流、短路等保护功能，提高开关电源的可靠性。
三、开关电源设计实例分析1. 确定设计指标输入电压：AC 85265V输出电压：DC 24V输出电流：4.17A效率：≥90%2. 高频变压器设计选用EE型磁芯，计算磁芯尺寸、绕组匝数和线径。
3. 开关器件选择根据设计指标，选择一款适合的MOSFET作为开关器件。
4. 控制电路设计采用UC3842作为控制芯片，设计控制电路，实现开关电源的稳压输出。
5. 实验验证搭建实验平台，对设计的开关电源进行测试，验证其性能指标是否符合要求。
开关电源工作原理超详细解析
开关电源工作原理超详细解析开关电源工作原理是指通过开关元件（如晶体管、MOSFET等）控制电源的输入电压，使其以一定的频率进行开关操作，从而将输入电压转换为所需的输出电压。
下面是对开关电源工作原理的超详细解析：1. 输入电压：开关电源的输入电压通常是交流电（AC），其电压值和频率根据不同的应用而不同。
在实际应用中，通常需要将交流电转换为直流电（DC）来供给电子设备。
2. 整流：通过整流电路将交流电转换为直流电。
整流电路通常采用整流桥或者二极管桥等元件，将交流电的负半周或者正半周转换为直流电。
3. 滤波：由于整流后的直流电还存在较大的纹波，需要通过滤波电路进行滤波处理。
滤波电路通常采用电容器和电感器等元件，将纹波电压进行平滑，得到较为稳定的直流电。
4. 开关操作：开关电源的核心部份是开关元件，如晶体管、MOSFET等。
开关元件根据控制信号的输入，以一定的频率进行开关操作。
当开关元件处于导通状态时，输入电压通过开关元件传递到输出端；当开关元件处于断开状态时，输入电压不会传递到输出端。
5. 脉宽调制（PWM）：为了控制开关元件的导通和断开时间，需要使用脉宽调制技术。
脉宽调制是通过调节开关元件导通时间的比例来控制输出电压的大小。
通常使用比较器和参考电压等元件来实现脉宽调制。
6. 输出变压器：为了将输出电压变换为所需的电压水平，通常使用输出变压器。
输出变压器通过变换输入电压和输出电压的变比关系，实现输出电压的变换。
7. 输出滤波：由于开关操作会引入一定的干扰和纹波，需要通过输出滤波电路进行滤波处理。
输出滤波电路通常采用电容器和电感器等元件，将纹波电压进行平滑，得到稳定的输出电压。
8. 控制和保护：开关电源通常还包括控制和保护电路。
控制电路用于控制开关元件的开关操作，保护电路用于保护开关电源和电子设备免受过电流、过电压和短路等故障的影响。
以上是开关电源工作原理的超详细解析。
开关电源通过开关操作和脉宽调制技术，将输入电压转换为所需的输出电压，并通过滤波和保护等电路对输出电压进行处理和保护。
开关电源技术与典型应用
开关电源技术与典型应用
开关电源技术是一种通过开关元件（如晶体管或MOSFET）
周期性地开关来实现能量转换的技术。
它主要使用高频开关来实现电源的高效率转换，使电能以低电压、高电流的形式供应给负载。
典型的应用包括：
1. 计算机和服务器电源：开关电源可以提供高效率的直流电压给计算机和服务器，使其能够正常运行。
同时，开关电源的小体积和低噪声特性也符合计算机和服务器的需求。
2. 通信设备电源：开关电源可为通信设备提供稳定的电源，使其能够正常通信。
在移动通信设备如手机和无线路由器中，开关电源的小尺寸和高效率对于延长电池寿命非常重要。
3. 工业设备电源：开关电源广泛应用于工业自动化领域，如机床、电焊机、工业机器人等。
开关电源具有高效率和可靠性，能够满足工业设备对电源的高要求。
4. LED照明电源：开关电源可驱动LED照明设备，通过调整
开关频率和占空比来控制LED的亮度。
开关电源还可以提供
高功率因素校正和电流稳定性，提高LED照明的效果和寿命。
5. 高速电源：开关电源可用于提供高速开关的电源，如高速列车、高速电梯等。
开关电源可以快速响应负载变化，提供稳定的电源给要求高速响应的设备。
总的来说，开关电源技术的优点包括高效率、小尺寸、低噪声，适用于各种不同的应用领域。
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在t=Ts时，iLf达到最小值ILfmin。在Q截止期间，iLf
V0 Vin V0 Vin * (Ts Ton ) * (1 Dy ) *Ts 的减小量ΔiLf（-）= Lf Lf
在t=Ts时，Q1又导通，开始下一个开iLf的波形为一个三角波，周
470u Q1 IRF530 L1 47 R2 48 V1 D1 D1N4148 12 Pulse(0 1 0 39.604n 39.604n 3.9604u 10u) V2
Buck变换器的结 构如右图所示：
C1
R1
MOS管；续流二极管（freewheel）D；滤波电感L； 滤波电容C；负载RL。
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模式是指在一个周期内电感电流是连续的（两种开关
模态a和b)；而不连续导电模式是指电感电流在一个周 期内是断续的也就是有一段时间电感电流为零(三种开 关模态a、b 和c)。
Boost变换器工作在不同模态的等效电路
470u L3 D2 D1N4148
470u L2 IRF530 C2 36 V3 47 Q2 R4 12 Pulse(0 1 0 39.604n 39.604n 3.9604u 10u) V4 R3
PWM
Vcc
Q3
R1
D1 R3 Q2
20 R2
电阻R1和R3的作用是限流和抑制寄生振荡，一般
为10ohm到100ohm，R2是为关断时提供放电回路的；二
极管D1是加速MOS的关断。
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3) 耦合驱动（利用驱动变压器耦合驱动）
IRF530 D1 Q1
47 R1 V1 TX1
Q2 20k R2
Boost变换器的 结构如右图所 示：
MOS管；升压二极管（step-up）D；滤波电感L； 滤 波电容C；负载RL。
2. Boost变换器的工作原理分析
Boost变换器存在两种导电模式，即连续导电模式
CCM (Continuous Conduction Mode) 和不连续导电模
式DCM (Discontinuous Conduction Mode) 。连续导电
压Vout，有很小纹波(电压），但可认为基本保持不变,
其值为Vo。
（3） 电感和电容均为无损耗的储能元件。
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15
(1) 模态1 [0—Ton] [对应于图 (a)] 在t=0时，Q1导通，Vin通过Q1 加到二极管D1 和输出滤 波电感Lf 、输出滤波电容Cf上以及给负载供电，因此续 流二极管D1截止，电源Vin对电感Lf充电，其电流iLf线性 上升，上升斜率为 (Vin-Vo)/Lf。
通过开关管Q和二极管D的平均电流为：
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实际电容有损耗，即具有等效串联电阻ESR，这时输出电 压脉动的计算公式为：
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升压式变换器（Boost Converter）的介绍
1. Boost 变换器的结构
470u L1 D1 D1N4148 IRF530 C1 36 V1 47 Q1 R2 12 Pulse(0 1 0 39.604n 39.604n 3.9604u 10u) V2 R1
8. 功率因数校正（PFC）。
9.同步整流及其控制方法。 10. 用UC3842控制的反激电路的工作原理，每个元器件在电路中的作
用，每一部分电路的作用。
11. 规格说明书---IPS和Test Plan。
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二、 开关电源的内容 (技能和能力）
1. 学会分析电路工作原理。 2. 掌握调试电路的方法，明白每一步调试的作用。 3. 掌握测试电路的方法。 4. 学会如何分析电路故障和排除电路故障。 5. 熟悉电路中元件布局的一些简单规则。
R1 V1 D4 20k R2 D1
100ohm，R2是为关断时提供放电
回路的；稳压二极管D1和D2是保 护MOS管的门极和源极；二极管 D3是加速MOS的关断。
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2) 互补三极管驱动 当MOS管的功率很大
时，而PWM控制芯片输出
的PWM信号不足已驱动MOS 管时，加互补三极管来提 供较大的驱动电流来驱动 MOS管。
在一个开关周期中，电感Lf都有一个储能和能量通过 D的释放过程，也就是说必然有能量送到负载端。因此， 如果该变换器没有接负载，则这部分能量不能消耗掉，必
会使V0不断升高，最后使变换器损坏。这是Boost变换器
与Buck变换器的本质不同点。 若Boost变换器的损耗可忽略，则有 I0 1 Dy I in 式中，I0和Ii分别为变换器输出电流和输入电流平均 值。通过D的电流平均值ID等于负载电流I0 。
指在一个周期内电感电流是连续的（两种开关模态 a和b)；
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Buck变换器工作在不同模态的等效电路
470u Q1 IRF530 47 R2 48 V1 V2 L1 R1 C1
470u L1 R1 D1 D1N4148 C1
R1 C1
12 Pulse(0 1 0 39.604n 39.604n 3.9604u 10u)
期性地在ILfmin到ILfmax的范围内变化。Q导通期间ILf的增长
量等于它在Q截止期间的减小量。即：
iLf () iLf () iLf
由前面的分析可以得到：
V0 1 化简得到： Vin 1 Dy
Vin V0 Vin * Dy *Ts * (1 Dy ) *Ts Lf Lf
36 V5
C3
R5
C2
R3
(a)
(b)
(c)
Boost变换器在连续模式和不连续模式的主要波 形
讨论电感电流连续时变换器的工作原理(稳态）： 分析之前作如下假设： （1） 所有有源器件Q和D导通和关断时间为零。导通 时电压为零，关断时漏电流为零。
（2） 在一个开关周期中，滤波电容电压，即输出电
压Vout，有很小纹波(电压），但可认为基本保持不变,
复习：开关电源的内容
一、 电源的重要性：
一切设备需要电源；设备的更新，电源也跟随更新 。
电源无法集成：
（1）电源的功率很大；
（2）不同的设备需要不同的电源，包括电压、电流、功率密度、
体积、效率、EMI等等。
（3）变压器、电感、大的电解电容也无法集成。 （4）电源的功率大，损耗也很大，散热也是一个问题。
通过Q的电流平均值IQ为：
IQ Ii I0
Dy 1 Dy
* I0
通过Q和D的电流最大值与电感电流最大值相等。 Q和D分别截止时加在它们上的电压均为输出电压V0。
DC
input
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隔离的 DC 降压电路 或者Boost output Buck变换器
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离线式电源电路图 模块电源电路图1
模块电源电路图2
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3.
功率器件之一：MOS管
1. MOS管的等效电路 （输入输出电容 Cgs Cds，反并联二极管） 2. MOS管的三个工作区域条件 2. MOS管的参数：Rds（on），Vds 等 3. MOS管的驱动：三种驱动方法（MOS管属于电压型控制器件，GS之 Ids（与温度有关） 功率损耗
的减小量ΔiLf（-）= V0 * (T T ) V0 * (1 D ) *T s on y s Lf Lf
在t=Ts时，Q1又导通，开始下一个开关周期。
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3. Buck变换器的基本关系式
稳态工作时，电感电流iLf的波形为一个三角波，周
期性地在ILfmin到ILfmax的范围内变化。Q导通期间ILf的增长
在t=Ton时，iLf达到最大值ILfmax。在Q导通期间，iLf
Vin V0 Vin V0 的增长量ΔiLf（+）= *Ton * Dy *Ts Lf Lf
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(2) 模态2 [Ton—Ts] [对应于图 (b)] 在t=Ton时，Q1关断， iLf 通过二极管D1 继续流通。加 在Lf 上的电压为-V0， iLf线性减小。下降斜率为-Vo/Lf。 在t=Ts时，iLf达到最小值ILfmin。在Q截止期间，iLf
与放电电流为零，故变换器输出电流I0就是iLf的平均值，
即
I0
I Lf
min
I Lf 2
max
假定变换器的损耗为零，那么输出功率P0=V0*I0等于 输入功率Pin=Vin*Iin ，即
Ii Dy I0
推导 ILfmax 和 ILfmin
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电感电流最大值和最小值分别为：
flyback、forward、half bridge、full bridge、 push-pull 2. 分析拓扑的工作原理（稳态分析）（CCM和DCM）：Buck、Boost 和
double forward 等。
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降压式变换器（Buck Converter）的介绍
1. Buck变换器的结构
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2、电源电路的结构框图和完整的电路图
a. 离线式开关电源的结构框图：
direct-off-line switching power supply AC input 功率因数 校正 DC
EMI滤波器
隔离的 降压电路 output
b. 模块开关电源的结构框图： module switching power supply
(a)
(b)
(c)
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Buck变换器在连续模式和不连续模式的主要波形
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讨论电感电流连续时变换器的工作原理(稳态）： 分析之前作如下假设： （1） 所有有源器件Q和D导通和关断时间为零。导通 时电压为零，关断时漏电流为零。