單端反激開關(guān)電源

1、因該電源是公司產(chǎn)品的一個配套使用，且各項指標(biāo)都不是要求太高，故選用最常用的反激拓?fù)?，這樣既可以減小體積（給的體積不算大），還能降低成本，一舉雙的！反激拓?fù)涞那吧硎荁uck-Boost變換器，只不過就是在Buck-Boost變換器的開關(guān)管和續(xù)流二極管之間放入一個變壓器，從而實(shí)現(xiàn)輸入與輸出電氣隔離的一種方式，因此，反激變換器也就是帶隔離的Buck-Boost變換器。先學(xué)習(xí)下Buck-Boost變換器工作原理簡單介紹下1.在管子打開的時候，二極管D1反向偏置關(guān)斷，電流Is流過電感L，電感電流IL線性上升，儲存能量！2.當(dāng)管子關(guān)斷時，電感電流不能突變，電感兩端電壓反向?yàn)樯县?fù)下正，二極管D1正向偏置開通

2、！給電容C充電及負(fù)載提供能量！3.接著開始下個周期！從上面工作可以看出，Buck-Boost變換器是先儲能再釋放能量，VS不直接向輸出提供能量，而是管子打開時，把能量儲存在電感，管子關(guān)斷時，電感向輸出提供能量！根據(jù)電流的流向，可以看出上邊輸出電壓為負(fù)輸出！根據(jù)伏秒法則Vin*Ton=Vout*ToffTon=T*DToff=T*（1-D）代入上式得Vin*D=Vout*（1-D）得到輸出電壓和占空比的關(guān)系Vout=Vin*D/（1-D）看下主要工作波形從波形圖上可以看出，晶體管和二極管D1承受的電壓應(yīng)力都為Vs+Vo（也就是Vin+Vout）；再看最后一個圖，電感電流始終沒有降到0，所以這種工

3、作模式為電流連續(xù)模式（Ccm模式）。如果再此狀態(tài)下把電感的電感量減小，減到一定條件下，會出現(xiàn)這個波形！從上圖可以看出，電感電流始終降到0后再到最大，所以這種模式叫不連續(xù)模式（DCM模式）。把上邊的Buck-Boost變換器的開關(guān)管和續(xù)流管之間加上一個變壓器就會變成反激變換器！還是和上邊一樣，先把原理大概講下：1. 開關(guān)開通，變壓器初級電感電流在輸入電壓的作用下線性上升，儲存能量。變壓器初級感應(yīng)電壓到次級，次級二極管D反向偏置關(guān)斷。2. 開關(guān)關(guān)斷，初級電流被關(guān)斷，由于電感電流不能突變，電感電壓反向（為上負(fù)下正），變壓器初級感應(yīng)到次級，次級二極管正向偏置導(dǎo)通，給C充電和向負(fù)載提供能量！3. 開始下

4、個周期。以上假設(shè)C的容量足夠大，在二極管關(guān)斷期間（開關(guān)開通期間）給負(fù)載提供能量！咱先看下在理想情況下的VDS波形上面說的是指變壓器和開關(guān)都是理想工作狀態(tài)！從圖上可以看出Vds是由VIN和VF組成，VIN大家可以理解是輸入電壓，那VF呢？這里我們引出一個反激的重要參數(shù)：反射電壓即VF，指次級輸出電壓按照初次級的砸比反射到初級的電壓。可以用公式表示為VF=VOUT/（NS/NP），（因分析的是理想情況，這里我們忽略了整流管的管壓降，實(shí)際是要考慮進(jìn)去的）式中VF為反射電壓；VOUT為輸出電壓；NS為次級匝數(shù)；NP為初級匝數(shù)。比如，一個反激變換器的匝比為NP:NS=6：1，輸出電壓為12V，那么可以求

5、出反射電壓VF=12/（1/6）=72V。上邊是一個連續(xù)模式（CCM模式）的理想工作波形。下面咱在看一個非連續(xù)模式（DCM模式）的理想工作波形從圖上可以看出DCM的Vds也是由VIN和VF組成，只不過有一段時間VF為0，這段時候是初級電流降為0，次級電流也降為0。那么到底反激變化器怎么區(qū)分是工作在連續(xù)模式（CCM）還是非連續(xù)模式（DCM）？是看初級電感電流是否降到0為分界點(diǎn)嗎，NO，反激變換器的CCM和DCM分界點(diǎn)不是按照初級電感電流是否到0來分界的，而是根據(jù)初次級的電流是否到0來分界的。如圖所示從圖上可以看出只要初級電流和次級電流不同時為零，就是連續(xù)模式（CCM）；只要初級電流和次級電流同時

6、為零，便是不連續(xù)模式（DCM）;介于這倆之間的是過度模式，也叫臨界模式（CRM）。以上說的都是理想情況，但實(shí)際應(yīng)用中變壓器是存在漏感的（漏感的能量是不會耦合到次級的），MOS管也不是理想的開關(guān)，還有PCB板的布局及走線帶來的雜散電感，使得MOS的Vds波形往往大于VIN+VF。類似于下圖這個圖是一個48V入的反激電源。從圖上看到MOS的Vds有個很大的尖峰，我用的200V的MOS，尖峰到了196了。這是尖峰是由于漏感造成的，上邊說到漏感的能量不能耦合到次級，那么MOS關(guān)斷的時候，漏感電流也不能突變，所以會產(chǎn)生個很高的感應(yīng)電動勢，因無法耦合到次級，會產(chǎn)生個很高的電壓尖峰，可能會超過MOS的耐壓值

7、而損壞MOS管，所以我們實(shí)際使用時會在初級加一個RCD吸收電路，把尖峰盡可能的吸到最低值，來確保MOS管工作在安全電壓。具體RCD吸收電路圖如下簡單分析下工作原理1.當(dāng)開關(guān)S開通時，二極管D反騙而截至。電感儲存能量。2當(dāng)開關(guān)S關(guān)斷時，電感電壓反向，把漏感能量儲存在C中，然后通過R釋放掉。細(xì)心的朋友可能會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)開關(guān)關(guān)斷的時候，這個RCD電路和次級的電路是一模一樣的，D整流，C濾波。R相當(dāng)于負(fù)載。只不過輸出電壓不是VO，而變成了次級反射到初級的電壓VF。所以，注意了，R的值不能取得太小，太小了損耗嚴(yán)重，影響效率。而且電阻的功率會變的很大！下邊來個加了RCD吸收的波形關(guān)于RCD吸收的選取網(wǎng)上有很多

8、文章，在以后我會介紹下！大家也可以看我的博客（只要在百度里搜老梁頭的博客，就會出來。里邊有一篇介紹RCD的）原理先講到這里吧，下邊我講下變壓器的設(shè)計！今天講下變壓器的設(shè)計方法！變壓器的設(shè)計方法有多種，個人感覺適合自己的才是最好的，選擇一個你自己最熟悉的，能夠理解的才是最好的！我先介紹下一種設(shè)計方法：1.先確定輸入電壓，一般是按照最低輸入直流電壓計算VINmin計算A.要是直流輸入按直流的最低輸入來計算；B.要是輸入為交流電，一般對于單相交流整流用電容濾波，直流電壓不會超過交流輸入電壓有效值的1.4倍，也不低于1.2倍。列如，全范圍交流輸入85-265VAC的電源，一般按85VAC時計算，那VI

9、Nmin=85*1.2=102V，一般會取整數(shù)按100VDC計算。2.確定導(dǎo)通時間Ton導(dǎo)通時間Ton=T*DT為周期 T=1/FD為最大占空比，一般在最低輸入電壓的時候，D會最大，保證輸出穩(wěn)定。注意大的占空比可以降低初級的電流有效值，和MOS的導(dǎo)通損耗，但是根據(jù)伏秒法則，初級占空比大了，次級的肯定會小，那么次級的峰值電流會變大，電流有效值變大，會導(dǎo)致輸出紋波變大！所以，一般單端反激拓?fù)涞恼伎毡冗x取不要超過0.5。而且一般的電流控制模式，占空比大于0.5要加斜率補(bǔ)償?shù)?，對調(diào)試是個難度。還有一重要的是你的占空比決定你的匝比，匝比決定啥，嘿嘿，反射電壓VF，忘了再去上邊看下，再加上你漏感引起的尖峰

10、，最終影響你MOS的耐壓。占空比越小匝比越小，反射電壓VF越低，MOS的電壓應(yīng)力小。反之MOS的電壓應(yīng)力大，所以占空比要考慮好了。要保證再最高電壓下你的VDS電壓在MOS的規(guī)定電壓以下，最好是降額使用，流出足夠的余量來！列如，電源的開關(guān)頻率為100K，最低輸入時的最大占空比為0.4，那T=1/100000=10S，那么Ton=0.4*10S=4S。3.確定磁芯的有效面積AEAE一般會在磁芯的資料中給出。4.計算初級匝數(shù)NPNP=VINmin*Ton/B*AE式中VINmin為直流最低輸入電壓；Ton為導(dǎo)通時間AE為磁芯的有效面積B為磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量，這個值和磁芯材質(zhì)，及溫升等有關(guān)，一般考經(jīng)驗(yàn)來

11、選取，在0.1-0.3之間，取得越大，余量越小，變壓器在極端情況下越容易飽和！俺一般取0.2。5.計算次級匝數(shù)NSNS=（Vo+Vd）*（1-D）*NP/VINmin*D式中Vo為輸出電壓Vd為二極管管壓降D為占空比NP為初級匝數(shù)VINmin為最低輸入電壓6.確定次級整流二極管的應(yīng)力VDR上邊算出變壓器的初級匝數(shù)NP和次級匝數(shù)NS后，就可以得出次級整流二極管的電壓應(yīng)力VDR=（VINmax*NS/NP）+VOUT式中VINmax為最大輸入電壓，要保證在最高輸入電壓下你的二極管的電壓應(yīng)力不超標(biāo)。一般算出來的這個VDR還要考慮降額使用，所以二極管的耐壓要高于這個VDR值。一般還要在整流管上并一個R

12、C吸收，從而降低二極管反向回復(fù)時間造成的電壓尖峰！尤其是CCM模式的時候！7.確定初級電感量LP確定電感量之前我們先看下上邊的兩個電流圖對于上圖是兩種工作模式的初級電感電流波形，我加了兩個參數(shù)Ip1和Ip2；Ip1對應(yīng)最低輸入電流Ip2對應(yīng)最高峰值電流有上邊這兩個我們也就可以算出平均電流Iavg了Iavg=（Ip1+Ip2）Dmax/2式中Dmax為最大占空比如果輸出功率為Pout，電源效率為，那么Pout/=VINmin*Iavg=VINmin*（Ip1+Ip2）Dmax/2得出Ip1+Ip2=2Pout/VINmin*Dmax*然后就可以計算Ip1和Ip2的值了對于DCM來說，電流是降到零

13、的，所以Ip1為零對于CCM來說Ip1和Ip2都是未知數(shù)，又出來個經(jīng)驗(yàn)選擇了，一般取Ip2=（2-3）Ip1，不能取得太小，太小了會有一個低電流斜率，雖然這樣損耗小點(diǎn)，但容易使變壓器產(chǎn)生磁飽和，也容易使系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩！俺一般取Ip2=3Ip1。計算出Ip1和Ip2后，這時候可以計算初級的電感量了在Ton內(nèi)電流的變化量I=Ip2-Ip1根據(jù)（VINmin/LP）*Ton=/I得出LP=VINmin*Ton/I到此變壓器的初級電感量計算完畢，變壓器的參數(shù)也計算完畢！還有一種計算方法，就是按照上邊的確定初級電感量的方法先確定電感量，然后來選擇磁芯，選擇磁芯的方法有很多種，一般最常用的是AP法這個公式是

14、看資料上的，具體我也沒推倒過具體可以看看趙修科老師的那本開關(guān)電源中的磁性元器件。式中L為初級電感量也就是LPIsp為初級峰值電流Ip也就是I，I1L為滿載初級電流有效值，但我往往會把Isp和I1L看成是一個，都是初級的峰值電流，所以仁者見仁智者見智，大家可以到應(yīng)用時具體的來微調(diào)！Bmax為磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量也就是B.這個取值和上邊一樣，取得太大，磁芯小但容易飽和，而取得太小磁芯的體積又很大，所以一般折中取值！而且和頻率關(guān)系也很大，要是頻率很高，建議取小點(diǎn)，因?yàn)轭l率高了損耗也大，變壓器大了有利于散熱俺經(jīng)常取0.2！K1=Jmax*Ko*10-4其中Jmax為最大電流密度 俺一般取450A/平方厘米

15、。但趙老師書里取得是420A/平方厘米Ko為窗口面積，有的也叫窗口利用率吧，一般取0.2-0.4，具體要看繞線的結(jié)構(gòu)了，比如加不加擋墻等因素，所以選取時要充分考慮，免得因取得變壓器太小，結(jié)構(gòu)要求苛刻而繞不下，導(dǎo)致項目失??！10-4是由米變厘米的系數(shù)所以上式整理下可得AP=Aw*Ae=（LP*IP2*104/450*B*Ko）4/3cm4計算出了AP就可以找到合適的磁芯，然后找到Ae再根據(jù)式NP=LP*IP/B*Ae式中LP就是上邊算得初級電感量IP為初級峰值電流B為磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量AE為磁芯的有效面積后邊的次級匝數(shù)NS和次級整流二極管電壓應(yīng)力的確定就和上邊的步驟5和6一樣了！那這兩種初級匝數(shù)NP的確定方法到底哪個對呢