【導(dǎo)讀】上一節(jié)我們學(xué)習(xí)的是反激變換器滿足的基本關(guān)系式，接下來繼續(xù)學(xué)習(xí)隔離輸出的反激式變換器和離線式反激變換器的設(shè)計(jì)及計(jì)算。本文是網(wǎng)友根據(jù)自己所學(xué)知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)所得，如有不當(dāng)，歡迎指正！希望對(duì)學(xué)習(xí)開關(guān)電源設(shè)計(jì)的朋友們有所幫助。
2.隔離輸出的反激式變換器電壓和電流關(guān)系
如果將圖一中的電感換成耦合電感，使輸入和輸出加在不同的繞組上，得到圖四a所示的電路。為了方便討論，我們假設(shè)L1和L2的線圈匝比為n，耦合系數(shù)為1。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電源輸入端向電感L1中存儲(chǔ)能量，根據(jù)同名端的關(guān)系，L2中感應(yīng)出上正下負(fù)的電壓，二極管D反偏。在開關(guān)關(guān)斷前的一瞬間，L1中的電流上升到最大值，在開關(guān)關(guān)斷瞬間，L1與輸入端沒有通路，為了阻止磁通量的突變，L2上的電壓反向，使得輸出二極管正偏導(dǎo)通，存儲(chǔ)在磁芯中的磁場能轉(zhuǎn)移到輸出電容和負(fù)載中。
圖四：隔離輸出的反激變換器原理圖
圖四a給出的電路就是離線式反激變換器的雛形了，在實(shí)際應(yīng)用中，我們往往把開關(guān)管放在電源輸入的負(fù)端，并且輸出為上正下負(fù)看起來也比較習(xí)慣，于是得到了圖四b所示的反激式變換器基本結(jié)構(gòu)。
首先我們討論圖四b所示電路中L1和L2中的電流，圖五給出了相應(yīng)的波形圖。開關(guān)關(guān)斷瞬間，磁通量不能突變，所以L2中的電流等于關(guān)斷前一瞬間L1電流值的n倍(n為L1和L2線圈匝比)。開關(guān)閉合瞬間，為了阻止磁通量突變，L1中電流等于閉合前一瞬間L2中電流的1/n.。又因?yàn)樵陂_關(guān)閉合期間和開關(guān)斷開期間L1和L2中電流都是線性變化的，所以我們可以得出如下的關(guān)系式：
從上面的關(guān)系式進(jìn)一步得到：
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上面式子中的n=N1/N2，其中N1為L1的線圈匝數(shù)，N2為L2的線圈匝數(shù)。
圖五：隔離輸出的反激式變換器初次級(jí)電感電流波形
接下來討論L1和L2的電壓關(guān)系，圖六給出了相應(yīng)的波形圖。開關(guān)閉合期間，根據(jù)同名端和匝比的關(guān)系，L2上感應(yīng)出上負(fù)下正的電壓，大小為Vin/n；開關(guān)關(guān)斷期間，L2上的電壓等于輸出電壓加上二極管電壓正向壓降，極性為上正下負(fù)，設(shè)這個(gè)電壓為VL2，則根據(jù)同名端和匝比關(guān)系，L1上的感應(yīng)電壓為nVL2，極性變?yōu)樯县?fù)下正。我們把這個(gè)電壓叫做次級(jí)反射電壓Vor。
圖六：隔離輸出的反激變換器輸入輸出電壓波形
前面提到，為了維持變換器的穩(wěn)定工作，開關(guān)閉合期間電感上電壓與閉合時(shí)間的乘積應(yīng)等于開關(guān)斷開期間電感上電壓與斷開時(shí)間的乘積。對(duì)于耦合電感，我們計(jì)算時(shí)將開關(guān)閉合和斷開期間的電壓全部這算到初級(jí)來計(jì)算的話，就有如下關(guān)系：
不難看出，對(duì)于當(dāng)輸入電壓最低時(shí)，占空比最大。在反激式開關(guān)電源中，最大占空比是一個(gè)很重要的參數(shù)，對(duì)于連續(xù)模式的反激式變換器，一般情況下，最大占空比限定在0.5以內(nèi)，超過0.5的話，容易出現(xiàn)次諧波振蕩。
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不可忽略的是，實(shí)際工程中L1不可能和L2形成理想的全耦合，L1中有少量的磁通不能完全耦合到L2中，等效為L1上串聯(lián)一個(gè)電感量較小的電感，也就是常說的漏感Lleak。在開關(guān)斷開瞬間，這部分不能耦合到L2中的磁通也不能突變，于是Lleak試圖通過將電壓反向來續(xù)流，此時(shí)開關(guān)閉合，沒有續(xù)流通道，于是Lleak上感應(yīng)出一個(gè)很高的尖峰電壓Vpk，這個(gè)電壓和上面的反射電壓方向相同。在開關(guān)斷開的瞬間，電源輸入電壓、次級(jí)反射電壓和漏感尖峰電壓一起加在開關(guān)管上，由于漏感尖峰電壓通常很高，能夠瞬間造成開關(guān)管的損壞，實(shí)際電路中一般要進(jìn)行鉗位處理。
3.離線式反激變換器的電路原理
圖七給出了一個(gè)輸出5V/2A的電源適配器用到的離線式反激變換器完整的原理圖，主芯片型號(hào)為RM6203(西安亞成微電子)，芯片內(nèi)部集成了完整的控制電路和一個(gè)800V的高壓功率BJT。下面我們以這個(gè)電路為例分析外圍電路的基本作用，對(duì)于使用其他控制芯片的電路，原理上大同小異。
圖七：輸出5V/2A的離線式反激變換器
輸入的交流市電經(jīng)過保險(xiǎn)絲F1后進(jìn)入由C3和T2構(gòu)成的共模濾波器，濾除電網(wǎng)中的共模干擾信號(hào)，然后經(jīng)過D2全橋整流和電容C6濾波后得到較為平坦的直流電。直流電通過R2和R5加在內(nèi)部開關(guān)功率管的基極，向基極注入電流，開關(guān)管的集電極(也就是芯片的OC引腳)有電流流過，初級(jí)繞組開始有電流流過。同時(shí)直流電通過R2和R5向電容C8開始充電，當(dāng)C8上的電壓達(dá)到IC工作的啟動(dòng)電壓時(shí)，IC開始工作。
IC進(jìn)入正常工作后，在開關(guān)關(guān)斷期間，輔助供電繞組Na上感應(yīng)出的電壓使D5導(dǎo)通，輔助繞組為IC供電，并將部分能量儲(chǔ)存在電容C8中，待下一周期開關(guān)導(dǎo)通期間，電容為IC供電。
圖七電路中，R4、C5和D3并聯(lián)在變壓器的初級(jí)繞組上，這就是常見的一種吸收漏感尖峰的電路結(jié)構(gòu)，RCD吸收電路。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷瞬間，初級(jí)線圈的漏感以及PCB線路的寄生電感感應(yīng)出很高的尖峰電壓時(shí)，D3會(huì)正偏導(dǎo)通，由于電容C5上的電壓不能突變，于是尖峰電壓被箝位在一定的范圍內(nèi)，保護(hù)開關(guān)管不被損壞。開關(guān)斷開期間C5上增加的能量會(huì)在開關(guān)閉合期間消耗在R4上，防止C5上的電壓不斷升高。
圖七中的電容C10用于設(shè)置IC內(nèi)部的振蕩器工作頻率，C1并聯(lián)在初次級(jí)之間用于減小差模干擾。R10和R11接在開關(guān)管發(fā)射極和初級(jí)地之間，當(dāng)次級(jí)電流增大時(shí)，由第二節(jié)推出的關(guān)系可知，初級(jí)開關(guān)的峰值電流也會(huì)成比例增加，導(dǎo)致R10和R11上的電壓升高，IC通過檢測這個(gè)電壓判斷次級(jí)是否出現(xiàn)過流或者短路，如果是，IC將執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。
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接下來我們看次級(jí)電路。次級(jí)繞組Ns輸出后的基本結(jié)構(gòu)和第二節(jié)討論的完全一致，增加的輸出LC濾波器L1和C7用于減小紋波，并聯(lián)在輸出二極管上的RC電路用于吸收輸出二極管上的尖峰。
圖八：輸出二極管的波形
在高速開關(guān)下，二極管導(dǎo)通瞬時(shí)，電流變化率很大，在導(dǎo)通瞬間，二極管呈現(xiàn)較大的正向壓降(如圖八b)，又由于二極管結(jié)電容、次級(jí)漏感和PCB線路寄生電感的存在，二極管上可能會(huì)會(huì)出現(xiàn)振蕩(如圖八c)。正向電壓過沖或者電壓的振蕩都會(huì)導(dǎo)致二極管的損耗增加，在輸出電流較大時(shí)，這一損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過二極管的導(dǎo)通損耗，造成二極管過熱。為了一定程度抑制振蕩或者減小過沖，通常在二極管上并聯(lián)RC吸收網(wǎng)絡(luò)(圖六所示的R1和C2)，引入這一這一電路后，二極管的損耗被部分轉(zhuǎn)移到電阻上。
最后簡單討論反饋環(huán)路。通常的離線式反激變換器使用TL431加光耦的形式作為次級(jí)反饋電路。TL431的內(nèi)部等效電路如圖九所示。它實(shí)際上包含了一個(gè)電壓基準(zhǔn)源和一個(gè)誤差放大器。
圖九：TL431內(nèi)部等效電路
分析圖七所示電路，當(dāng)某種因素(如電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載電流的增加等)導(dǎo)致輸出電壓降低時(shí)，由R9和R12得到的TL431的REF端電位降低，圖九所示的等效電路中BJT的基極電流相應(yīng)減小，從而集電極電流減小，流過TL431陰極的電流也減小，光耦的輸入電流(即發(fā)光二極管電流)隨之減小，最終導(dǎo)致連接初級(jí)部分的光耦輸出端(光敏三極管集電極)電流減小，集電極電位升高。至此，次級(jí)電壓減小的信號(hào)反饋到了初級(jí)，初級(jí)通過監(jiān)測光耦輸出端的集電極電位的升降來判斷輸出電壓是降低還是升高。如果降低，初級(jí)將通過增大開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間(對(duì)于PWM模式)或者開關(guān)頻率(對(duì)于PFM模式)來是輸出電壓穩(wěn)定；反之亦然。
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