【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 設(shè)備告別了笨重的變壓器和需要使用龐大散熱器的線性穩(wěn)壓器，電子產(chǎn)品做到了更小的體積、更輕的重量和更高的效率。但是，開關(guān)電源使得設(shè)計(jì)門檻大大提高，它要求設(shè)計(jì)者在電路和磁學(xué)上必須有深刻的理解。介紹開關(guān)電源的書籍很多，但是大都過(guò)于繁雜，學(xué)習(xí)和消化完一本書需要大量的時(shí)間精力，而即便完成了這一艱巨的任務(wù)，設(shè)計(jì)者也不見得具備獨(dú)立設(shè)計(jì)一個(gè)完整電源系統(tǒng)的能力。這里筆者根據(jù)自己所學(xué)知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)談下反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合實(shí)例變壓器設(shè)計(jì)的詳細(xì)計(jì)算過(guò)程。由于筆者接觸開關(guān)電源時(shí)間不長(zhǎng)，文中疏漏與不當(dāng)之處難免，還望讀者批評(píng)指正。在討論具體的設(shè)計(jì)步驟之前，我們有必要介紹一下反激式開關(guān)電源的原理。對(duì)于反激式開關(guān)電源，在一個(gè)工作周期中，電源輸入端先把能量存儲(chǔ)在儲(chǔ)能元件(通常是電感)中，然后儲(chǔ)能元件再將能量傳遞給負(fù)載。這好比銀行的自動(dòng)取款系統(tǒng)，銀行工作人員每天在某一時(shí)間段向自動(dòng)取款機(jī)內(nèi)部充入一定數(shù)目的錢(相當(dāng)于電源輸入端向儲(chǔ)能元件存儲(chǔ)能量)，一天中剩下的時(shí)間里，銀行用戶從取款機(jī)中將錢取走(相當(dāng)于負(fù)載從儲(chǔ)能元件中獲取能量)。在銀行工作人員向取款機(jī)充錢的時(shí)候，用戶不能從取款機(jī)中取錢?？蛻粽谌″X的階段，銀行工作人員也不會(huì)向存款機(jī)里面充錢。這就是反激式開關(guān)電源的特點(diǎn)，任何時(shí)刻，負(fù)載不能直接從輸入電源處獲取能量，能量總是以儲(chǔ)能元件為媒介在輸入電源和負(fù)載間進(jìn)行傳遞的。下面來(lái)看圖一，這是反激式變換器的最基本形式，也就是我們常說(shuō)的buckboost(或者flyback)拓?fù)?。?dāng)開關(guān)閉合時(shí)，輸入電源加在電感L上，流過(guò)電感的電流線性上升，上升斜率就是輸入電壓與電感量的比值(在這里以及以下討論中，我們忽略了開關(guān)管的壓降，但是不忽略二極管的壓降，這將更符合后面關(guān)于離線式反激變換器的實(shí)際情況)，如下式：在之一過(guò)程中，電能轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存在電感內(nèi)，電感量一定時(shí)，時(shí)間越長(zhǎng)流過(guò)電感的電流越大，電感中儲(chǔ)存的能量也就越大，電感內(nèi)部?jī)?chǔ)能大小如下式：開關(guān)閉合期間，二極管D是反偏的，輸入到輸出端沒有通路，電源輸入端和電感都不向負(fù)載提供能量。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電感需要通過(guò)維持電流的恒定來(lái)阻止磁通量的突變，但此時(shí)電源輸入端和電感之間沒有通路，所以電感兩端的電壓必須反向(原來(lái)的上正下負(fù)變?yōu)樯县?fù)下正)，使得二極管D正偏導(dǎo)通，儲(chǔ)存在電感內(nèi)部的能量一方面?zhèn)鬟f給負(fù)載，另一方面裝換成電場(chǎng)能儲(chǔ)存在輸出電容Co當(dāng)中。電感中的電流線性下降，下降斜率為電感上電壓與電感量的比值，而此時(shí)電感上的電壓等于輸出電壓加上二極管的正向壓降，如下式：以上討論了一個(gè)開關(guān)周期的情況，為了電路能夠持續(xù)穩(wěn)定工作，必需滿足一定的條件，我們?nèi)匀灰糟y行自動(dòng)取款系統(tǒng)做比喻。試想，如果一天過(guò)去后，取款機(jī)里面的錢還有剩余，那么第二天銀行工作人員就必需減少充入的錢的數(shù)目，否則，取款機(jī)就肯定放不下這么多錢。電路中也是一樣，如果開關(guān)關(guān)斷的時(shí)候，電感內(nèi)部的能量沒有完全轉(zhuǎn)移出去(被負(fù)載消耗或者存入輸出電容中)，那么接下來(lái)開關(guān)閉合的時(shí)間Ton就必需減小，否則周而復(fù)始的話，電感中的電流會(huì)不斷積累，最終使得電感飽和，換一句話說(shuō)，為了系統(tǒng)穩(wěn)定工作，必須滿足的條件就是開關(guān)閉合期間電感的電流增加量必須等于開關(guān)斷開器件電流的減小量，即下式：以一個(gè)完整的周期分析，對(duì)上面的式子化簡(jiǎn)得到：從上面的式子可以看出，系統(tǒng)維持穩(wěn)定工作的條件就是開關(guān)閉合時(shí)電感上的電壓與開關(guān)閉合時(shí)間的乘積等于開關(guān)關(guān)斷時(shí)電感上的電壓與開關(guān)關(guān)斷時(shí)間的乘積相等，這也就是伏秒數(shù)數(shù)守恒，這兩個(gè)乘積其中的一個(gè)叫做電感的伏秒數(shù)。從上面的一系列式子可以看出，伏秒數(shù)描述了電感中電流的變化量，實(shí)際上對(duì)應(yīng)著電感中儲(chǔ)存的能夠被利用的能量。下面給出基本反激變換器的電感電流波形。如圖二所示，以一個(gè)周期為例，從A點(diǎn)到C點(diǎn)間，開關(guān)閉合，電感電流線性上升，在此期間電感電流即開關(guān)管電流。從C點(diǎn)到B點(diǎn)，開關(guān)斷開，電感電流線性下降，在此期間電感電流即二極管電流。圖中可以看出，流過(guò)電感的平均電流等于電感的峰值電流和谷值電流的中間值。而流過(guò)開關(guān)管和二極管的平均電流可以由下式確定：這里引出了占空比D的概念，即開關(guān)開啟時(shí)間與開關(guān)周期的比值。從伏秒數(shù)守恒的關(guān)系式我們可以得到基本反激變換器中占空比的計(jì)算式如下：從圖一中，我們看到電源輸入端只與開關(guān)管相連，所以輸入電流即開關(guān)管電流，也就是開關(guān)閉合時(shí)的電感電流。輸出端只與二極管和電容相連，又因?yàn)殡娙萜鞑豢赡芰鬟^(guò)直流，所以平均輸出電流等于平均二級(jí)管電流，即有下式成立：最后我們給出一個(gè)很重要的定義，那就是紋波系數(shù)，在不同的書籍和文獻(xiàn)中，紋波系數(shù)的定義有一定的區(qū)別，為了方便我們接下來(lái)的討論和計(jì)算，在這里將紋波系數(shù)KRF定為電感電流變化量的一半比上電感平均電流，即：圖二電路中，整個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，流過(guò)電感的電流始終不為零。當(dāng)輸出電流減小時(shí)，相應(yīng)的電感平均電流也減小，如果開關(guān)周期、電感量以及輸入輸出電壓不變的話，電感中電流的變化量保持不變，那么，就可能出現(xiàn)電感中變化的電流大小等于或者大于平均電流兩倍的情況。這個(gè)時(shí)候，每一個(gè)周期內(nèi)，開關(guān)閉合時(shí)，電感電流從零開始上升，開關(guān)斷開后，電感電流會(huì)下降到零。也就是說(shuō)，此時(shí)的KRF等于或者大于1，這就是我們說(shuō)的臨界工作模式和斷續(xù)工作模式。相對(duì)應(yīng)的電感電流始終不為零的情況就是連續(xù)工作模式。在反激式變換器中，電感量取值越大，電流的變化量(紋波電流)就越小，在相同輸出電流情況下，越不容易進(jìn)入斷續(xù)模式。反之，電感量取值越小，紋波電流越大，在相同的輸出電流情況下，越容易進(jìn)入斷續(xù)工作模式。通常在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們可以設(shè)定在某一輸出電流(即輸出功率)時(shí)變換器進(jìn)入臨界模式，電流大于設(shè)定值時(shí)就進(jìn)入連續(xù)工作模式，小于這一值時(shí)進(jìn)入斷續(xù)工作模式(即KRF在0到1之間)。也可以將變換器設(shè)計(jì)為一直工作在臨界模式或者斷續(xù)模式(即KRF大于等于1)，特別是在單級(jí)PFC反激式變換器以及準(zhǔn)諧振反激式變換器中，這種方式應(yīng)用較多。本文以下的討論均以連續(xù)模式為例。上面討論了基本反激變換器滿足的基本關(guān)系式，接下來(lái)一節(jié)我們開始討論隔離輸出的反激變換器原理。（待續(xù)...）大牛獨(dú)創(chuàng)（二）：反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)方法及參數(shù)計(jì)算上一節(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(lái)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。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(chǎng)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(lái)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L(zhǎng)1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：閱讀上一節(jié)：上面式子中的n=N1/N2，其中N1為L(zhǎng)1的線圈匝數(shù)，N2為L(zhǎng)2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(lái)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(lái)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，，容易出現(xiàn)次諧波振蕩。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L(zhǎng)1上串聯(lián)一個(gè)電感量較小的電感，也就是常說(shuō)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(guò)將電壓反向來(lái)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。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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)，初級(jí)繞組開始有電流流過(guò)。同時(shí)直流電通過(guò)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?jī)?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，RC5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(guò)檢測(cè)這個(gè)電壓判斷次級(jí)是否出現(xiàn)過(guò)流或者短路，如果是，IC將執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。接下來(lái)我們看次級(jí)電路。次級(jí)繞組Ns輸出