適合初學(xué)者Flyback電路分析與設(shè)計原理

1、【初學(xué)版】flyback的分析和設(shè)計大家最早可能接觸,也是可能接觸最多的電路拓?fù)鋺?yīng)該是flyback.至少我剛剛接觸電源的時候,最先就是flyback.不會設(shè)計,連分析也不懂，唯一能做的是模仿（額，難聽點就是抄襲了:（）.這樣子的狀態(tài)持續(xù)了一段時間后,才開始慢慢的有一些了解.為了讓初學(xué)者能更快的上手,少走彎路,于是有了這一章.為了分析flyback電路,我們從flyback的源頭開始說吧.Flyback是從最基本的三種電路中的buck-boost演變而來的.所以對buck-boost的分析，一定有助于對flyback的分析,而且buck-boost看起來似乎要比flyback簡單,至少它沒有變

2、壓器吧.為了證明我沒有騙你,下面將要開始來對buck-boost進行演變,最終會演變成flyback.圖一圖一是buck-boost的原型電路.把電感L繞一個并聯(lián)線圈出來,如圖把L的2個并聯(lián)線圈斷開連接，并且改變?nèi)?shù)比,改為:1:n,如圖三:oDoDoDoDoDoDV和接地的位置V把圖三中的二極管沿著所在回路移動,變成陰極朝外的樣子,并且,改變輸出電壓如圖四：oDoDoDoD把圖四中的Q順著回路移動到變壓器下方,如圖五:oDoDoDoD冬五把圖五的電路，重新整理一下成圖六.A_A,這樣子和你見到的flyback有點像了吧.4-Tn圖六以上說明，我們研究buck-boost的行為特性,對研究fl

3、yback的行為特性有很大的幫助.電路工作在連續(xù)狀態(tài)(CCM)也就是說電感電流L是連續(xù)的,任何時候電感中總存在電流.(電路的另一種工作狀態(tài)DCM各在以后的章節(jié)中分析)在一的假設(shè)下，電路工作就可以分成2個狀態(tài)，狀態(tài)1,Q開通,二極管D關(guān)斷，這個狀態(tài)時間長度為t1,Ts為周期，這個狀態(tài)記為d,狀態(tài)2,Q關(guān)斷,二極管D開通,這個狀態(tài)記為,d=1-d.電感L中的電流紋波和電容C上的電壓紋波相對其直流分流來說都很小.一個好的設(shè)計，要求輸出的電壓紋波總是很小，所以,C的紋波小，總是成立的.所有的損耗都不討論先.即，電路所有原件是理想的.電路工作在一個穩(wěn)定的狀態(tài)下.第一個工作狀態(tài):mosfetQ開通,二極管

4、D關(guān)斷.如圖八所示:?圖八列寫狀態(tài)方程:處)嗚(1)因為有前面的假設(shè),所以2可以簡化為:狀態(tài)1的持續(xù)時間為dTs.第二個工作狀態(tài):MosfetQ關(guān)斷,二極管D開通.如圖九所示:V+SO)v_R狀態(tài)2持續(xù)時間為(1-d)Ts,記為dTs.由于這是一個和諧的電路,所以有：TOC o 1-5 h z呂(6)_匕血+(1三)加=0氏R(7)解等式6和7,并利用d+d=1可得:(8)VIa曲(9)從等式8看到了在CCM模式下面buck-boost的直流增益，因為flyback是從buck-boost變來的,所以我們猜測flyback的直流增益應(yīng)該和這個有些像(具體見后文推導(dǎo)).從等式9看到了在CCM模式

5、下面buck-boost的電感的平均電流就等于輸出的電流除以d.接著馬上研究一下mosfet和D所承受的電壓.在狀態(tài)1,二極管D關(guān)斷，所承受的反壓為:(10)利用等式8的結(jié)果，則(10)可以寫為:同理可在狀態(tài)2計算Mosfet所承受的電壓:(11)(12)等式11和等式12在告訴我們,占空比d越大，輸出電壓V的值越高,Mosfet和二極管D所承受的電壓越高(好像是廢話,輸出電壓越高,直觀來說器件所承受的電壓也越高嘛).等式11和等式12,不僅僅驗證了這個直觀的想法,而且定量的給出了電壓的大小,這個是有意義的事情.下面研究一下這個電路中的電流吧.電感的平均電流i等式9已經(jīng)給出，是和輸出電流相關(guān),

6、那電感的紋波電流呢？在狀態(tài)1,電感電流的示意圖如圖十所示(在畫圖板里面畫的圖，難看一點了，能看明白就好了，將就用下吧)：iJelta1從圖十中計算：A?=dTs2L（13）這個.的大小是可以被設(shè)計的.而且，如果電路是理想無損耗的話，當(dāng)輸入電壓和輸出電壓確定后，這個值是不隨著輸出電流變化的,它被電感所確定了!這個很重要,對后面的DCM犬態(tài)的分析很重要.前面有假設(shè)相對i很小，那現(xiàn)在給出一個具體的值,比如設(shè)計成i的5%.有效值（RMS的計算,按照公式是這么算:在電源中，最常見的是梯形波（三角波是梯形波的一種特殊形式）,每次都按14的方法計算RMS值是不是覺得很煩呢？有沒有簡單的方法啊?答案，有,下面

7、就是一個很簡單的計算諸如梯形波一類分段線性函數(shù)的有效值的方法.真的很簡單,像梯形波這樣子，一般用心算就可以得出來近似值了哦一個如圖十一的波形,有效值可以這樣子計算:其中D1,D2,D3,分別表示該段經(jīng)歷的時間占總時間的比例.圖十氣也2+氣也d+*；+嘗從D3(14a)好，馬上來利用一下我們的秘籍來計算通過Mosfet,二極管D和電感的RMSfe流.這個事情很有意義.-已經(jīng)假設(shè)為5%勺i的大小，則通過Mosfet的RMS電流嚴(yán)*0予);+2：=1.0004,両(15)有發(fā)現(xiàn)什么沒有?這個值是不是非常接近于用電感電流的平均值i來計算的RMSfi啊（說明在小紋波的情況下，用平均值來代替RMSfi,是

8、一個好辦法.因為通常來說,平均值都比RMSS好計算同理，流過二極管D的RMSfe流可以表示為:-v（16）流過電感L的RMSfe流可以表示為：(17)到這里，幾乎所有的原件都計算了,除了C.下面就來計算C的一些東西.C上的紋波電壓.利用我們前面的假設(shè),在d時間段內(nèi),有:diBd所以有：(18)VTs2RC(19)對C進行充放電的電流只是紋波電流,其直流成分都供給了負(fù)載,所以有:(20)其中-好,到現(xiàn)在為止,你已經(jīng)是一個CCM模式的buck-boost的初級設(shè)計師了下面開始我們的flyback的分析之旅.首先推出一個叫做簡單變壓器模型的東西,用這個東西可以簡單的模擬變壓器,就能對有變壓器的電路開

9、始做分析了.圖十二，給出了這個簡單的模型.圖十二其中Lm代表著勵磁電感，其它部分則是一個理想變壓器.對一個設(shè)計良好的變壓器來說,需要的勵磁電流，總是占總電流的很小的一部分.這個簡單的變壓器模型忽略了諸如漏感,耦合電容，層間電容，電阻等參數(shù)但是，這個模型做為開始的分析讓然是一個好的選擇下面就把這個簡單的變壓器的模型插入到我們的flyback的電路（圖六）當(dāng)中，并規(guī)定電壓電流的正方向，如圖十三所示.圖十三假定這個flyback電路仍然工作在穩(wěn)定的CCM犬態(tài).在狀態(tài)1mosfetQ開通,二極管D關(guān)斷，電路如圖十四所示.TVTV圖十四應(yīng)用我們最開始的假設(shè),然后列寫狀態(tài)方程：-(21)r農(nóng)(22)S=(

10、23)這個狀態(tài)持續(xù)時間為dTs丄m中的電流i在Vg的作用下，線性增加，斜率為宀.能量儲存在Lm中.在狀態(tài)2MosfetQ關(guān)斷,二極管D開通，電路如圖十五所示.(38)1C圖十五在最開始的假設(shè)情況下，列寫狀態(tài)方程:(24)(38)(38)廠0(26)這個狀態(tài)持續(xù)時間為丄m中的電流i在二次側(cè)折射電壓的作用下，開始線性減少,斜率為*理.能量轉(zhuǎn)移到輸出在經(jīng)過一個周期的折騰后，電感Lm電流回到周期開始的點,C上的電壓回到周期開始的點.因為,這是一個工作在和諧狀態(tài)下的電路.所以有：“V.冷(27)(28)輸入電流ig的周期平均值為:(38)解等式27和等式28得:(30)Rd(31)對比等式30和等式8以

11、及等式31和等式9.發(fā)現(xiàn)沒有,是不是流增益很像?也說明了,flyback是由buck-boost演變而來的.buck-boost和flyback的直F面研究Mosfet和二極管D所承受的電壓.(32)(38)(38)肚盼叫(33)用等式(30)來做簡化,則有:(35)電感紋波電流的算法，在等式13中已經(jīng)給出.同樣假設(shè).設(shè)計為i的5%則通過Mosfet的RMSt流油等式15給出.通過二極管D的RMSt流為：_1.0004r陀(36)輸入的RMSt流等于Mosfet的RMS電流.照前面的方法計算C的紋波電流的RMSS為:卩1.00083浪丁(37)紋波電壓為：VTs2BC到現(xiàn)在為止,好像CCM-f

12、lyback的draft（這里我實在找不到一個合適的詞來形容,所以就只好用這個字了希望都能明白這個字后面的意思）設(shè)計呼之欲出了啊到這里，如果正好你也看過了菜鳥課堂1的話，那恭喜你，你已經(jīng)是初級的ccm-flyback設(shè)計師了.可以開始做自己的flyback了,雖然性能還很差,也許變壓器還會飽和,可能還會響,但不管怎樣,這是第一個哦今天最后附上一個禮物送給大家,CCM-flyback的參數(shù)計算表格.工作在DCM#況下的flyback比在CCMF多了一個工作狀態(tài)3.工作狀態(tài)1和工作狀態(tài)2與CCM的工作狀態(tài)1和2相同，在工作狀態(tài)3下,MosfetQ和二極管D都處于關(guān)斷狀態(tài).三個工作狀態(tài)分別如圖十六,

13、圖十七，圖十八所示經(jīng)歷時間分別為d1Ts,d2Ts,d3Ts.T圖十六圖十七TVTV+分別對3個狀態(tài)列寫狀態(tài)方程.狀態(tài)1有：唄D(39)(40)(41)狀態(tài)2有:(42)(43)(44)狀態(tài)3有:(45)(46)一個好的設(shè)計，輸出電壓V的紋波比電壓V小很多.忽略電壓紋波,有：盤(48)從等式48中得到的V/Vg的表達(dá)式中含有d2,這個不是想要的形式.想辦法把d2消去.C里面(58)只流過紋波電流，直流成分都輸出給負(fù)載.所以通過二極管D電流的平均值就等于輸出到負(fù)載上的電流.(49)(58)(58)二極管的平均電流也可以這樣子計算(因為是三角波):(58)(58)S表示的是流過二極管的峰值電流.與ipk的的關(guān)系是:(5