開關(guān)電源設(shè)計(jì)不可不看--Flyback電路原理

1、Flyback轉(zhuǎn)換器電路是由Buck-Boost電路，利用磁性元件耦合的功能衍生而來，所以要探討Flyback電路，必須先從Buck-Boost電路開始。一、Flyback電路簡介（一）Flyback電路架構(gòu)Flyback變換器，俗稱單端反激式DCDC變換器，又稱為返馳式(Flyback)轉(zhuǎn)換器，或"Buck-Boost"轉(zhuǎn)換器，因其輸出端在原邊繞組斷開電源時(shí)獲得能量，因此得名.Flyback變換器是在主開關(guān)管導(dǎo)通期間，電路只儲存而不傳遞能量；在主開關(guān)管關(guān)斷期間，才向負(fù)載傳遞能量的一種電路架構(gòu)。（1）Flyback變換器理論模型如圖。（2）實(shí)際電路結(jié)構(gòu)根據(jù)Flyback變壓

2、器的同名端繞制方式，有下面兩種形式，這兩個(gè)電路實(shí)質(zhì)上是一樣的。當(dāng)然，F(xiàn)lyback電路還有其他衍生形式（見附錄I）。（二）Flyback變換器優(yōu)點(diǎn)（1）電路簡單，能高效提供多路直流輸出，因此適合多組輸出的要求。（2）轉(zhuǎn)換效率高，損失小。（3）匝數(shù)比值較小。（4）輸入電壓在很大的范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，仍可有較穩(wěn)定的輸出，目前已可實(shí)現(xiàn)交流輸入在 85265V 間，無需切換而達(dá)到穩(wěn)定輸出的要求。（三）Flyback變換器缺點(diǎn)（1）輸出電壓中存在較大的紋波，負(fù)載調(diào)整精度不高，因此輸出功率受到限制,通常應(yīng)用于150W 以下。（2）轉(zhuǎn)換變壓器在電流連續(xù)(C.C.M.)模式下工作時(shí)，有較大的直流分量，易導(dǎo)致磁芯飽和

3、，所以必須在磁路中加入氣隙，從而造成變壓器體積變大。（3）變壓器有直流電流成份，且同時(shí)會工作于C.C.M./D.C.M.兩種模式，故變壓器在設(shè)計(jì)時(shí)較困難，反復(fù)調(diào)整次數(shù)較順向式多，迭代過程較復(fù)雜。二、BuckBoost轉(zhuǎn)換器工作原理所有的導(dǎo)出型轉(zhuǎn)換器都保留其基本轉(zhuǎn)換器的特性；要了解Flyback轉(zhuǎn)換器，要從其基本轉(zhuǎn)換器BuckBoost電路開始。（一）BuckBoost電路組成BuckBoost電路由一個(gè)開關(guān)晶體管，一個(gè)功率二極管，一個(gè)儲能電感和一個(gè)輸出電容組成，見圖1。圖1 BuckBoost電路結(jié)構(gòu)（二）電路特性（1）輸出電壓為負(fù)電壓（2）輸出電壓的大小可高于或低于輸入電壓（3）輸入端與輸出

4、端的電流波形都是脈波形式。（三）工作原理為方便理解電路工作原理，先介紹一下楞次定律。楞次定律：電感總是“阻礙外電路通過電感的磁通（電流）的變化”，即：外電路通過電感的磁通（電流）增大，電感將產(chǎn)生與（電流）反向的磁通（電流），阻礙外電路磁通（電流）的增大；外電路通過電感的（電流）減小，電感將產(chǎn)生與（電流）同向的磁通（電流），阻礙外電路（電流）減小的減小。以下就BuckBoost穩(wěn)態(tài)電路的工作作一個(gè)簡要說明。假設(shè)一個(gè)周期的開始時(shí)間為：開關(guān)晶體管Q1導(dǎo)通時(shí)（Turned On或Closed）。此時(shí)輸入電壓完全跨在電感之上，電感的電流將成線性增加。由棱次定律，“外電路通過電感的電流增大，電感將產(chǎn)生與反

5、向的電流，阻礙外電路電流的增大”。外電路電流（主要是主電路電流）從同名端流出，原邊的同名端為負(fù)，異名端為正，所以電感電壓為“+”，電感所存儲的能量因此逐漸增加；變壓器副邊的同名端為負(fù)，異名端為正，所以功率二極管反偏，負(fù)載所需的能量完全由輸出電容提供，此時(shí)電容的電壓會有些降低（要看電容的大?。．?dāng)開關(guān)晶體的控制信號（電壓或電流），使開關(guān)晶體Q1不導(dǎo)通時(shí)（Turned Off或Opened），此時(shí)外電路通過電感的電流急劇減小（幾乎為零），由楞次定律，“電感將產(chǎn)生與磁通（電流）同向的磁通（電流），阻礙外電路（電流）的減小”；外電路電流（主要是電感電流），從同名端流出，原邊的同名端為正，異名端為負(fù)，所

6、以電感電壓為“-”，變壓器副邊的同名端為正，異名端為負(fù)，所以功率二極管正偏，變壓器副邊電壓大小恰等于輸出電壓。通過二極體的電感電流將線性減少，除了提供給負(fù)載外，還給輸出電容充電（輸出電容的電壓會增高些），這個(gè)情形將持續(xù)到下一個(gè)周期開始為止。開關(guān)晶體導(dǎo)通的時(shí)間占整個(gè)周期的比率，稱為工作周期（Duty Cycle，簡稱為D），D越大，表示電感充能的時(shí)間越長，依照“伏秒平衡”原理（后面介紹），輸出電壓一定越高。（四）公式推導(dǎo)以下公式推導(dǎo)時(shí)作如下假設(shè)：1）開關(guān)晶體與二極管均為理想元件，也就是導(dǎo)通時(shí)呈短路，不導(dǎo)通時(shí)呈斷路。2）電感不會飽和，且電感值為不變的常數(shù)，也就是BH曲線為線性，且銅損/鐵損忽略不計(jì)

7、。3）電感與輸出電容構(gòu)成的等效濾波器，可以有效的將輸出電壓濾成紋波很小的直流電壓?；蛘哒f，電感與輸出電容構(gòu)成低通濾波器的角頻率遠(yuǎn)低于切換頻率。1 連續(xù)導(dǎo)通模式（C.C.M）公式推導(dǎo)（1）在開關(guān)晶體ON的時(shí)間， （2.1） （2.2）在時(shí)， （2.3）（2）當(dāng)開關(guān)晶體被OFF時(shí)，二級管順偏導(dǎo)通，所以 （2.4） （2.5）當(dāng)時(shí)， （2.6）在穩(wěn)態(tài)操作情況下，將（2.3）代入（2.6）得 （2.7）也就是 （2.8）（2.8）就是所謂的“伏秒平衡” 定律。電感的電壓，對時(shí)間積分一個(gè)周期，結(jié)果為零，如此才可確保電感器不會飽和。由（2.8），可得輸出與輸入電壓關(guān)系式：，當(dāng)工作周期D小于0.5時(shí)，輸出電

8、壓小于輸入電壓；當(dāng)D大于0.5時(shí)，輸出電壓大于輸入電壓。（3）電路波形輸入端的電流波形，即開關(guān)晶體的電流為脈波形狀，實(shí)際應(yīng)用中，必須加入濾波器（C或LC）才不會影響其他系統(tǒng)；二極管的電流也是脈波型，所以通過輸出電容的紋波電流較大，所以使用的電容也需大，而且對等效串聯(lián)電阻ESR的要求也比較嚴(yán)格。備注：ESR:是指在AC或DC下的串聯(lián)等效阻抗（Equivalent Series Resistance）ESL：在AC下的串聯(lián)等效低電感（Equivalent Series Inductance）。ESR與頻率關(guān)系：電解電容的ESR會隨著使用頻率的上升而下降。廠商標(biāo)稱的ESR是在一定工作頻率（120Hz

9、,1KHz,100KHz）下的ESR，見下表：2. 不連續(xù)導(dǎo)通模式（D.C.M）公式推導(dǎo)以上所推導(dǎo)的公式是在連續(xù)導(dǎo)通模式（ContinuousConductionMode，C.C.M）下操作的Buck-Boost電路，也就是電感的電流恒高于零。它的物理意義是，電感的能量在的期間并未完全釋放。從圖上顯示，如果輸入與輸出電壓不變，電感與電容值也固定的情形下，負(fù)載電流與電感的平均電流成正比，當(dāng)負(fù)載電流逐漸減小時(shí)，電感的平均電流也會逐漸降低，低到電感在某一時(shí)段的瞬時(shí)電流為零。此時(shí)我們稱轉(zhuǎn)換器即將進(jìn)入不連續(xù)導(dǎo)通模式（DiscontinuousConductionMode，D.C.M）操作。也就是說，電感

10、的能量在充放之間，會將能量完全的釋出。其實(shí)影響C.C.M./D.C.M.的因素不只是負(fù)載電流，以一個(gè)輸出電壓固定的穩(wěn)壓電路為例，切換頻率，電感大小，輸入電壓與負(fù)載電流，都會影響轉(zhuǎn)換器的操作模式，前兩者在設(shè)計(jì)階段制定，后兩者才是實(shí)際應(yīng)用上主要的影響因素。于是C.C.M./D.C.M.存在一個(gè)以輸入電壓與負(fù)載電流的邊界線，在邊界上，恰好是電感電流碰到零的操作點(diǎn)。（邊界線將在后面講述）在D.C.M.的工作模式下，轉(zhuǎn)換器有著與C.C.M.不同的特性，一般將一個(gè)工作周期分成三個(gè)部分：-開關(guān)晶體導(dǎo)通期間-開關(guān)晶體被OFF，且電感電流大于零期間-開關(guān)晶體被OFF，且電感電流等于零期間。（1）在0到期間，即開

11、關(guān)晶體導(dǎo)通期間，電感上依舊跨著輸入電壓，電感的電流也是線性上升，只不過是從零點(diǎn)上升。在開關(guān)晶體ON期間，即， （2.10） （2.11）在時(shí)， （2.12）（2）當(dāng)開關(guān)晶體被OFF，且電感電流大于零時(shí)，二級體順偏， （2.13） （2.14）當(dāng)時(shí)， （2.15）（3）由（2.14）可以看出，電感的電流以一個(gè)斜率下降，當(dāng)電流降到零時(shí)，二極體不再導(dǎo)通，負(fù)載所需的能量不再由電感提供，將由輸出電容負(fù)擔(dān)。這時(shí)電感電流為零，電感的電壓也為零，我們稱此轉(zhuǎn)換器已工作在期間， 。期間， （2.16） （2.17）由2.12與2.15可得， （2.18）（2.18）依舊是磁性元件“伏秒平衡”式子，如果由負(fù)載電流的

12、角度（負(fù)載電流連續(xù)期間）來看，其大小恰等于通過二極體電流的平均值，也就是，(面積公式)由（2.15）可得，所以 （2.19）其中R為負(fù)載電阻值，將（2.18）化簡，得到得關(guān)系式， （2.20）代入（2.18）得， （2.21）由以上得推導(dǎo)得知，在D.C.M.工作的時(shí)候，工作周期與負(fù)載的輕重有關(guān)（2.20），這個(gè)現(xiàn)象與C.C.M.是不同的。從以上分析推論知（2.21）：輸入電壓低，切換頻率高，電感大，負(fù)載電流大都有將轉(zhuǎn)換器推向C.C.M.的趨勢，這從公式推導(dǎo)和電路物理意義，都容易得到?，F(xiàn)在如果將切換頻率，電感值與輸出電壓固定，則可以得到一條代表C.C.M.與D.C.M.的邊界曲線公式：由（2.2

13、1）得，代入（2.19），得 （2.22）這條曲線在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器與分析轉(zhuǎn)換器的工作范圍都很重要，設(shè)計(jì)就是依此曲線設(shè)計(jì)。（4）電路曲線三、Flyback轉(zhuǎn)換器工作原理Flyback不同于Buck-Boost的地方，僅在于將電感器衍生成一個(gè)“耦合電感”，也就是俗稱的“變壓器”，但不同于一般變壓器，耦合電感“實(shí)實(shí)在在”的存儲能量，不只是變壓器的磁化能量。就是因?yàn)閷㈦姼凶兂神詈想姼?，所以可以將?次級隔離，而且利用匝數(shù)比的控制，使轉(zhuǎn)換器的工作點(diǎn)設(shè)計(jì)更有彈性。另外，多組輸出的應(yīng)用更簡單容易。公式推導(dǎo)和Buck-Boost幾乎一樣，為更接近實(shí)際情況，將二極體順向壓降考慮進(jìn)去（在低輸出電壓時(shí)相差很大）。（一）

14、先推導(dǎo)C.C.M.的工作情形（1）在開關(guān)晶體ON期間，即 ， （2.23） （2.24）此時(shí)，二極體反偏不導(dǎo)通，負(fù)載電流全部由輸出電容提供。 （2.25） （2.26）在時(shí)， （2.27）（2）當(dāng)開關(guān)晶體OFF時(shí)，二極體順偏， （2.28） （2.29） 其中就是“變壓器公式”得到的。對應(yīng)到初級側(cè)，可以得到 （2.30） （2.31）當(dāng)時(shí)， （2.32） 由（2.27）和，所以 因?yàn)樗?，因?yàn)?，所?（2.33）或 （2.34）（2.34）就是C.C.M.中輸出/輸入電壓關(guān)系式。（3）電路波形觀察各元件的電壓與電流波形，除了耦合電感的特性外，F(xiàn)lyback電路確實(shí)與Buck-Boost電路完全

15、類似，電流的導(dǎo)通模式都完全一樣。（二）D.C.M公式推導(dǎo)（1）在時(shí)， （2.37）對應(yīng)到次級側(cè)， （2.38） （2.39）（2）當(dāng)開關(guān)晶體被OFF的瞬間，二極體順偏，在次級側(cè)電感電流大于零期間， （2.42）在時(shí)，所以(2.42)變成 （2.43）同樣可以得到“伏秒平衡式”。由(2.42)可以看出，電感的電流依一個(gè)斜率下降，當(dāng)電流降到零時(shí)【】，電感的能量已消耗殆盡，二極管不再導(dǎo)通，負(fù)載所需的能量不再由電感提供，轉(zhuǎn)由輸出電容負(fù)擔(dān)，這時(shí)電感的電流為零，相對電感的電壓也為零，我們稱工作在期間。（3）， （2.44） （2.45）負(fù)載電流大小恰為通過二極體電流的平均值，也就是 （2.46）其中，R為

16、負(fù)載電阻值，將（2.46）化簡，可得關(guān)系式，由（2.43）可得，由以上的推導(dǎo)可知，在D.C.M.工作的時(shí)候，工作周期（）與負(fù)載的輕重有關(guān)，這個(gè)現(xiàn)象與C.C.M.是不同的。（4）電路波形D.C.M.波形（5）C.C.M. 與D.C.M.的分界線如果將匝數(shù)比、電感值、切換頻率與輸出電壓固定，可推導(dǎo)出一條代表C.C.M. 與D.C.M.的分界線公式：C.C.M與D.C.M.分界線曲線：C.C.M與D.C.M.臨界線時(shí)電路波形：四、FLYBACK電路改進(jìn)形式一、 進(jìn)的flyback topology電路一（一）電路如下：（二）Improved Fly-Back 輸入輸出關(guān)系Input: 24 ；Out

17、put: 330/500W根據(jù)Improved Fly-Back電路工作原理，在Fly-Back電路穩(wěn)定工作時(shí)（運(yùn)行工況：C.C.M.），推導(dǎo)輸入輸出電壓、與導(dǎo)通比D、變壓器匝數(shù)比 n ( / ) 的關(guān)系；計(jì)算電容兩端電壓。 (1) (2) (3) （4）由以上四個(gè)方程聯(lián)立求解，可以得到， (備注：) 理論計(jì)算結(jié)果：由Vi = 24V、Vo = 330V、n = 4 / 17 可得： D = 71.2% Vc = 83.2 V實(shí)際測試結(jié)果: D = 75% Vc = 82 V（三）電路波形: Output V waveform: C V waveform: TX primary I waveform: Mosfet driving signal、 : Mosfet ds I/V waveform（四）電路優(yōu)點(diǎn) (相對Push-Pull電路) 以較低的成本, 實(shí)現(xiàn)較高較穩(wěn)定的電路工作效率；電路工作結(jié)構(gòu)： a. 消除變壓器, 避免了變壓器的偏磁問題; b. 含電流偵測電路，減小Mosfet的電流應(yīng)力； （五）電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)(1)為減少M(fèi)OSFET及C的電壓應(yīng)力，采用“三明治”繞法，減小Fly-Back變壓器漏感；(2)為提高Fly-Back變壓器的效率，將EE core三端加