愛浦電源模塊之反激式設(shè)計(jì)

1、一步步優(yōu)化反激式設(shè)計(jì)（上）反激是最知名的隔離式電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)樗梢杂靡粋€(gè)低邊開關(guān)晶體管和有限的外部元件數(shù)提供多個(gè)隔離輸出。不過，反激式電源也存在一些特殊性，如果設(shè)計(jì)人員沒有充分理解并對(duì)其進(jìn)行分析，就可能限制它的整體表現(xiàn)。針對(duì)這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系列文章將以非常簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方法揭去所有反激式電源設(shè)計(jì)的神秘面紗，指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員完成一個(gè)良好優(yōu)化的設(shè)計(jì)。反激式轉(zhuǎn)換器根據(jù)應(yīng)用的不同，直流-直流應(yīng)用(DC/DC應(yīng)用)可能需要多個(gè)輸出，而且需要輸出隔離。此外，輸入與輸出的隔離可能需要符合安全標(biāo)準(zhǔn)或提供阻抗匹配。隔離式電源不僅可以防止用戶接觸到潛在的致命電壓和電流，而且具有性能優(yōu)勢(shì)。利用中斷接地回路，隔離式電源可以

2、保持儀器精度，并可以在不犧牲總線益處的條件下很容易通過負(fù)電源總線提供正穩(wěn)壓電壓。對(duì)設(shè)計(jì)人員來說，反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)歷來是輸出功率100W以下的電源隔離式轉(zhuǎn)換器的首選。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只需要一個(gè)磁性元件和一個(gè)輸出整流管，因而具有簡(jiǎn)單和低成本的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)它也可以輕松實(shí)現(xiàn)多路輸出。而反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：它需要一個(gè)高容值的輸出電容，功率開關(guān)管和輸出二極管的電流應(yīng)力較高，氣隙區(qū)渦流損耗較高，變壓器鐵芯較大以及可能存在的EMI問題。反激式轉(zhuǎn)換器源于降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其主要缺點(diǎn)是：只有在開關(guān)MOSFET導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，該轉(zhuǎn)換器才從源極收集能量。在后來的關(guān)斷期間，來自一次側(cè)繞組的這種能量從電感傳遞到輸出端。這是反激

3、式和降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的獨(dú)特特點(diǎn)。（圖1）一次側(cè)電流和二次側(cè)電流同時(shí)流過時(shí)，反激式變壓器并不像傳統(tǒng)變壓器那樣正常工作，實(shí)際上只有一小部分能量（磁化能量）被存儲(chǔ)在變壓器中。反激式變壓器更像是同一鐵芯上的多個(gè)電感器，而非一個(gè)典型的變壓器。理想的情況是，變壓器并不存儲(chǔ)能量，所有的能量都在瞬間從一次側(cè)轉(zhuǎn)移到二次側(cè)。反激式變壓器可用作儲(chǔ)能裝置，能量存儲(chǔ)在鐵芯的氣隙或坡莫合金粉芯的分布式氣隙當(dāng)中。電感變壓器的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少漏感、交流繞組損耗和磁芯損耗。漏感是一次側(cè)電感的一部分，未與二次側(cè)電感相互耦合。保持盡可能低的漏感十分重要，因?yàn)樗鼤?huì)降低變壓器的效率，還會(huì)導(dǎo)致開關(guān)器件的漏極出現(xiàn)尖峰。漏感可被看作為存儲(chǔ)在

4、變壓器中的部分能量，它不會(huì)轉(zhuǎn)移到二次側(cè)和負(fù)載。這種能量需要通過一個(gè)外部緩沖器在一次側(cè)耗散掉。緩沖器的配置將在后面予以討論。當(dāng)MOSFET開啟且電壓施加在一次側(cè)繞組時(shí)，一次側(cè)電流線性上升。輸入電流的變化是由輸入電壓、變壓器一次側(cè)電感和導(dǎo)通時(shí)間決定的。在這段時(shí)間內(nèi)，能量被存儲(chǔ)在變壓器鐵芯中，輸出二極管D1被反向偏置，能量不會(huì)轉(zhuǎn)移到輸出負(fù)載。當(dāng)MOSFET關(guān)閉時(shí)，磁場(chǎng)開始下降，顛倒了一次側(cè)和二次側(cè)繞組之間的極性。D1被正向偏置，能量轉(zhuǎn)移到負(fù)載。斷續(xù)傳導(dǎo)模式與連續(xù)傳導(dǎo)模式：反激式轉(zhuǎn)換器像任何其他的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一樣有兩種不同的工作模式斷續(xù)模式和連續(xù)模式。當(dāng)輸出電流的增加超過一定值時(shí)，斷續(xù)模式設(shè)計(jì)的電路將轉(zhuǎn)為

5、連續(xù)模式。在斷續(xù)模式下，導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)在一次側(cè)的所有能量都會(huì)于下一周期開始之前完全轉(zhuǎn)移到二次側(cè)和負(fù)載；而且，在二次電流達(dá)到零值和下一個(gè)周期開始間的瞬間還會(huì)有死區(qū)時(shí)間。在連續(xù)模式下，當(dāng)下一個(gè)周期開始時(shí)，仍會(huì)有一些能量留在二次側(cè)。反激式轉(zhuǎn)換器可以在兩種模式下運(yùn)行，但它具有不同的特征。斷續(xù)模式一方面具有較高的峰值電流，因此在關(guān)斷時(shí)有較高的輸出電壓尖峰。另一方面，它具有更快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，一次側(cè)電感較低，因此變壓器尺寸可以較小。二極管的反向恢復(fù)時(shí)間并不重要，因?yàn)樵诜聪螂妷菏┘又罢螂娏鳛榱?。在斷續(xù)模式下，晶體管的開啟隨零集電極電流出現(xiàn)，降低了傳導(dǎo)EMI的噪聲。連續(xù)模式具有較低的峰值電流，并因此降低了

6、輸出電壓尖峰。不幸的是，由于它的右半平面（RHP）零點(diǎn)迫使轉(zhuǎn)換器的總帶寬降低，所以其控制回路比較復(fù)雜。由于連續(xù)傳導(dǎo)模式對(duì)大多數(shù)應(yīng)用而言是更加的選擇，因此以上僅對(duì)該模式進(jìn)行了更多的細(xì)節(jié)分析。確定反激式變壓器：繞組匝數(shù)比及其電感設(shè)計(jì)人員不得不處理的第一個(gè)難題就是確定反激式變壓器。通常他們可以從反激式電源變壓器標(biāo)準(zhǔn)目錄中進(jìn)行選擇，而無需更昂貴的定制變壓器。許多供應(yīng)商都可以針對(duì)不同應(yīng)用和功率大小提供完整系列的變壓器，但重要的是要了解如何選擇最合適的變壓器。除了二次側(cè)繞組的功率大小和匝數(shù)，變壓器還可根據(jù)一次側(cè)/二次側(cè)繞組匝數(shù)比，以及一次側(cè)或二次側(cè)電感來分類。如果忽略開關(guān)MOSFET和輸出整流二極管兩端壓

7、降的影響，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，導(dǎo)通時(shí)間（ ）的伏*秒應(yīng)該等于關(guān)斷期間（ ）伏*秒：式中是輸入電壓 是輸出電壓 是反激式變壓器的一次側(cè)匝數(shù)/二次側(cè)匝數(shù)匝比那么，最大占空比的數(shù)匝比和最小輸入輸出電壓之間的直接關(guān)系是：其中D為占空比： /開關(guān)周期。在許多情況下，選定的最大占空比為50，但是在寬輸入電壓范圍的應(yīng)用中，重要的是要了解如何優(yōu)化以下關(guān)系：最大占空比、變壓器匝比、峰值電流和額定電壓。反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)之一是可以在占空比大于50的條件下工作。最大占空比的增加降低了變壓器一次側(cè)的峰值電流，從而達(dá)到一次側(cè)銅變壓器更高利用系數(shù)的效果，并降低輸入源的紋波。同時(shí)，最大占空

8、比的增加可增加主開關(guān)MOSFET漏源極之間的最大應(yīng)力電壓，并增加二次側(cè)的峰值電流。在開始轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)之前，重要的是要了解最大占空比、變壓器一次側(cè)/二次側(cè)匝數(shù)比（Np/Ns）、一次側(cè)MOSFET的最大電壓應(yīng)力、一次側(cè)和二次側(cè)最大電流之間的關(guān)系。公式（2）給出了輸出電壓Vo和輸入電壓Vi（因?yàn)槠浜?jiǎn)單性沒有考慮Q1和二次側(cè)整流管Q2兩端的壓降）之間的主要關(guān)系。為了確保在整個(gè)輸入電壓范圍Vo的穩(wěn)壓，最大占空比可以任意選定一個(gè)<1的理論值。然后可以計(jì)算Np/Ns：利用系數(shù)（Ui）是用輸出功率除以二次側(cè)開關(guān)MOSFET和整流二極管的總最大應(yīng)力之和得出的。圖中的兩條曲線顯示了只考慮開關(guān)MOSFET應(yīng)力（

9、藍(lán)色虛線）計(jì)算出來的利用系數(shù)，以及考慮了二次側(cè)開關(guān)MOSFET和整流二極管（紅色虛線）的利用系數(shù)。要優(yōu)化額定輸入電壓的電源效率，一次側(cè)/二次側(cè)變壓器匝比應(yīng)利用占空比來計(jì)算，以使利用系數(shù)最大化，其典型值在30-40之間。（圖2：典型反激式轉(zhuǎn)換器的利用系數(shù)與占空比的關(guān)系，最大化利用系數(shù)的占空比為30-40）上面的曲線考慮的是有源元件上的理論應(yīng)力電壓。在實(shí)踐中，更重要的是評(píng)估MOSFET最大應(yīng)力電壓和變壓器數(shù)匝比是怎樣隨其選擇的最大占空比而變化的，并選擇一個(gè)可以在開關(guān)MOSFET的一定最大擊穿電壓內(nèi)給出“圓形（round）”匝數(shù)比值的值。確定一次側(cè)電感：選擇一次側(cè)和二次側(cè)電感有幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。第一，選擇可

10、以確保從滿載到某些最小負(fù)載均在連續(xù)模式運(yùn)行的一次側(cè)電感。第二，通過確定最大二次側(cè)紋波電流來計(jì)算一次側(cè)和二次側(cè)電感。第三，計(jì)算一次側(cè)電感，以保持盡可能高的右半平面零點(diǎn)（RHP），從而最大限度地提高閉環(huán)穿越頻率。在實(shí)踐中，第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)只用于特殊情況，而選擇的磁化電感可作為變壓器尺寸、峰值電流和RHP零點(diǎn)之間很好的折衷。為了通過確定二次側(cè)最大紋波電流來計(jì)算一次側(cè)和二次側(cè)電感，可以用下式計(jì)算出二次側(cè)電感（ ）和一次側(cè)電感（ ）：如前所述，一次側(cè)電感和占空比會(huì)影響右半平面零點(diǎn)（RHP）。RHP增加了閉環(huán)控制特性的相位滯后，迫使最大穿越頻率不超過RHP頻率的1/4。RHP是占空比、負(fù)載和電感的函數(shù)，可以引發(fā)和增加環(huán)路增益，同時(shí)降低環(huán)路相位裕度。通常的做法是確定最差情況的RHPZ頻率，并設(shè)置環(huán)路單位增益頻率低于RHPZ的三分之一。在反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，計(jì)算RHPZ的公式是：可以選擇一次側(cè)電感來削弱這種不良效果。圖3的曲線顯示了一次側(cè)電感對(duì)一次側(cè)和二次側(cè)電流和RH