【導(dǎo)讀】反激式電源變換器是目前最常見(jiàn)的變換器拓?fù)渲弧?其優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)和極具競(jìng)爭(zhēng)力的尺寸/成本/效率比，尤其是在中等功率范圍（2W 至 100W）應(yīng)用中。
與任意變換器拓?fù)湟粯?，反激式變換器由電源路徑和控制路徑組成。電源路徑負(fù)責(zé)將電源從一種類(lèi)型變換為另一種類(lèi)型；與其他開(kāi)關(guān)電源變換器相同，其組成元件包括：兩個(gè)開(kāi)關(guān)（一個(gè) MOSFET 和一個(gè)二極管）、一個(gè)電容器和一個(gè)電感器。與其他變換器拓?fù)洳煌氖?，反激式變換器的電感實(shí)際上是一對(duì)耦合電感。除了為變換過(guò)程存儲(chǔ)電力之外，這些電感還實(shí)現(xiàn)變換器原邊與副邊之間的隔離（見(jiàn)圖 1）。
圖1: 反激式變換器的電路原理圖
本文將以變換器控制路徑為重點(diǎn)進(jìn)行介紹，但也會(huì)包含電源路徑操作的簡(jiǎn)要描述。反激式變換器有兩個(gè)操作階段， tON和tOFF，它們以 MOSFET 的開(kāi)關(guān)狀態(tài)命名并通過(guò)MOSFET控制。
在tON期間，MOSFET 導(dǎo)通，電流從輸入流過(guò)原邊電感，對(duì)耦合電感線性充電并在其周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)（見(jiàn)圖 2.b）。在副邊電感中，整流二極管反向偏置，這意味著變壓器與輸出斷開(kāi)（見(jiàn)圖 2.a）。
圖 2：a) MOSFET 和二極管中的電壓 b) 原邊和副邊線圈中的電流
存儲(chǔ)在輸出電容器中的電荷負(fù)責(zé)保持負(fù)載上穩(wěn)定的電壓（見(jiàn)圖 3）。
圖3: 反激式變換器的電流示意圖
在tOFF期間, MOSFET斷開(kāi)，耦合電感開(kāi)始通過(guò)二極管去磁，二極管也同時(shí)直接極化。然后，來(lái)自電感器的電流為輸出電容器充電并為負(fù)載供電。
盡管電源路徑掌管了整個(gè)變換過(guò)程，但變換器設(shè)計(jì)中還有一個(gè)要素也需要考慮，即控制回路。由于系統(tǒng)中存在電源波動(dòng)或負(fù)載變化等擾動(dòng)，因此控制路徑對(duì)確保系統(tǒng)不受擾動(dòng)影響而穩(wěn)定的運(yùn)行十分必要。
與大多數(shù)開(kāi)關(guān)變換器一樣，反激式變換器的輸出電壓通過(guò) MOSFET 占空比來(lái)控制。通過(guò)觀察等式 (1) 中的反激控制器傳遞函數(shù)，我們可以輕松理解這一點(diǎn)：
等式 (1) 表明，隨著 D（占空比）值的增加，變換器增益也會(huì)增加，從而增大輸出電壓。因此，控制器會(huì)修改它發(fā)送到 MOSFET 柵極的信號(hào)，以補(bǔ)償它在變換器輸出中檢測(cè)到的任何變化。
變換器必須首先檢測(cè)輸出電壓的這些變化，正確處理該電壓，然后相應(yīng)地調(diào)節(jié)晶體管的柵極電壓。為了實(shí)現(xiàn)更精確的控制，許多控制路徑都包含一個(gè)電流控制環(huán)路，它通過(guò)檢測(cè)流經(jīng)原邊電感器的電流來(lái)幫助改善調(diào)節(jié)和功率因數(shù)。這就是最常用的反激式變換器控制技術(shù)：峰值電流控制模式（見(jiàn)圖 4）。
圖4: 峰值電流控制模式原理圖
原邊和副邊調(diào)節(jié)
反激式變換器中最主要的問(wèn)題是保持隔離。如前文所述，反激式變換器的主要優(yōu)點(diǎn)之一是在輸入和輸出之間提供了磁隔離。隔離將電路分為兩半，稱(chēng)為原邊和副邊。隔離對(duì)保護(hù)連接到輸出的任意設(shè)備至關(guān)重要，它避免了設(shè)備因電流泄漏而損壞，甚至傷害到最終用戶(hù)。
也因此，隔離必須保持，這意味著原邊電路和副邊電路之間不能有傳導(dǎo)路徑。但是，這也不是絕對(duì)的。電壓源變壓器通常允許最大10mA的漏電流，并需要至少3kV 的隔離。但原邊與副邊之間的漏電流仍然需要盡可能地最小化。
這其中還包含了控制器，因此，設(shè)計(jì)人員必須找到一種方法，無(wú)需繞過(guò)隔離屏障即可檢測(cè)變換器輸出電壓。這可以通過(guò)兩種調(diào)節(jié)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：原邊調(diào)節(jié)和副邊調(diào)節(jié)。
原邊調(diào)節(jié)
在實(shí)際應(yīng)用中，控制器 IC 需要來(lái)自變壓器的輔助輸出來(lái)為 IC 電路供電（見(jiàn)圖 5）。由于變壓器的特性，這個(gè)輔助變壓器輸出與變換器的輸出電壓直接相關(guān)。因此，通過(guò)了解變壓器的匝數(shù)比，可以通過(guò)該輸出電壓來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 這稱(chēng)為原邊調(diào)節(jié) (PSR)，這種方法通過(guò)很少的組件對(duì)輸出進(jìn)行了粗略的調(diào)節(jié)。大多數(shù) PSR 控制 IC 還包括補(bǔ)償電路，這樣更是極大地縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。
圖5: 原邊調(diào)節(jié)電路原理圖
原邊調(diào)節(jié)的另一個(gè)好處是它最大限度地減少了穿過(guò)隔離屏障的路徑數(shù)量。這在高壓應(yīng)用中尤其有益，因?yàn)樗档土私M件的隔離電壓要求，從而降低了總成本。
但是，原邊調(diào)節(jié)也有一些缺點(diǎn)。例如，輔助繞組上的反射輸出電壓采樣僅在每個(gè) PWM 周期發(fā)生一次。PSR 調(diào)節(jié)系統(tǒng)通常采用拐點(diǎn)采樣，這是一種在電感電流處于最低值時(shí)對(duì)電壓進(jìn)行采樣的方法。這種方法顯著減少了電路中的振鈴，但也意味著在開(kāi)關(guān)周期之間不會(huì)監(jiān)測(cè)電壓值。因此，其瞬態(tài)調(diào)節(jié)要比在副邊系統(tǒng)中調(diào)節(jié)慢，在副邊系統(tǒng)中，輸出電壓始終受到監(jiān)測(cè)。
此外，原邊調(diào)節(jié)在多個(gè)輸出時(shí)調(diào)節(jié)性能較差，特別是當(dāng)連接到每個(gè)繞組的負(fù)載變化很大時(shí)。這是因?yàn)橄到y(tǒng)通常會(huì)選擇最重負(fù)載來(lái)實(shí)現(xiàn)反饋，所以最重負(fù)載單獨(dú)決定了控制回路的響應(yīng)。
副邊調(diào)節(jié)
如果需要更精確的調(diào)節(jié)，則采用副邊調(diào)節(jié)（SSR，見(jiàn)圖 6）。這種方法直接檢測(cè)輸出電壓，并通過(guò)光耦合器將信號(hào)發(fā)送到變換器，從而在不破壞原副邊之間隔離屏障的情況下傳輸信號(hào)。即使副邊有一個(gè)或多個(gè)輸出，副邊調(diào)節(jié)也是更精確的方法。這主要是因?yàn)楦鱾€(gè)副邊繞組之間的交叉調(diào)節(jié)比原邊與副邊繞組之間的交叉調(diào)節(jié)好得多。副邊調(diào)節(jié)還允許采用不同的技術(shù)來(lái)優(yōu)化調(diào)節(jié)性能，例如在變壓器中使用升級(jí)繞組或加權(quán)反饋技術(shù)。
圖6：副邊調(diào)節(jié)電路原理圖
不過(guò)，副邊調(diào)節(jié)也有其自身的一系列缺點(diǎn)。例如，SSR 控制回路需要更多組件，特別是當(dāng)電壓在發(fā)送到位于變換器原邊的控制器之前需要在副邊進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，更是如此。 這增加了變換器的尺寸和成本，同時(shí)由于光耦合器隨時(shí)間性能下降而降低了可靠性。
總結(jié)
在變換器設(shè)計(jì)中有兩種不同的方法實(shí)現(xiàn)控制環(huán)路：原邊調(diào)節(jié)與副邊調(diào)節(jié)（PSR 和 SSR）。如上文所述，每種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)總結(jié)如下（見(jiàn)表 1）。
MPS 提供了種類(lèi)繁多的反激式變換器，可提供原邊調(diào)節(jié)和副邊調(diào)節(jié)。部分SSR 控制器（例如MPX2001）甚至包括集成隔離，占板空間更少，設(shè)計(jì)過(guò)程也更加簡(jiǎn)單。要了解更多信息，請(qǐng)瀏覽 MPS 網(wǎng)站上提供的參考設(shè)計(jì)、工具、網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)和其他文章，這些文章將為您提供有關(guān)反激控制電路的更深入的實(shí)用信息。
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