反激式開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)詳解
電路中所謂的單端是指高頻變換器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè)。所謂的反激,是指當(dāng)開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通時(shí),高頻變壓器T初級(jí)繞組的感應(yīng)電壓為上正下負(fù),整流二極管 VD1 處于截止?fàn)顟B(tài),在初級(jí)繞組中儲(chǔ)存能量。
當(dāng)開關(guān)管 VT1 截止時(shí),變壓器T初級(jí)繞組中存儲(chǔ)的能量,通過次級(jí)繞組及 VD1 整流和電容C濾波后向負(fù)載輸出。
反激式電源" target="_blank">開關(guān)電源是一種成本最低的電源電路,輸出功率為 20 - 100 W,可以同時(shí)輸出不同的電壓,且有較好的電壓調(diào)整率。唯一的缺點(diǎn)是輸出的紋波電壓較大,外特性差,適用于相對(duì)固定的負(fù)載。
反激式開關(guān)電源使用的開關(guān)管 VT1 承受的最大反向電壓是電路工作電壓值的兩倍,工作頻率在 20 - 200kHz 之間。
反擊式開關(guān)電源的工作過程可以先簡單的分為四步:
第1步 整流
當(dāng)電源的輸入端接收到交流的220伏市電后會(huì)通過整流橋。將交流220伏,整流為直流310伏。
第2步 逆變
開關(guān)電源中的核心器件是控制器,它控制功率開關(guān)管將310伏直流電,反復(fù)開關(guān)轉(zhuǎn)換為高頻交流電,其頻率一般為幾十k到上百k赫茲。高頻交流電通過變壓器后可以進(jìn)行降壓。 因?yàn)榻涣麟姷念l率非常高,所以可以減小變壓器的體積成本并提升轉(zhuǎn)換效率,這也就是開關(guān)電源比傳統(tǒng)的工頻變壓器的成本更低的原因。
第3步 二次整流
高頻交流電通過變壓器后,將幅值變低,需要再通過整流電路轉(zhuǎn)化為直流電。轉(zhuǎn)化后的直流電就是電源的直接輸出。
第4步 反饋
反饋是反擊式開關(guān)電源以及各種其他開關(guān)電源中最復(fù)雜和最有技術(shù)難度的地方,需要有經(jīng)驗(yàn)的電源工程師反復(fù)調(diào)節(jié)才可以使電源的工作效率,響應(yīng)速度等參數(shù)達(dá)到最優(yōu)。反饋的作用就是當(dāng)輸出端的電壓出現(xiàn)波動(dòng)或受到一定干擾時(shí),控制器可以及時(shí)的感知到,并作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié),目的是將輸出電壓,快速的穩(wěn)定。理想的電源在面對(duì)擾動(dòng)時(shí)應(yīng)快速回到目標(biāo)電壓值,做到穩(wěn)準(zhǔn)快。
開關(guān)電源是涉及眾多學(xué)科的一門應(yīng)用領(lǐng)域,通過控制功率開關(guān)器件的開通與關(guān)閉調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制占空比達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的,能夠?qū)崿F(xiàn)AC/DC或者DC/DC轉(zhuǎn)換。
反激式開關(guān)電源是指使用反激高頻變壓器隔離輸入輸出回路的開關(guān)電源?!胺醇ぁ敝傅氖窃陂_關(guān)管接通的情況下,當(dāng)輸入為高電平時(shí)輸出線路中串聯(lián)的電感為放電狀態(tài);相反,在開關(guān)管斷開的情況下,當(dāng)輸入為高電平時(shí)輸出線路中的串聯(lián)的電感為充電狀態(tài)。
反激
工作原理:
變壓器的一次和二次繞組的極性相反,這大概也是Flyback名字的由來:
a.當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),變壓器原邊電感電流開始上升,此時(shí)由于次級(jí)同名端的關(guān)系,輸出二極管截止,變壓器儲(chǔ)存能量,負(fù)載由輸出電容提供能量。
b.當(dāng)開關(guān)管截止時(shí),變壓器原邊電感感應(yīng)電壓反向,此時(shí)輸出二極管導(dǎo)通,變壓器中的能量經(jīng)由輸出二極管向負(fù)載供電,同時(shí)對(duì)電容充電,補(bǔ)充剛剛損失的能量。
演變:
可以看作是隔離的Buck/Boost電路:
在反激電路中,輸出變壓器T除了實(shí)現(xiàn)電隔離和電壓匹配之外,還有儲(chǔ)存能量的作用,前者是變壓器的屬性,后者是電感的屬性,因此有人稱其為電感變壓器,有時(shí)我也叫他異步電感。
反激式變壓器是反激開關(guān)電源的核心,它決定了反激變換器一系列的重要參數(shù),如占空比D,最大峰值電流,設(shè)計(jì)反激式變壓器,就是要讓反激式開關(guān)電源工作在一個(gè)合理的工作點(diǎn)上。這樣可以讓其的發(fā)熱盡量小,對(duì)器件的磨損也盡量小。同樣的芯片,同樣的磁芯,若是變壓器設(shè)計(jì)不合理,則整個(gè)開關(guān)電源的性能會(huì)有很大下降,如損耗會(huì)加大,最大輸出功率也會(huì)有下降。
反激
優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn):
01
反激式開關(guān)電源的電壓和電流的輸出特性要比正激式開關(guān)電源的差。
反激式開關(guān)電源在控制開關(guān)接通期間不向負(fù)載提供功率輸出,僅在控制開關(guān)關(guān)斷期間才把存儲(chǔ)能量轉(zhuǎn)化為反電動(dòng)勢(shì)向負(fù)載提供輸出,但控制開關(guān)的占空比為0.5時(shí),變壓器次級(jí)線圈輸出的電壓的平均值約等于電壓最大值的的二分之一,而流過負(fù)載的電流正好等于變壓器次級(jí)線圈最大電流的四分之一。
即電壓脈動(dòng)系數(shù)等于2,電流脈動(dòng)系數(shù)等于4。反激式開關(guān)電源的電壓脈動(dòng)系數(shù),和正激式開關(guān)電源的脈動(dòng)系數(shù)基本相同,但是電流的脈動(dòng)系數(shù)是正激式開關(guān)電源的電流脈動(dòng)系數(shù)的兩倍。由此可知,反激式開關(guān)電源的電壓和電流的輸出特性要比正激式開關(guān)電源的差。
特別是,反激式開關(guān)電源使用的時(shí)候,為了防止電源開關(guān)管過壓擊,起占空比一般都小于0.5,此時(shí),流過變壓器次級(jí)線圈的電流會(huì)出現(xiàn)斷續(xù),電壓和電流的脈動(dòng)系數(shù)都會(huì)增加,其電壓和電流的輸出特性將會(huì)變得更差。
02
反激式開關(guān)電源的瞬態(tài)控制特性相對(duì)來說比較差。
由于反激式開關(guān)電源僅在開關(guān)關(guān)斷期間才向負(fù)載提供能量輸出,當(dāng)負(fù)載電流出現(xiàn)變化時(shí),開關(guān)電源不能立即對(duì)輸出電壓或電流產(chǎn)生反應(yīng),而需要等到下一個(gè)周期事,通過輸出電壓取樣和調(diào)寬控制電路的作用,開關(guān)電源才開始對(duì)已經(jīng)過去了的事情進(jìn)行反應(yīng),即改變占空比,因此,反激式開關(guān)電源的瞬態(tài)控制特性相對(duì)來說比較差。
有時(shí),當(dāng)負(fù)載電流變化的頻率和相位與取樣、調(diào)寬控制電路輸出的電壓的延時(shí)特性在相位保持一致的時(shí)候,反激式開關(guān)電源輸出電壓可能會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng),這種情況在電視機(jī)的開關(guān)電源中最容易出現(xiàn)。
03
反激式開關(guān)電源變壓器初級(jí)和次級(jí)線圈的漏感都比較大,開關(guān)電源變壓器的工作效率低。
反激式開關(guān)電源變壓器的鐵芯一般需要留一定的氣隙,一方面是為了防止變壓器的鐵芯因流過變壓器的初級(jí)線圈的電流過大,容易產(chǎn)生磁飽和。
另一方面是因?yàn)樽儔浩鞯妮敵龉β市。枰ㄟ^調(diào)整電壓器的氣隙和初級(jí)線圈的匝數(shù),來調(diào)整變壓器初級(jí)線圈的電感量的大小。
因此,反激式開關(guān)電源變壓器初級(jí)和次級(jí)線圈的漏感都比較大,從而會(huì)降低開關(guān)電源變壓器的工作效率,并且漏感還會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì),容易把開關(guān)管擊穿。
04
反激式開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)是電路比較簡單,體積比較小。
反激式開關(guān)電源輸出電壓受占空比的調(diào)制幅度,相對(duì)于正激式開關(guān)電源來要高很多。
反激式開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)是電路比較簡單,比正激式開關(guān)電源少用了一個(gè)大的儲(chǔ)能濾波電感,以及一個(gè)續(xù)流二極管,一次,反激式開關(guān)電源的體積要比正激式開關(guān)電源的體積小,且成本也要低。
此外,反激式開關(guān)電源輸出電壓受占空比的調(diào)制幅度,相對(duì)于正激式開關(guān)電源來要高很多,因此,反激式開關(guān)電源要求調(diào)控占空比的誤差信號(hào)幅度要比較低,誤差信號(hào)放大器的增益和動(dòng)態(tài)范圍也要較小。由于這些優(yōu)點(diǎn),目前,反激式開關(guān)電源在家電領(lǐng)域中還是被廣泛的應(yīng)用。
正激式是開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)變壓器次級(jí)電路工作,反激式是開關(guān)管截止時(shí)變壓器次級(jí)電路工作(開關(guān)截止,主級(jí)能量傳遞給次級(jí),次級(jí)工作開關(guān)閉合,主級(jí)電感線圈存儲(chǔ)能量)。 正激式開關(guān)電源輸出必需有續(xù)流二極管而反激式?jīng)]有(它們的變壓器繞法也不一樣。反激式變壓器初次極工作時(shí)間相反而正激式初次極工作時(shí)間相同)正激跟反激相比最大的問題的用的器件更多,雖然好像沒多幾個(gè),但都是必不可少,而且成本都是很高的。電路比反激式變壓器開關(guān)電源多用一個(gè)大儲(chǔ)能濾波電感,以及一個(gè)續(xù)流二極管。 正激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓受占空比的調(diào)制幅度,相對(duì)于反激式變壓器開關(guān)電源來說要低很多,因此,正激式變壓器開關(guān)電源要求調(diào)控占空比的誤差信號(hào)幅度比較高,誤差信號(hào)放大器的增益和動(dòng)態(tài)范圍也比較大。
正激式變壓器開關(guān)電源為了減少變壓器的勵(lì)磁電流,提高工作效率,變壓器的伏秒容量一般都取得比較大,并且為了防止變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)把開關(guān)管擊穿,正激式變壓器開關(guān)電源的變壓器要比反激式變壓器開關(guān)電源的變壓器多一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)吸收繞組,因此,正激式變壓器開關(guān)電源的變壓器的體積要比反激式變壓器開關(guān)電源的變壓器的體積大。
正激式變壓器開關(guān)電源還有一個(gè)更大的缺點(diǎn)是在控制開關(guān)關(guān)斷時(shí),變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)電壓要比反激式變壓器開關(guān)電源產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)電壓高。因?yàn)橐话阏な阶儔浩鏖_關(guān)電源工作時(shí),控制開關(guān)的占空比都取在0.5左右,而反激式變壓器開關(guān)電源控制開關(guān)的占空比都取得比較小。