在本篇文章當(dāng)中將分享來自前工程師從開關(guān)電源到伏秒平衡的相關(guān)知識。

 

現(xiàn)在市面上的開關(guān)電源，總體來講，其實(shí)就兩類，一類是PWM類型的(也許有人會說還有PFM，RCC等等但是歸根結(jié)底這還是一類的)，包括Flyback、Buck、Boost、Buck-Boost、Flyback、正激、硬半橋、硬全橋、移相全橋、推挽等等。

 

這一系列開關(guān)電源的工作核心就是電感伏秒平衡原理。

 

下面就說說伏秒平衡，這個(gè)絕對是核心中的核心，容不得半點(diǎn)折扣。

 

先做一下基本的公式推倒：

其實(shí)所謂的伏秒平衡就是磁芯的勵(lì)磁、退磁的過程。電感在Ton時(shí)候勵(lì)磁，儲存能量，在Toff時(shí)候，退磁，釋放能量。

 

從上面的推倒可以看出，用(E*Ton)就直接可以表示磁芯的勵(lì)磁能量。

 

磁芯在每個(gè)工作周期，都要先勵(lì)磁，然后再復(fù)位。因?yàn)殡娫丛诜€(wěn)定工作狀態(tài)，磁芯每個(gè)周期儲存的能量必須等于釋放的能量，要不然磁芯就飽和了。

 

所以就可以推導(dǎo)出下面這個(gè)超級簡單實(shí)用的公式：

 

E1*Ton= -E2*Toff

 

(特別指出，這個(gè)公式成立的充要條件是電感各個(gè)繞組都在同一個(gè)磁芯上，繞組可以是1~n個(gè))

 

E1、E2指的是同一個(gè)繞組兩端的電壓。Ton指的是E1持續(xù)的時(shí)間。Toff指的是E2持續(xù)的時(shí)間。

 

這個(gè)公式的主要作用在哪里呢?在推導(dǎo)各種PWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸入輸出關(guān)系的時(shí)候，上面那個(gè)公式就非常重要了。有了它，不管是什么拓?fù)?，只要是PWM的，輸入輸出關(guān)系就很容易清晰的證明出來，是非常重要的一個(gè)公式。

 

 

反激式開關(guān)電源大家再熟悉不過，其優(yōu)點(diǎn)不在少數(shù)，結(jié)構(gòu)簡單且成本低廉。最重要的是適應(yīng)的功率范圍比較廣，幾瓦到200瓦，市電輸入，輸出電壓不超過63V，輸出電流不超過15A，在這個(gè)范圍內(nèi)，反激式到目前為止還是很有優(yōu)勢的。甚至有的產(chǎn)品為了對成本進(jìn)行節(jié)約，將反激做到了500W。

 

接下來我們就來講一下反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，上面說了伏秒平衡，那個(gè)是推導(dǎo)所有的PWN類型的開關(guān)電源的基礎(chǔ)。

 

下面主要講反激式的主拓?fù)涔ぷ髟硪约白儔浩鞯挠?jì)算。反激式開關(guān)電源，其實(shí)是屬于Buck-Boost的變種。更多的詳細(xì)資料大家可以去網(wǎng)上查詢，這里就不多說了。

 

我們先從Buck-Boost開始來分析。

圖1

 

 

電源電壓加到電感兩端，電感有電流流過，感應(yīng)電壓上正下負(fù)。

 

二極管反偏，次級電解電容沒有有效回路對電感勵(lì)磁，所以，電感儲存能量全部來自初級。

 

電感兩端伏秒積為Vin*Ton。

圖2

 

 

電感感應(yīng)電壓反轉(zhuǎn)，變?yōu)橄抡县?fù)，電感對輸出釋放能量，電感磁芯復(fù)位。

 

次級電解電容對電感勵(lì)磁。

 

伏秒積為：Vout*Toff。

 

由同一個(gè)磁芯上伏秒平衡原理

 

Vin*Ton+Vout*Toff=0

 

得到：

 

Vout=-(Vin*Ton)/Toff=-Vin* (只對連續(xù)模式成立)

 

斷續(xù)模模式Toff還要減去死區(qū)，這樣推導(dǎo)的話，應(yīng)該比較容易讓大家理解。

 

反激式開關(guān)電源是現(xiàn)在市面上電子消費(fèi)品中應(yīng)用最廣泛的拓?fù)?。反激式開關(guān)電源最適合的功率范圍在3-150W之間，可以做成CC模式或者CV模式。代表有適配器，輔助電源，LED驅(qū)動(dòng)等等。

 

接下來就說一下反激式主拓?fù)涞墓ぷ髟硪约霸O(shè)計(jì)中需要注意的要點(diǎn)。

圖3

 

如圖3所示，主回路關(guān)鍵元器件就那幾個(gè)：輸入主電解電容，變壓器，開關(guān)管，整流二極管，輸出電解電容。

 

下面分析一下反激式的基本工作原理。參照圖3，開關(guān)管導(dǎo)通：變壓器初級電流上升，磁心儲存能量，次級線圈與初級同名端相反，二極管截至。

 

初級線圈上面的伏秒積：Vin*Ton。

圖4

 

開關(guān)管關(guān)，初級線圈沒有放電回路，因?yàn)殡姼须娏鞑荒芡蛔?，線圈感應(yīng)電動(dòng)勢反轉(zhuǎn)，次級二極管導(dǎo)通，磁芯通過次級二極管放電，輸出點(diǎn)解電容對磁芯勵(lì)磁，磁芯復(fù)位。

 

開關(guān)管關(guān)斷，次級線圈上的伏秒積：n*Vout*Toff。

 

同一個(gè)磁芯上，由伏秒積平衡原理：

 

Vin*Ton=n*Vout*Toff

 

化簡 得到反激式輸入輸出的關(guān)系式：

 

Vout=(1/n)*<(Vin*Ton)/Toff>

 

Ton=T*D

 

Voff=T*(1-D)

 

代入上式得

 

Vout=(1/n)

 

上面式子只是對連續(xù)模式反激成立，臨界或者斷續(xù)模式需要減去四區(qū)，四區(qū)時(shí)間，次級二極管截止，次級不對磁芯勵(lì)磁。觀察上面的輸入輸出關(guān)系，我們會發(fā)現(xiàn)，決定反激式變壓器輸入輸出關(guān)系的參數(shù)：

 

我們暫且把變比n假設(shè)為1，則可以得到：

 

Vout=Vin*(D/1-D)

 

D<0.5的時(shí)候，Vout。

 

D>0.5的時(shí)候，Vout>Vin，工作在升壓區(qū)域。

 

 

反激式開關(guān)電源，按照工作波形，有兩種工作模式：

圖5連續(xù)模式。

 

圖5是連續(xù)模式的主要工作波形，初級次級電流都有一部分是直流成分。

圖6

 

在相同的輸入電壓輸入功率條件下，Iavg一定，電流波形越連續(xù)，那么初級回路上的峰值電流就越小，特別是關(guān)斷電流Ipk1，Ipk1對于關(guān)斷損耗影響非常大。

 

平均電流跟峰值電流的關(guān)系

 

這個(gè)計(jì)算其實(shí)很簡單，也就初中幾何就足夠了，計(jì)算電流波形的面積。

 

開關(guān)管開通階段，流過電感的電流：(1/2)*(Ipk1+Ipk2)*Ton (體形面積)

 

平均到整個(gè)周期就得到輸入的平均電流。

 

Iavg=<(1/2)*(Ipk1+Ipk2)*Ton>/(Ton+Toff)

 

設(shè)計(jì)時(shí)候我們是把上式倒過來用的，用平均電流求出峰值電流。一般習(xí)慣性的用一個(gè)字母K代表Ipk1/Ipk2，

 

這個(gè)K值，影響到初級電流的連續(xù)程度。連續(xù)模式適用于輸入電壓相對較低，功率相對較大的情況下。

 

關(guān)于什么時(shí)候使用連續(xù)模式，什么時(shí)候使用斷續(xù)模式，這個(gè)其實(shí)沒有絕對的，一般情況下，對于十幾瓦以下的東西，一半都使用斷續(xù)模式，現(xiàn)在PSR在小功率方面比較主流，PSR的充電器一般都是斷續(xù)模式，有些IC為了適應(yīng)新的能耗要求，又開始使用谷底導(dǎo)通技術(shù)，所以這一類只能工作在斷續(xù)模式。

 

1、磁芯利用充分，線圈匝數(shù)少，變壓器比較小。

 

2、Mos管零電流開通，開通無損耗。

 

3、次級二極管零電流關(guān)斷，可以不需要使用肖特基二極管。

 

 

1、功率大的情況下，Mos管關(guān)斷電流大，相同的平均電流情況下，電流有效值更大，變壓器初級需要更粗的銅線。

 

2、波形越陡峭，趨膚效應(yīng)會越來越嚴(yán)重，需要使用多股線或者更粗的銅線。

 

3、電解電容紋波電流大。

圖7 臨界模式Flyback的工作波形

 

本篇文章主要介紹了伏秒平衡和反激式的設(shè)計(jì)，希望大家能夠充分理解文章當(dāng)中的知識點(diǎn)。從事電源工程師行業(yè)，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的重要性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)，知識都是在問題的解決和實(shí)踐中學(xué)習(xí)到的，而不是對著書本死磕理論得來的。在下一篇教程當(dāng)中，將為大家梳理反激開關(guān)電源的設(shè)計(jì)流程。