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  • 反激开关电源的工作原理

    千次阅读 2021-03-18 19:09:00
    首先,开关频率跟降压的实现没有关系,实现降压的原理就是反激电路的降压原理,每个周期的降压都是一样的,即便把频率加快也是一样的降压,但是频率快了,有什么意义呢?这就要说,*单个周期的降压过程中,时间越长...

    1,频率的问题:
    功率mos的开关频率在100KHZ左右,那么这个频率有什么意义呢?
    首先,开关频率跟降压的实现没有关系,实现降压的原理就是反激电路的降压原理,每个周期的降压都是一样的,即便把频率加快也是一样的降压,但是频率快了,有什么意义呢?这就要说,*单个周期的降压过程中,时间越长(占空比一定时),传递的能量越多,*那么对变压的要求,就越高,变压器要能储存释放那么多的能量,因此体积就会变大。另外,频率低,周期时间长,电流的纹波就越大,所以,将频率提高,减小单个周期转换的能量,来缩小变压器体积,减小纹波。但是功率MOS管开关时,MOS管,变压器等期间都会产生损耗,开关频率越大,损耗就越大,所以频率不能太高。变压器是有一个效率最高的频率的,工作在这个频率时,变压器效率最高。
    2,变压器实现降压的原理:
    变压器的能量是存储在磁芯上的磁能,这个磁能是初级电能转换过来的,一个周期中,转换进来的磁能要全部转换回电能释放到次级,这样才能一直循环这个步骤。(所以,在设计初次极的开关时要采用断续模式(DCM),以保证磁芯能量全部转换,否则磁芯的能量会积累,很快就损坏了 )采用断续模式不是因为能量完全转换,连续模式也同样是完全转换的,断续和连续是工作模式的不同,断续工作在小功率状态。大功率状态时,使用连续模式,其实,是因为小功率时,用连续模式会有问题,所以才不得不采用断续模式。
    变压器磁能和电能的转化有一个定律:伏秒守恒,即变压器绕组施加一个正向电压与施加时间的乘积必须等于所施加的反向电压与施加时间的乘积。(这是电感伏安关系U=L(di/dt)推到来的,同样由电容的伏安关系I=C(du/dt)也可以推导出安秒守恒:电容充电的电流与时间的乘积等于放电电流与时间的乘积)。
    基于此定律可以得到,降压与占空比有关(按上面的原理,电源只工作在连续模式就可以了,降压只与D有关。但是在上面的基础上,因为小功率工作状态下出现了另外一个问题,为了解决那个问题,必需采用断续工作模式,进而导致降压关系不光要与D有关,还受到了负载的影响)。初级电压高,施加时间短,次级电压低,施加时间长。
    当然,这个时间长短不是绝对时间,而是相对时间,即初级和次级的相对时间。初级侧,导通时间占周期的比值,占空比。
    这也说明,变压与频率无关。
    从上面的考虑来说,变压确实与频率无关,因为我们是采用脉宽调制技术来调压的,但是,我们的电源不是只工作在脉宽调制的模式下,还有频率调节模式。就是在低功率输出时,不需要太高的工作频率,那样太浪费了,然后就会切换使用频率调节模式,这时候,变压就与频率有关了
    但所谓的伏秒守恒,其实其本质是能量的守恒。其表现形式与电感的伏安特性:U=L(di/dt)有关;
    3,变压器的辅助绕组的工作原理:
    变压器辅助绕组,其实可以看作是另外一个次级绕组,在初级绕组导通时,其和次级绕组是一样的,不过辅助绕组的线圈比次级多,所以电压是30V左右。当初级绕组断开时,次级绕组也会像初级绕组一样,产生漏感的电压,所以辅助绕组的回路中既有次级绕组的整流电容,也有初级绕组的吸收回路。

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    有源钳位反激电路和无源钳位反激(RCD吸收回路)

    有源钳位反激电路和无源钳位反激(RCD吸收回路)

    传统的硬开关反激变换器功率开关管电压,电流应力大,变压器的漏感引起尖峰电压,必须采用无源RCD吸收回路进行钳位限制,避免功率管被反向击穿。RCD回路由一个二极管,两个电阻和一个电容组成。二极管使其单向导通,即在功率MOS断开时其回路导通,吸收漏感能量。一个电阻和电容并联,电容起到电压钳位的作用,并吸收存储变压器初级漏感能量,后续在并联的电阻上消耗掉。
    由上面RCD的工作原理得,漏感能量被RCD吸收消耗掉了。效率就低一点。
    为了改善上面的情况,提高效率,就有了有源钳位电路。如下图(忽略Lr,Lm,他们是初级电感和漏感)
    在这里插入图片描述
    将RCD吸收电路的电阻R去掉,同时将二极管换成功率MOS,这样就变成了有源钳位反激变换器,通过磁化曲线在第一,第三象限交替工作,将吸收电路的电容吸收的电压尖峰能量回馈到输入电压,从而实现系统的正常工作,且降低了能量损耗,提升了效率。

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    因此反激电路中的变压器在工作中总是经历着储能一放电的过程。 电流工作在连续模式CCM 它与正激电路不同的地方是开关管关断时将能量传送给负载(反激),变压器磁通仅在单方向变化(单端),他没有磁复位电路...

    反激(Flyback) 型电路的结构见图2-40。该电路可以看成是将boost-buck电路中的电感换成相互耦合的电感N1和N2得到的。因此反激型电路中的变压器在工作中总是经历着储能一放电的过程。

    在这里插入图片描述
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    电流工作在连续模式CCM

    在这里插入图片描述在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    它与正激电路不同的地方是开关管关断时将能量传送给负载(反激),变压器磁通仅在单方向变化(单端),他没有磁复位电路,因为次级将能量传送给负载的过程即去磁过程,所以不需要额外的去磁绕组。
    在这里插入图片描述

    DCM模式

    DCM模式下,在开关管开通前次级绕组电流为零,此时电容C向负载提供能量。与Boost-buck电路推导过程类似,反激电路电流连续临界条件:
    在这里插入图片描述在这里插入图片描述
    由DCM模式下电压输出输入之比:
    在这里插入图片描述
    反激电源是靠电感(变压器)的储能通过次级向输出电容释放能量的,就是说主振功率管和输出整流管不是同步工作,如果没有反馈电路较严格的控制前级占空比,输出又空载,电感的能量就无处释放,会造成次级和初级线圈电压升高很多(理论是电压无限高),主震功率管被击穿(过热)损坏。所以不允许空载。

    为什么反激电路通常避免工作于连续模式?

    先来复习一下变压器知识;
    在这里插入图片描述
    了解变压器输入电压与ton乘积与最大磁通摆幅、匝数、铁心面积之间的关系。再来分析反激型电路电流连续和断续时变压器磁通密度与绕组电流的关系:因为反激型电路变压器的绕组N1和N2在工作中不会同时有电流流过,不存在磁势相互抵消的可能,因此变压器磁心的磁通密度取决于绕组电流的大小。在这里插入图片描述
    从图中可以看出,在最大磁通密度相同的条件下,连续工作时磁通密度的变化范围▲B小于断续方式。在反激型电路中,▲B正比于一次侧每匝绕组承受的电压乘以开关处于通态的时间ton,在电路的输人电压和ton相同的条件下,较大的▲B意味着变压器需要较少的匝数,或较小尺寸的磁心。从这个角度来说,反激型电路工作于电流断续模式时,变压器磁心的利用率较高,较合理,故通常在设计反激电路时应保证其工作于电流断续方式。
    反激型电路的结构最为简单,元件数少,因此成本较低,广泛适用于各种功率为数瓦~数十瓦的小功率开关电源,在各种家电、计算机设备、工业设备中广泛使用的小功率开关电源中基本上都采用的是反激型电路。但该电路变压器的工作,点也仅处于磁化曲线平面的第I象限,利用率低,而且开关元件承受的电流峰值很大,不适合用于较大功率的电源。

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    一:反激式开关电源

    1.1 反激开关电源

    反激式开关电源是指使用反激高频变压器隔离输入输出回路的开关电源。“反激”指的是在开关管接通的情况下,当输入为高电平时输出线路中串联的电感为放电状态;相反,在开关管断开的情况下,当输入为高电平时输出线路中的串联的电感为充电状态。
    在这里插入图片描述
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    1.2 工作原理

    工作原理:
    变压器的一次和二次绕组的极性相反,这大概也是 Flyback 名字的由来:
    a. 当开关管导通时,变压器原边电感电流开始上升,此时由于次级同名端的关系,输出二极管截止,变压器储存能量,负载由输出电容提供能量。
    b. 当开关管截止时,变压器原边电感感应电压反向,此时输出二极管导通,变压器中的能量经由输出二极管向负载供电,同时对电容充电,补充刚刚损失的能量。

    1.3 反激电路的演变

    可以看作是隔离的 Buck/Boost 电路:

    在这里插入图片描述
    在反激电路中,输出变压器 T 除了实现电隔离和电压匹配之外,还有储存能量的作用,前者是变压器的属性,后者是电感的属性,因此有人称其为电感变压器,有时我也叫他异步电感。

    二:正激式开关电源

    2.1 正激式开关电源

    正激式开关电源是指当变压器的初级线圈正在被直流电压激励时,变压器的次级线圈正好有功率输出。
    正激式开关电源输出电压的瞬态控制特性和输出电压负载特性,相对来说比较好,因此,工作比较稳定,输出电压不容易产生抖动,在一些对输出电压参数要求比较高的场合,经常使用。
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    单端正激式:
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    双管正激式:
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    由上三张图可知,反激的变压器可以看作一个带变压功能的电感,是一个 buck-boost 电路。正激的变压器是只有变压功能,整体可以看成一个带变压器的 buck 电路。二次侧接第一个整流二极管的负端接电解电容的是反击,接电感的是正激。
    总地来说,正激反激工作原理不同,正激是初级工作次级也工作,次级不工作有续流电感续流,一般是 CCM 模式。功率因数一般不高,而且输入输出和变比占空比成比例。反激是初级工作,次级不工作,两边独立开来,一般 DCM 模式下,理论上是单位功率因数,但是变压器的电感会比较小,而且需要加气隙,所以一般适合中小功率情况 . 一般的电源书都会有具体的介绍和设计公式。
    正激变压器是理想的,不储能,但是由于励磁电感(Lp)是有限值,励磁电流使得磁芯 B 会大,为避免磁通饱和,变压需要辅助绕组进行磁通复位;反激变压器工作形式可以看做耦合电感;电感先储能,再放能。由于反激变压器的输入、输出电压极性相反,固当开关管断开之后,次级可以提供磁芯一个复位电压,因而反激变压器不需额外增加磁通复位绕组。

    三:区别

    3.1 主要区别

    正激反激主要区别在高频变压器的工作方式不同但他们在同一象限上。正激是当变压器原边开关管导通时同时能量被传递到负载上,当开关管截止是变压器的能量要通过磁复位电路去磁。
    反激是和正激相反,当原边开关管导通时给变压器存储能量。但能量不会加在负载上,当开关管截止时,变压器的能量释放到负载侧。正激开关电源,后面多的那个二级管是续流二级管,一般输出部分还会多加一个储能电感,正激和反激最重要的区别是变压器初次级的相位是反相的。

    3.2 最大区别

    正激与反激的工作最大区别是,当开关管关断时,正激的输出主要靠储能电感和续流二级管来维持输出,而反激的输出主要靠变压器次级释放能量来维持输出。正激电路不宜做多路输出,正激电路要用脉宽调整做稳压必须在次极整流以后串电感,不然输出电压主要由输入决定,与脉宽影响不大,脉宽只影响输出纹波。如用正激电路做多路输出原理上存在的问题:如每路输出不用电感,那么对输入变化没有稳压作用,且没有开关电源应有的安全性。如果每路加电感:那么输出电压在理论上与负载大小有关,不参与反馈的回路就不正。 
    反激电路在原理上就适合多路输出稳压。反激电路首先储能,后把能量按各路的电压比率供应给每一路,先可以认为每路的输出比例是不变的(实际有误差看下面),按电流谁需要多给谁多的原则分配。 
    关于反馈
    被反馈的这一路总是很准的因为就是按找他来反馈的,但反馈的一路一定要有一点负载。不然会加大输出各路间的不平衡。可以用多路加权来进行反馈,就可以使误差的矢量和为零,通俗点让误差在各路间均衡,哪路的权重大,哪路的精度就高。变压器遵守各个瞬态电压比等于线圈比,这是理解中用得最多的一个条件。

    四:关于开关电源

    4.1 原理区别

    正激式是开关管导通时变压器次级电路工作,反激式是开关管截止时变压器次级电路工作(开关截止,主级能量传递给次级,次级工作开关闭合,主级电感线圈存储能量)。
    正激式开关电源输出必需有续流二极管而反激式没有(它们的变压器绕法也不一样)。
    反激式变压器初次极工作时间相反而正激式初次极工作时间相同。
    正激跟反激相比最大的问题的用的器件更多,虽然好像没多几个,但都是必不可少,而且成本都是很高的。电路比反激式变压器开关电源多用一个大储能滤波电感,以及一个续流二极管。
    正激式变压器开关电源输出电压受占空比的调制幅度,相对于反激式变压器开关电源来说要低很多,因此,正激式变压器开关电源要求调控占空比的误差信号幅度比较高,误差信号放大器的增益和动态范围也比较大。
    正激式变压器开关电源为了减少变压器的励磁电流,提高工作效率,变压器的伏秒容量一般都取得比较大,并且为了防止变压器初级线圈产生的反电动势把开关管击穿,正激式变压器开关电源的变压器要比反激式变压器开关电源的变压器多一个反电动势吸收绕组,因此,正激式变压器开关电源的变压器的体积要比反激式变压器开关电源的变压器的体积大。
    正激式变压器开关电源还有一个更大的缺点是在控制开关关断时,变压器初级线圈产生的反电动势电压要比反激式变压器开关电源产生的反电动势电压高。因为一般正激式变压器开关电源工作时,控制开关的占空比都取在 0.5 左右,而反激式变压器开关电源控制开关的占空比都取得比较小。

    4.2 应用区别

    正激式变压器不蓄积能量,只担负偶合传输,反激式变压器需把开通过程中的能量蓄积在本身,关断过程中再释放:
    正激式绕组同相位,反激式绕组反相;
    正激式变压器不用调节电感值,反激式需调节。
    正激式工作存在剩磁为防饱和需消磁电路,本身不蓄能需要蓄能线圈和续流二极管,反激式不用。 
    反激主要用在 150-200 瓦以下的情况,正激则用在 150w 到几百瓦之间。
    之所以反激更广范就是因为我们日常中 100w 以下的电源比较常见,应用比较常见,所以也就比较广泛啦。
    原理就是一个通过储能再通过变比进行变压的,一个是直接通过变比进行变压的。正激初级绕组同名端都是正极所以叫正激,反激一个在正,一个在负所以叫反激。
    反激式可做小功率,成本低,调试相对简单些,所以在小功率电源中常用。
    它们的区别: 主变压器方面, 正激的需增加消磁绕组,当然也有的用增加两个二极管在主绕组进行消磁,无论如何正激电源必须增加消磁回路。反激不用增加输出储能电感,因为能量能储存在次级线圈中 ,正激须增加输出储能电感,且整流部分需增加续流二极管。

    note:本文为在原文的基础上收集整理,尊重版权,附上原文地址:反激式电源

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空空如也

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反激电路工作原理分析