開關(guān)電源設(shè)計技巧連載九正激式變壓器開關(guān)電源

1、開關(guān)電源設(shè)計技巧連載九：正激式變壓 器開關(guān)電源正激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓的瞬態(tài)控制特性和輸出電壓負載特性，相對來說比較好，因此，工作比較穩(wěn)定，輸出電壓不容易產(chǎn)生抖動，在一些對輸出電壓參 數(shù)要求比較高的場合，經(jīng)常使用。1-6-1 .正激式變壓器開關(guān)電源工作原理所謂正激式變壓器開關(guān)電源，是指當變壓器的初級線圈正在被直流脈沖電壓激勵 時，變壓器的次級線圈正好有功率輸出。圖1-17是正激式變壓器開關(guān)電源的簡單工作原理圖，圖 1-17中Ui是開關(guān)電源 的輸入電壓，T是開關(guān)變壓器，K是控制開關(guān)，L是儲能濾波電感，C是儲能濾波 電容，D2是續(xù)流二極管,D3是削反峰二極管，R是負載電阻。在圖1-17中，需要

2、特別注意的是開關(guān)變壓器初、次級線圈的同名端。如果把開關(guān)變壓器初線圈或次級線圈的同名端弄反，圖 1-17就不再是正激式變壓器開關(guān) 電源了。圖17我們從（1-76）和（1-77）兩式可知，改變控制開關(guān) K的占空比D,只能改變輸 出電壓（圖1-16-b中正半周）的平均值Ua ,而輸出電壓的幅值Up不變。因此, 正激式變壓器開關(guān)電源用丁穩(wěn)壓電源，只能采用電壓平均值輸出方式。圖1-17中，儲能濾波電感L和儲能濾波電容C,還有續(xù)流二極管D2,就是電壓 平均值輸出濾波電路。其工作原理與圖1-2的申聯(lián)式開關(guān)電源電壓濾波輸出電路 完全相同，這里不再贅述。關(guān)丁電壓平均值輸出濾波電路的詳細工作原理，請參 看“ 1-

3、2.申聯(lián)式開關(guān)電源”部分中的“申聯(lián)式開關(guān)電源電壓濾波輸出電路”內(nèi)正激式變壓器開關(guān)電源有一個最大的缺點，就是在控制開關(guān)K關(guān)斷的瞬間開關(guān)變 壓器的初、次線圈繞組都會產(chǎn)生很高的反電動勢， 這個反電動勢是由流過變壓器 初線圈繞組的勵磁電流存儲的磁能量產(chǎn)生的。因此，在圖 1-17中，為了防止在 控制開關(guān)K關(guān)斷瞬間產(chǎn)生反電動勢擊穿開關(guān)器件，在開關(guān)變壓器中增加一個反電 動勢能量吸收反饋線圈N3繞組，以及增加了一個削反峰二極管 D&反饋線圈N3繞組和削反峰二極管D3對丁正激式變壓器開關(guān)電源是十分必要的， 一方面，反饋線圈N3繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢通過二極管 D3可以對反電動勢進行 限幅，并把限幅能量返回

4、給電源，對電源進行充電；另一方面，流過反饋線圈 N3繞組中的電流產(chǎn)生的磁場可以使變壓器的鐵心退磁，使變壓器鐵心中的磁場 強度恢復(fù)到初始狀態(tài)。由丁控制開關(guān)突然關(guān)斷，流過變壓器初級線圈的勵磁電流突然為0,此時，流過反饋線圈N3繞組中的電流正好接替原來勵磁電流的作用，使變壓器鐵心中的磁 感應(yīng)強度由最大值Bm返回到剩磁所對應(yīng)的磁感應(yīng)強度 Br位置，即：流過反饋線 圈N3繞組中電流是由最大值逐步變化到 0的。由此可知，反饋線圈N3繞組產(chǎn)生 的感應(yīng)電動勢在對電源進行充電的同時，流過反饋線圈N3繞組中的電流也在對變壓器鐵心進行退磁。圖118圖1-18是圖1-17中正激式變壓器開關(guān)電源中幾個關(guān)鍵點的電壓、電流

5、波形圖。圖1-18-a ）是變壓器次級線圈N2繞組整流輸出電壓波形，圖1-18-b ）是變壓器 次級線圈N3繞組整流輸出電壓波形，圖1-18-c ）是流過變壓器初級線圈N1繞 組和次級線圈N3繞組的電流波形。圖1-17中，在Ton期間，控制開關(guān)K接通，輸入電源Ui對變壓器初級線圈N1繞組加電，初級線圈N1繞組有電流i1流過，在N1兩端產(chǎn)生自感電動勢的同時， 在變壓器次級線圈N2繞組的兩端也同時產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并向負載提供輸出電 壓。開關(guān)變壓器次級線圈輸出電壓大小由（1-63）、（1-69）、（1-76）、（1-77）等式給出，電壓輸出波形如圖1-18-a ） o圖1-18-c ）是流過變壓器初

6、級線圈電流i1的波形。流過正激式開關(guān)變壓器的電 流與流過電感線圈的電流不同，流過正激式開關(guān)變壓器中的電流有突變，而流過電感線圈的電流不能突變。因此，在控制開關(guān)K接通瞬間流過正激式開關(guān)變壓器 的電流立刻就可以達到某個穩(wěn)定值，這個穩(wěn)定電流值是與變壓器次級線圈電流大 小相關(guān)的。如果我們把這個電流記為i10 ,變壓器次級線圈電流為i2 ,那么就是： i10 = n i2 ，其中n為變壓器次級電壓與初級電壓比。另外，流過正激式開關(guān)變壓器的電流i1除了 i10之外還有一個勵磁電流，我們 把勵磁電流記為？i1。從圖1-18-c ）中可以看出，？i1就是i1中隨著時間線性增 長的部份，勵磁電流？i1由下式給出

7、：Ail= 一一 K接通期間（1-S0）A當控制開關(guān)K由接通突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷瞬間，流過變壓器初級線圈的電流i1突然為0,由丁變壓器鐵心中的磁通量 不能突變，必須要求流過變壓器次級線圈回路的 電流也跟著突變，以抵消變壓器初級線圈電流突變的影響，要么，在變壓器初級線圈回路中將出現(xiàn)非常高的反電動勢電壓，把控制開關(guān)或變壓器擊穿。如果變壓器鐵心中的磁通 產(chǎn)生突變，變壓器的初、次級線圈就會產(chǎn)生無限高的 反電動勢，反電動勢乂會產(chǎn)生無限大的電流，而電流乂會抵制磁通的變化，因此, 變壓器鐵心中的磁通變化，最終還是要受到變壓器初、次級線圈中的電流來約束 的。因此，控制開關(guān)K由接通狀態(tài)突然轉(zhuǎn)為關(guān)斷，變壓器初級線圈回路中

8、的電流突然 為0時，變壓器次級線圈回路中的電流i2 一定正好等丁控制開關(guān)K接通期間的 電流i2（Ton+）,與變壓器初級線圈勵磁電流？i1被折算到變壓器次級線圈的電流 之和。但由丁變壓器初級線圈中勵磁電流 ？i1被折算到變壓器次級線圈的電流？ i1/n的方向與原來變壓器次級線圈的電流 i2（Ton+）的方向是相反的，整流二極 管D1對電流？i1/n并不導(dǎo)通，因此，電流?i1/n只能通過變壓器次級線圈N3繞 組產(chǎn)生的反電動勢，經(jīng)整流二極管 D3向輸入電壓Ui進行反充電。在Ton期間，由丁開關(guān)變壓器的電流的i10等丁 0,變壓器次級線圈N2繞組回 路中的電流i2自然也等丁 0,所以，流過變壓器次級

9、線圈 N3繞組中的電流，只 有變壓器初級線圈中勵磁電流？i1被折算到變壓器次級線圈N3繞組回路中的電 流i3 （等丁?i1/n）,這個電流的大小是隨著時間下降的。一般正激式開關(guān)變壓器的初級線圈匝數(shù)與次級反電動勢能量吸收反饋線圈N3繞組的匝數(shù)是相等的（D = 0.5時），即：初、次級線圈匝數(shù)比為：1 : 1 ,因此， ?i1 = i3 。圖1-18-c ）中，i3用虛線表示。圖1-18-b ）是正激式開關(guān)變壓器次級反電動勢能量吸收反饋線圈N3繞組的電壓波形。這里取變壓器初、次級線圈匝數(shù)比為：1 : 1,因此，當次級線圈N3繞組 產(chǎn)生的反電動勢電壓超過輸入電壓 Ui時，整流二極管D3就導(dǎo)通，反電動

10、勢電壓 就被輸入電壓Ui和整流二極管D3進行限幅，并把限幅時流過整流二極管的電流 送回供電回路對電源或儲能濾波電容進行充電。當占空比D大丁或小丁 0.5時，反饋線圈N3與初級線圈N1繞組的匝數(shù)比最好也要稍微改變，使整流二極管限幅 以及變壓器退磁均達到最佳效果。精確計算電流i3的大小，可以根據(jù)（1-80）式以及下面方程式求得，當控制開 關(guān)K關(guān)閉時：日二-乙玄二- Ui 一一 K接通期間（1-81）diK美斷期間(b82)上式中右邊的第一項就是流過變壓器初級線圈N1繞組中的最大勵磁電流被折算到次級線圈N3繞組中的電流，第二項是i3中隨著時間變化的分量。其中n為變 壓器次級線圈與初級線圈的變壓比。

11、值得注意的是，變壓器初、次級線圈的電感 量不是與線圈匝數(shù)N成正比，而是與線圈匝數(shù) N2成正比。由（1-82）式可以看 出，變壓器次級線圈N3繞組的匝數(shù)增多，即：L3電感量增大，變壓器次級線圈 N3繞組的電流i3就變小，并且容易出現(xiàn)斷流，說明反電動勢的能量容易釋放完。 因此，變壓器次級線圈N3繞組匝數(shù)與變壓器初級線圈N1繞組匝數(shù)之比n最好大 丁一或等丁一。當N1等丁 N3時，即：L1等丁 L3時，上式可以變?yōu)?13=孚（寫K接通期間(1-83)（1-83）式表明，當變壓器初級線圈N1繞組的匝數(shù)與次級線圈N3繞組的匝數(shù)相 等時，如果控制開關(guān)的占空比 D小丁 0.5，電流i3是不連續(xù)的；如果占空比

12、D 等丁 0.5，電流i3為臨界連續(xù)；如果占空比 D大丁 0.5，電流i3為連續(xù)電流。這里順便說明，在圖1-17中，最好在整流二極管D1的兩端并聯(lián)一個高頻電容（圖 中未畫出）。其好處一方面可以吸收當控制開關(guān) K關(guān)斷瞬間變壓器次級線圈產(chǎn)生 的高壓反電動勢能量，防止整流二極管 D1擊穿；另一方面，電容吸收的能量在 下半周整流二極管D1還沒導(dǎo)通前，它會通過放電（與輸出電壓申聯(lián)）的形式向 負載提供能量。這個并聯(lián)電容不但可以提高電源的輸出電壓（相當丁倍壓整流的 作用)，還可以大大地減小整流二極管 D1的損耗，提高工作效率。同時，它還 會降低反電動勢的電壓上升率，對降低電磁輻射有好處。1-6-2 .正激式

13、變壓器開關(guān)電源的優(yōu)缺點為了表征各種電壓或電流波形的好壞，一般都是拿電壓或電流的幅值、平均值、有效值、一次諧波等參量互相進行比較。 在開關(guān)電源之中，電壓或電流的幅值和 平均值最直觀，因此，我們用電壓或電流的幅值與其平均值之比，稱為脈動系數(shù) S;也有人用電壓或電流的有效值與其平均值之比，稱為波形系數(shù) K。因此，電壓和電流的脈動系數(shù) Sv、Si以及波形系數(shù)Kv、Ki分別表示為：Sv - r電壓脈動系數(shù)C1-84)Se二#一一電流脈動系數(shù)(1-85)Kv= y一一電壓波形系數(shù)(1-86)%=奪一一電流波形系數(shù)(1-87) 上面4式中，Sv、Si、Kv、Ki分別表示：電壓和電流的脈動系數(shù) S,和電壓和電

14、 流的波形系數(shù)K,在一般可以分活楚的情況下一般都只寫字母大寫 S或K。脈動 系數(shù)S和波形系數(shù)K都是表征電壓或者電流好壞的指標，S和K的值，顯然是越 小越好。S和K的值越小，表示輸出電壓和電流越穩(wěn)定，電壓和電流的紋波也越 小。正激式變壓器開關(guān)電源正好是在變壓器的初級線圈被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈向負載提供功率輸出，并且輸出電壓的幅度是基本穩(wěn)定的，此時盡管輸 出功率不停地變化，但輸出電壓的幅度基本還是不變，這說明正激式變壓器開關(guān) 電源輸出電壓的瞬態(tài)控制特性相對來說比較好；只有在控制開關(guān)處丁關(guān)斷期間， 功率輸出才全部由儲能電感和儲能電容兩者同時提供， 此時輸出電壓雖然受負載 電流的影響，但如

15、果儲能電容的容量取得比較大，負載電流對輸出電壓的影響也 很小。另外，由丁正激式變壓器開關(guān)電源一般都是選取變壓器輸出電壓的一周平均值，儲能電感在控制開關(guān)接通和關(guān)斷期間都向負載提供電流輸出， 因此，正激式變壓 器開關(guān)電源的負載能力相對來說比較強， 輸出電壓的紋波比較小。如果要求正激 式變壓器開關(guān)電源輸出電壓有較大的調(diào)整率， 在正常負載的情況下，控制開關(guān)的 占空比最好選取在0.5左右，或稍大丁 0.5,此時流過儲能濾波電感的電流才是 連續(xù)電流。當流過儲能濾波電感的電流為連續(xù)電流時，負載能力相對來說比較強。當控制開關(guān)的占空比為0.5時，正激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓 uo的幅值正好 等丁電壓平均值Ua的

16、兩倍，流過濾波儲能電感電流的最大值Im也正好是平均電 流Io （輸出電流）的兩倍，因此，正激式變壓器開關(guān)電源的電壓和電流的脈動 系數(shù)S都約等丁 2,而與反激式變壓器開關(guān)電源的電壓和電流的脈動系數(shù)S相比,差不多小一倍，說明正激式變壓器開關(guān)電源的電壓和電流輸出特性要比反激式變 壓器開關(guān)電源好很多。正激式變壓器開關(guān)電源的缺點也是非常明顯的。 其中一個是電路比反激式變壓器 開關(guān)電源多用一個大儲能濾波電感，以及一個續(xù)流二極管。此外，正激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓受占空比的調(diào)制幅度，相對丁反激式變壓器開關(guān)電源來說要低 很多，這個從（1-77）和（1-78）式的對比就很明顯可以看出來。因此，正激式 變壓器開關(guān)

17、電源要求調(diào)控占空比的誤差信號幅度比較高，誤差信號放大器的增益和動態(tài)范圍也比較大。另外，正激式變壓器開關(guān)電源為了減少變壓器的勵磁電流，提高工作效率，變壓器的伏秒容量一般都取得比較大（伏秒容量等丁輸入脈沖電壓幅度與脈沖寬度的 乘積，這里用VT來表示），并且為了防止變壓器初級線圈產(chǎn)生的反電動勢把開 關(guān)管擊穿，正激式變壓器開關(guān)電源的變壓器要比反激式變壓器開關(guān)電源的變壓器 多一個反電動勢吸收繞組，因此，正激式變壓器開關(guān)電源的變壓器的體積要比反 激式變壓器開關(guān)電源的變壓器的體積大。正激式變壓器開關(guān)電源還有一個更大的缺點是在控制開關(guān)關(guān)斷時， 變壓器初級線 圈產(chǎn)生的反電動勢電壓要比反激式變壓器開關(guān)電源產(chǎn)生的反

18、電動勢電壓高。因為一般反激式變壓器開關(guān)電源工作時， 控制開關(guān)的占空比都取在0.5左右，而反激 式變壓器開關(guān)電源控制開關(guān)的占空比都取得比較小。正激式變壓器開關(guān)電源在控制開關(guān)關(guān)斷時， 變壓器初級線圈兩端產(chǎn)生的反電動勢 電壓是由流過變壓器初級線圈的勵磁電流產(chǎn)生的。因此，為了提高工作效率和降低反電動勢電壓的幅度，盡量減小正激式開關(guān)變壓器初級線圈的勵磁電流是值得 考慮的。當控制開關(guān)的占空比為0.5時，在控制開關(guān)關(guān)斷時刻，電源變壓器初級會產(chǎn)生反 電動勢，反電動勢產(chǎn)生的電流方向與輸入電壓 Ui產(chǎn)生的電流方向相同，因此， 控制開關(guān)兩端的電壓正好等丁輸入電壓 Ui與反電動勢Up-之和，即：Ukp=Ui + Up- 一一 K 關(guān)斷期間（1-88）式中Ukp為控制開關(guān)關(guān)斷時刻，控制開關(guān)兩端的電壓； Up-為變壓器初級線圈產(chǎn) 生反電動勢電壓的峰值。根據(jù)（1-68）式和圖1-16-b可知，