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    本文的笔记参考资料为,王兆安《电力电子技术》第五版,以及TI培训视频  邵革良《精通反激电源变压器设计》。

     

    一、反激电路 原理部分

     

    二、反激电源的一般结构

    顺着箭头方向,依次是 EMI滤波器 -> 交流整流 -> 和反激拓扑。

    其中 反激电源变压器的本质 是一个储能电感

     

    下图是一个应用实例

    个各功能区介绍如下

    输入滤波

    下方红框是整流电路

    反激电路的核心

    控制IC

    辅助绕组

    以及输出的闭环反馈

     

    四、反激电源的3种工作模式

    CCM 电流连续模式,即电感电流(复变绕组电流)咋S开通前,电流尚未下降为0. 体现在波形图中是梯形波。(Ids的初始小尖峰是电容放电)

    DCM  电流连续模式,即电感电流(复变绕组电流)咋S开通前,电流尚已经下降为0.体现在波形图中是三角波。 在复变电感电流降为零之后,Vds的波动来源于变压器漏感里的能量,进行的自由震荡。所以在震荡区,原副边都没电流。

    CRM 临界模式          在开通时刻恰好下降为零

     

     

     

     

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  • 反激变换器是辅助电源通常采用的电路拓扑.它的优点在于可以工作在非常广阔的输入电压范围,电路简单,元件少,但效率一般在75%左右.一般工程师对反激变换器设计比较茫然。本文试图找到MIP162和TOPswitch系列组成的辅助...
  • 由于反激变换器的电路拓扑简单,输出与输入电气隔离,能高效提供多组直流输出,升降压范围宽,因此在中小功率场合得到广泛应用。本文利用反激变换器的特点,设计了利用分立元器件搭构的驱动控制电路,
  • 10~100W用反激拓扑(75W以上有PF要求)、 100~300W用正激,双管反激,LLC准谐振、 300~500W双管正激,LLC准谐振,半桥、 500~2000W双管正激,半桥,全桥、2000W以上全桥。 下面主要讲小功率的自激振荡和反激拓扑 ...

    前言

    隔离开关电源拓扑选择:

    10W以内用常用RCC自激振荡、

    10~100W用反激拓扑(75W以上有PF要求)、

    100~300W用正激,双管反激,LLC准谐振、推挽

    300~500W双管正激,LLC准谐振,半桥、

    500~2000W双管正激,半桥,全桥、2000W以上全桥。

     

    非隔离 - 降压拓扑

     

    非隔离 - 升压拓扑

     

    非隔离 - 升降压拓扑

     

    自激振荡拓扑 - RCC振荡阻塞

    先有通电即导通,后因npn拉低g极关断,又dcm模式辅绕使导通

    • 原理详解

    开启:通电mos导通,辅绕感应的电压加深饱和

    翻转:mos一导通,电流采样电阻的压降使npn导通,此时拉低mos栅极电压,mos截止,辅绕正反馈,加深截止

    关断:dcm模式励磁与节电容谐振阶段,辅绕感应相反电压,mos再次开启

     

    自激振荡拓扑 - royer自激推挽

    因管差异而启动,因辅绕正反馈而推进,因磁饱和而翻转

    • 原理详解

    开启:C2电容慢慢充电,那个管导通阈值小,那个管先导通,b极绕组起正反馈加深饱和导通,另一个则加深截止

    翻转:磁饱和后,绕组压降为0,导通那管的管压降迅速拉高,退饱和,集电极电流减少,绕组感应反向电压,b极绕组正反馈加快退饱和至截止,另一管则导通

     

    反激拓扑 - 单管反激

    开通时原边储能,截至时副边释能

    • 原理详解

    开通:变压器原边电感充电,副边由于同名端不同二极管反向截至,负载又输出电容提供能量

    关断:变压器原边MOS管截至,副边电感由于楞次定律充当电源,为负载和输出电容提供能量

     

    反激拓扑 - 双管反激

    与单管同理,MOS管同时导通关断,原边二极管是给尖峰电压提供泄放回路

    • 原理详解

    开通:上下管同时开启,输入电压给原边充能,副边由于同名端不同二极管反向截至,负载又输出电容提供能量

    关断:上下管同时关断,瞬间的尖峰电压通过原边二极管回路给输入电源充电,副边电感由于楞次定律充当电源,为负载和输出电容提供能量

     

    正激拓扑 - 单管正激

    开通时原边既传递能量也储存能量,关断时原边辅助绕组给Vin充电去磁

    • 原理详解

    开通:原边既传递能量也储存能量,副边如Buck拓扑电感储能

    关断:如果没有去磁回路变压器会饱和,W3是去磁回路原边去磁,副边如buck拓扑

     

    半桥拓扑 - 对称半桥

    原边上下管交替开关,变压器工作,副边双绕组全波整流

     

    半桥拓扑 - 半桥LLC

    此时Ir逆时针,上管zvs,充磁传能,谐振迫使无法再充,此时Ir顺时针,下管zvs,去磁反传能,谐振迫使无法再去...

    • 原理详解(第二区间)

    下关上准开死区(创造上管zvs):Ir由下往上吸干S1结电容电压,为上管零电压开启做准备

    下关上开传能状态(充磁):Lm被副边钳压,仅仅Lr和Cr谐振,能量向副边传递

    下关上开全谐振状态:由于谐振正弦波,Ir降到仅能励磁(没有过多电流传能)时,LmLrCr一起谐振

    上关下准开死区(创造下管zvs):上管关断,Ir释放了下管结电容的电压,为下管零电压开启做准备

    上关下开反传能状态(去磁):此时Ir已经很小了又失去Vin(上管关断),所以是副边给原边传能(相当于去磁),同时Lm被钳压,仅仅LrCr谐振

    上关下开全谐振状态:由于谐振正弦波,Ir只能励磁时,LmLrCr一起谐振,记得此时Ir由下往上逆时针,回到第一段

    • 特点

    兼容高功率密度(充分利用漏感和结电容)和掉电时间保持时间(需要大容量输出电容与产品小体积的矛盾)

    天生的软开关,

     

    推挽拓扑

    工作原理与半桥相似,不过原边绕组有中间抽头

    • 特点

    推挽管子大都工作在线性区,半桥管子则在开关状态

    变压器存在饱和问题

    mos管要承受两倍的峰值电压

    副边全波整流 --> 纹波频率是变压器频率的两倍

     

    全桥拓扑

     

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  • 有源钳位是现在高功率大电流DCDC变换常见的一种拓扑选择
  • 最近再某宝买了一个AC-DC 开关电源,向他要一个原理图,想着哪里坏了可以自己修一修,结果说没有。这我怎么能忍??于是自己就结合网上资料和板子的丝印画出了他的原理图。 原理图如下: 开关电源基础知识 开关...

    最近再某宝买了一个AC-DC 开关电源,向他要一个原理图,想着哪里坏了可以自己修一修,结果说没有。这我怎么能忍??于是自己就结合网上资料和板子的丝印画出了他的原理图。

    image-20211028162203113

    image-20211028162659123

    原理图如下:

    image-20211102151722182

    开关电源基础知识

    开关电源是利用现代电子电力技术,控制开关管开通和关断的时间比率。维持稳定输出电压的一种电源。开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM) 控制 IC 和MOSFET构成。

    开关电源的类型

    线性稳压器

    所谓线性稳压器,也就是我们所说的LDO,一般有这两个特点:

    • 传输元件工作再线性区,它没有开关的跳变。
    • 仅限于降压转换。

    开关稳压器

    • 传输器件开关(场效应管),在每个周期完全接通和完全切断的状态。
    • 里面至少包括一个电能储能的元件,如电感或电容。
    • 多种拓扑(降压,升压,降压-升压)。

    我们知道,所有的能量都不会凭空消失,损耗的能量最终都会以热的形式传递出去,这样,电路中就需要增加更大的散热片。结果电源的体积就会变大,并且整机的效率也很低。

    如果在开关模式的开关电源,不仅可以提高效率,还可以降低热管理。

    什么是开关稳压器?

    image-20211102141437273

    开关稳压器,实现稳压,就需要控制系统(负反馈),从自动控制理论中我们知道,当电压上升时,通过负反馈把他降低,当电压下降时,就把它升上去。这样就形成了一个控制的环路,如PWM(脉宽控制),PFM(频率控制)等。

    脉宽调制方式(PWM)

    周期性的改变开关的导通与关断时间的简单方法

    image-20211102141921151

    占空比:开通的时间 Ton 与开关周期 T 的比值,Ton(开通时间) + Toff(关断时间) = T(开关周期)。占空比 D = Ton / T 。

    但是,我们不能采用一个脉冲输出,需要一种实现能量流动平稳化的方法。通过很多的脉冲,高频的切换,将再开关接通期间存储能量,而在开关切断时提供能量的方法,从而实现平稳。

    电子行业中,两种储能元件

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    实例,简化的降压开关电源

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    如图,是一个简化的降压开关电源,为了方便电路分析,先不加入反馈控制部分。

    状态1: 当 S1 闭合时,输入的能量从C1 ,通过S1 --> 电感器L1 --> 电容器C2 --> 负载RL供电,此时,电感器L1同时也在 储存能量,可以得到 加载L1上的电压为 :Vin - V0 = L*di/dton。

    状态2:当 S2 关断时,由于电感储存能量,( 电感阻碍电流的变化,与电流的方向一致,变化时,将电感理解为一个电压源,该电压源输出的电流与原来的一致。)因此,从电感器L1储存的能量 --> 电容器C2 --> 负载RL --> 二极管D1。此时可得式子:L*di/dtoff = V0。

    最后我们得出 V0/Vin = D

    各个器件的作用:

    1. 电容C1 : 用于使输入电压平稳。
    2. 电容C2:负责输出电压平稳。
    3. 钳位二极管:在开关开路时,为电感器提供一条电流通路。
    4. 电感器 L1:用于存储即将传送置负载的能量。

    反激式变换器

    反激式变换器是由 Buck-Boost 变换器推演而来,将电感变换一个隔离变压器,就可以得到下图的反激式变换器。

    image-20211102150114382

    反激的重要波形

    image-20211102150625789

    当开关管开通,电感的电流上升,可以看出,它的电流图形和 BUCK-BOOSK的图形是非常相似的,它的区别就是一个原副边的匝数比,这里也可以看做变压器就是一个电感的作用。

    单端反激式开关电源

    单端反激式开关电源如图所示,电路中所谓的单端是指高频变化器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激,是指开关管导通时,高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负,整流二极管D1处于截止状态,再初级绕组中存储能量。当开关管截止时,变压器T初级绕组中存储的能量,通过次级绕组激VD1整流和电容C滤波后向负载输出。

    开关式稳压电源的基本电路框图

    单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路,输出功率为20-100W,可以同时输出不同的电压,且有较好的电压调整率。唯一的缺点是输出的纹波电压较大,外特性差,适用于相对固定的负载。

    单端反激式开关电源使用的开关管VT1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍,工作频率在20-200kHz之间。

    原理框图

    image-20211025102215372

    原理解析

    EMI电路(瞬态滤波电路)

    市电接入PC开关电源后,首先进入的就是瞬态滤波电路。

    所谓的 EMI 就是电磁干扰,通常采用共模滤波器,其中包括共模电容,不平衡变压器或者共模电感。共模电容将两个输入线的共摸电流旁路到大地,共摸电感呈现一个平衡阻抗,也就是说,电源线和地线中阻抗相等,这个阻抗对共模噪声呈现阻抗特性。

    共模滤波器的作用是消除开关电源特有的"开关干扰",以保证设备自身和电网中的其他设备免除干扰。

    image-20211022142808740

    原理图:

    F1 : 保险管,电流过大时,保护电路。

    R1 R2 : 放电电阻,给这部分滤波放电,使用多个电阻是为了分散承受放电的功率。

    C11 : X电容,对差模干扰起滤波作用,也就是输入的两端。

    L1 : 共模电感,衰减共模电流。

    整流滤波电路

    image-20211102153047414

    交流电,经过整流桥整流后,经过C2滤波后得到较为纯净的直流电压。若C2容量变小,输出的交流纹波将增大。

    电容充放电图:

    image-20211102155629414

    NTC 热敏电阻: 在电路的输入端串联一个负温度系数的热敏电阻增加线路的阻抗,这样可以有效的抑制开机时产生的浪涌电压形成的浪涌电流。

    当电路进入稳态工作时,由于线路中持续工作电流引发 NTC 发热,使得电阻器的电阻值变得很小,对线路造成的影响可以完全忽略。

    芯片启动电路

    CR6842具有2中启动方式:

    (1). 传统启动方式:使用VDD作启动引脚时,芯片支持整流前启动与整流滤波后启动,启动电路如下:

    image-20211022151112238

    (2). 具有OCP补偿功能的启动方式:使用3脚VIN作为启动引脚时芯片具有OCP补偿功能,但仅支持从整流滤波后启动的方式,如下所示:

    image-20211022151236263

    原理解析:

    OCP补偿功能的启动,

    image-20211102161330544

    左侧,当系统的输入电压发送变化时,通过启动电阻流经Vin端的电流也会发生变化,芯片通过检测该端口变化值来自动实现补偿,使系统达到恒定功率输出的目的。

    右侧,当电源上电开机时,通过启动电阻R11给 VDD端的电容C1 充电,直到VDD端口电压达到芯片的启动电压 Vth(ON) (典型值 16.5V)时,芯片才被激活并且驱动整个电源系统正常工作。

    开关ON通路与电流检测(限流保护)

    image-20211103090628251

    开关电源ON的通路,其中R8为工作电流检测电阻。

    R9 与 C5 构成R-C网络,避免由于Sense 端的电流反馈信号前沿噪声干扰持续时间超过芯片内置的前沿消隐(LEB)时间导致系统性能异常。

    推荐R-C网络的取值:R<680Ω ,C < 1000pF。

    开关OFF通路

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    能量不可能凭空消失,因此需要一个回路来释放电感存储的能量,开关OFF时,通过二极管D6 电阻R10 释放能量,此处的电容与电阻并联,为了避免开关管的高频信号影响直流分量信号,起滤波作用。

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    加速关断驱动

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    MOS管一般都是慢开快关。在关断瞬间驱动电路能提供一个尽可能低阻抗的通路供MOSFET栅源极间电容电压快速泄放,保证开关管能快速关断。

    为使栅源极间电容电压的快速泄放,常在驱动电阻上并联一个电阻和一个二极管,如上图所示,其中D1常用的是快恢复二极管。这使关断时间减小,同时减小关断时的损耗。Rg2是防止关断的时电流过大,把电源IC给烧掉。

    开关管工作频率

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    CR6842 允许设计者依据系统的使用环境自行调制系统的工作频率,CR6842的典型工作频率为65KHZ,其应用电路如下:

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    如上,我们设置的工作频率为 fpwm = 1742 / 24 = 72.58KHZ。

    同步整流滤波电路

    image-20211103094054768

    D5 为整流二极管,保证单向导通。

    C6 与 R12 串联组成吸收回路与二极管并联,其作用是抑制方向峰值电压(削弱尖峰)对二极管的造成耐压不足引起损坏。

    也就是我们所说的缓冲电路:

    image-20211103094446806

    L3 为续流电感,避免负载电流的突变,起到平滑电流作用。

    电容 C4 C7 C8 为输出滤波。

    光耦和TL431联合用在开关电源中的电压反馈电路

    image-20211103095418969

    TL431 工作原理如下:

    上图中的431不是用于稳压,而是用作一个电压门限开关,它与R14,R15一起检测+12V电压的变化,当+12V电压升高时,431的K极和A极短接,然后将光耦发光二极管的阴极接地,光耦导通,电源芯片(TMG0165)的第一管脚(FB)被拉低,芯片便调整输出占空比,使+12V电压降低。当+12V降低时,光耦不导通,电源芯片 FB 端为高电平,调整输出占空比,使+12V升高。

    TL431 原理框图:

    image-20211025150957117

    TL431 用作稳压电路时,典型电路如下:

    image-20211025151039442

    当输入电压变化时,431会将变化的电压通过电流的作用转化到输入端的电阻上,其过程为:当输入端电压升高时,431的 K 极与 A 极之间的三极管 CE极电流增大,即 Ik电流变大(而 R1 和 R2 上的电流不变)输入端的电阻压降升高,从而保证 VKa 不变。当输入端电压降低时,431 的 K极和 A极 之间的三极管 CE极电流减少,即 Ik电流减少(而 R1 和 R2 上的电流不变),输入端的电阻压降减少,从而保证 VKa 不变。


    为此原理部分已经了解完成,接下来是需要了解性能参数。

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