對(duì)于探討反激電源以及變壓器這個(gè)話(huà)題,我猶豫了很久。因?yàn)殛P(guān)于反激的話(huà)題大家討論了很多很多,這個(gè)話(huà)題已經(jīng)被討論的非常透徹了。關(guān)于反激電源的參數(shù)設(shè)計(jì)也有多篇文章總結(jié)。還有熱心的網(wǎng)友,根據(jù)計(jì)算過(guò)程,自己編寫(xiě)了軟件或電子表格把計(jì)算做的傻瓜化。但我也注意到,幾乎每天都會(huì)出現(xiàn)關(guān)于反激設(shè)計(jì)過(guò)程出現(xiàn)問(wèn)題而求助的帖子,所以,思量再三,我決定還是再一次提出這個(gè)話(huà)題!我不知道我是否能寫(xiě)出一些有新意的東西,但我會(huì)盡力去寫(xiě)好。不期望能入高手的法眼,但愿能給入門(mén)者一些幫助。
縱觀電源市場(chǎng),沒(méi)有哪一個(gè)拓?fù)淠芟穹醇る娐纺敲雌占,可?jiàn)反激電源在電源設(shè)計(jì)中具有不可替代的地位。說(shuō)句不算夸張的話(huà),把反激電源設(shè)計(jì)徹底搞透了,哪怕其他的拓?fù)湟稽c(diǎn)不懂,在職場(chǎng)上找個(gè)月薪10K的工作也不是什么難事。
提綱
1、反激電路是由buck-boost拓?fù)溲葑兌鴣?lái),先分析一下buck-boost電路的工作過(guò)程。
工作時(shí)序說(shuō)明:
t0時(shí)刻,Q1開(kāi)通,那么D1承受反向電壓截止,電感電流在輸入電壓作用下線(xiàn)性上升。
t1時(shí)刻,Q1關(guān)斷,由于電感電流不能突變,所以,電感電流通過(guò)D1,向C1充電。并在C1兩端電壓作用下,電流下降。
t2時(shí)刻,Q1開(kāi)通,開(kāi)始一個(gè)新的周期。
從上面的波形圖中,我們可以看到,在整個(gè)工作周期中,電感L1的電流都沒(méi)有到零。所以,這個(gè)工作模式是電流連續(xù)的CCM模式,又叫做能量不完全轉(zhuǎn)移模式。因?yàn)殡姼兄械膬?chǔ)能沒(méi)有完全釋放。
從工作過(guò)程我們也可以知道,這個(gè)拓?fù)淠芰總鬟f的方式是,在MOS管開(kāi)通時(shí),向電感中儲(chǔ)存能量,MOS管關(guān)斷時(shí),電感向輸出電容釋放能量。MOS管不直接向負(fù)載傳遞能量。整個(gè)能量傳遞過(guò)程是先儲(chǔ)存再釋放的過(guò)程。整個(gè)電路的輸出能力,取決于電感的儲(chǔ)存能力。我們還要注意到,根據(jù)電流流動(dòng)的方向,可以判斷出,在輸入輸出共地的情況下,輸出的電壓是負(fù)電壓。
MOS管開(kāi)通時(shí),電感L1承受的是輸入電壓,MOS關(guān)斷時(shí),電感L1承受的是輸出電壓。那么,在穩(wěn)態(tài)時(shí),電路要保證電感不進(jìn)入飽和,必定要保證電感承受的正向和反向的伏秒積的平衡。那么:
Vin×(t1-t0)=Vout×(t2-t1),假如整個(gè)工作周期為T(mén),占空比為D,那么就是:Vin×D=Vout×(1-D)
那么輸出電壓和占空比的關(guān)系就是:Vout=Vin×D/(1-D)
同時(shí),我們注意看MOS管和二極管D1的電壓應(yīng)力,都是Vin+Vout
另外,因?yàn)槭荂CM模式,所以從電流波形上可以看出來(lái),二極管存在反向恢復(fù)問(wèn)題。MOS開(kāi)通時(shí)有電流尖峰。
上面的工作模式是電流連續(xù)的CCM模式。在原圖的基礎(chǔ)上,把電感量降低為80uH,其他參數(shù)不變,仿真看穩(wěn)態(tài)的波形如下:
t0時(shí)刻,Q1開(kāi)通,那么D1承受反向電壓截止,電感電流在輸入電壓作用下從0開(kāi)始線(xiàn)性上升。
t1時(shí)刻,Q1關(guān)斷,由于電感電流不能突變,所以,電感電流通過(guò)D1,向C1充電。并在C1兩端電壓作用下,電流下降。
t2時(shí)刻,電感電流和二極管電流降到零。D1截止,MOS的結(jié)電容和電感開(kāi)始發(fā)生諧振。所以可以看見(jiàn)MOS的Vds電壓出現(xiàn)周期性的振蕩。
t3時(shí)刻,Q1再次開(kāi)通,進(jìn)入一個(gè)新的周期。
在這個(gè)工作模式中,因?yàn)殡姼须娏鲿?huì)到零,所以是電流不連續(xù)的DCM模式。有叫做能量完全轉(zhuǎn)移模式,因?yàn)殡姼兄袃?chǔ)存的能量完全轉(zhuǎn)移到了輸出端。而二極管因?yàn)橐补ぷ髟贒CM狀態(tài),所以沒(méi)有反向恢復(fù)的問(wèn)題。 但是我們應(yīng)該注意到,DCM模式的二極管、電感和MOS漏極的峰值電流是大于上面的CCM模式的。
需要注意的是在DCM下的伏秒積的平衡是:
Vin×(t1-t0)=Vout(t2-t1)
只是個(gè)波形的正反問(wèn)題。就好象示波器的探頭和夾子如果反過(guò)來(lái),那么波形就倒過(guò)來(lái)。
你注意看圖的右邊,看波形具體的定義是什么。有的波形是兩個(gè)點(diǎn)相減出來(lái)的。
看波形圖也要配合這原理圖來(lái)看的。
當(dāng)MOS開(kāi)通的時(shí)候,二極管D1承受著反壓,是一個(gè)負(fù)的電壓。MOS關(guān)斷的時(shí)候,二極管導(dǎo)通,正向壓降很低二極管的反向恢復(fù),和其工作時(shí)PN結(jié)的載流子的運(yùn)動(dòng)有關(guān)系。DCM時(shí),因?yàn)槎䴓O管已經(jīng)沒(méi)有電流流過(guò)了,內(nèi)部載流子已經(jīng)完成了復(fù)合過(guò)程。所以不存在反向回復(fù)問(wèn)題。會(huì)有一點(diǎn)點(diǎn)反向電流,不過(guò)那是結(jié)電容造成的。
在CCM和DCM模式有個(gè)過(guò)渡的狀態(tài),叫CRM,就是臨界模式。這個(gè)模式就是電感電流剛好降到零的時(shí)候,MOS開(kāi)通。這個(gè)方式就是DCM向CCM過(guò)渡的臨界模式。CCM在輕載的時(shí)候,會(huì)進(jìn)入DCM模式的。CRM模式可以避免二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題。同時(shí)也能避免深度DCM時(shí),電流峰值很大的缺點(diǎn)。要保持電路一直工作在CRM模式,需要用變頻的控制方式。
我還注意到,在DCM模式,電感電流降到零以后,電感會(huì)和MOS的結(jié)電容諧振,給MOS結(jié)電容放電。那么,是不是可以有種工作方式是當(dāng)MOS結(jié)電容放電到最低點(diǎn)的時(shí)候,MOS開(kāi)通進(jìn)入下一個(gè)周期,這樣就可以降低MOS開(kāi)通的損耗了。答案是肯定的。這種方式就叫做準(zhǔn)諧振,QR方式。也是需要變頻控制的。不管是PWM模式,CRM模式,QR模式,現(xiàn)在都有豐富的控制IC可以提供用來(lái)設(shè)計(jì)。
2、那么我們常說(shuō),反激flyback電路是從buck-boost電路演變而來(lái),究竟是如何從buck-boost拓?fù)溲葑兂龇醇lyback拓?fù)涞哪?請(qǐng)看下面的圖:
這是基本的buck-boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。下面我們把MOS管和二極管的位置改變一下,都挪到下面來(lái)。變成如下的電路結(jié)構(gòu)。這個(gè)電路和上面的電路是完全等效的。
接下來(lái),我們把這個(gè)電路,從A、B兩點(diǎn)斷開(kāi),然后在斷開(kāi)的地方接入一個(gè)變壓器,得到下圖:
為什么變壓器要接在這個(gè)地方?因?yàn)閎uck-boost電路中,電感上承受的雙向伏秒積是相等的,不會(huì)導(dǎo)致變壓器累積偏磁。我們注意到,變壓器的初級(jí)和基本拓?fù)渲械碾姼惺遣⒙?lián)關(guān)系,那么可以將變壓器的勵(lì)磁電感和這個(gè)電感合二為一。另外,把變壓器次級(jí)輸出調(diào)整一下,以適應(yīng)閱讀習(xí)慣。得到下圖:
這就是最典型的隔離flyback電路了。由于變壓器的工作過(guò)程是先儲(chǔ)存能量后釋放,而不是僅僅擔(dān)負(fù)傳遞能量的角色。故而這個(gè)變壓器的本質(zhì)是個(gè)耦合電感。采用這個(gè)耦合電感來(lái)傳遞能量,不僅可以實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的隔離,同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了電壓的變換,而不是僅僅靠占空比來(lái)調(diào)節(jié)電壓。
由于此耦合電感并非理想器件,所以存在漏感,而實(shí)際線(xiàn)路中也會(huì)存在雜散電感。當(dāng)MOS關(guān)斷時(shí),漏感和雜散電感中的能量會(huì)在MOS的漏極產(chǎn)生很高的電壓尖峰,從而會(huì)導(dǎo)致器件的損壞。故而,我們必須對(duì)漏感能量進(jìn)行處理,最常見(jiàn)的就是增加一個(gè)RCD吸收電路。用C來(lái)暫存漏感能量,用R來(lái)耗散之。
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