【導(dǎo)讀】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。“反激”指的是在開關(guān)管接通的情況下,當(dāng)輸入為高電平時輸出線路中串聯(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)輸入為高電平時輸出線路中的串聯(lián)的電感為充電狀態(tài)。
01、反激電源
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。“反激”指的是在開關(guān)管接通的情況下,當(dāng)輸入為高電平時輸出線路中串聯(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)輸入為高電平時輸出線路中的串聯(lián)的電感為充電狀態(tài)。
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,變壓器原邊電感電流開始上升,此時由于次級同名端的關(guān)系,輸出二極管截止,變壓器儲存能量,負(fù)載由輸出電容提供能量。
b. 當(dāng)開關(guān)管截止時,變壓器原邊電感感應(yīng)電壓反向,此時輸出二極管導(dǎo)通,變壓器中的能量經(jīng)由輸出二極管向負(fù)載供電,同時對電容充電,補充剛剛損失的能量。
反激電路的演變:
可以看作是隔離的 Buck/Boost 電路:
在反激電路中,輸出變壓器 T 除了實現(xiàn)電隔離和電壓匹配之外,還有儲存能量的作用,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,有時我也叫他異步電感。
02、正激電源
正激式變壓器開關(guān)電源輸出電壓的瞬態(tài)控制特性和輸出電壓負(fù)載特性,相對來說比較好,因此,工作比較穩(wěn)定,輸出電壓不容易產(chǎn)生抖動,在一些對輸出電壓參數(shù)要求比較高的場合,經(jīng)常使用。
所謂正激式變壓器開關(guān)電源,是指當(dāng)變壓器的初級線圈正在被直流電壓激勵時,變壓器的次級線圈正好有功率輸出。
單端正激式:
雙管正激式:
由上三張圖可知,反激的變壓器可以看作一個帶變壓功能的電感,是一個 buck-boost 電路。正激的變壓器是只有變壓功能,整體可以看成一個帶變壓器的 buck 電路。二次側(cè)接第一個整流二極管的負(fù)端接電解電容的是反擊,接電感的是正激。
總地來說,正激反激工作原理不同,正激是初級工作次級也工作,次級不工作有續(xù)流電感續(xù)流,一般是 CCM 模式。功率因數(shù)一般不高,而且輸入輸出和變比占空比成比例。反激是初級工作,次級不工作,兩邊獨立開來,一般 DCM 模式下,理論上是單位功率因數(shù),但是變壓器的電感會比較小,而且需要加氣隙,所以一般適合中小功率情況 . 一般的電源書都會有具體的介紹和設(shè)計公式。
正激變壓器是理想的,不儲能,但是由于勵磁電感(Lp)是有限值,勵磁電流使得磁芯 B 會大,為避免磁通飽和,變壓需要輔助繞組進行磁通復(fù)位;反激變壓器工作形式可以看做耦合電感;電感先儲能,再放能。由于反激變壓器的輸入、輸出電壓極性相反,固當(dāng)開關(guān)管斷開之后,次級可以提供磁芯一個復(fù)位電壓,因而反激變壓器不需額外增加磁通復(fù)位繞組。
03、主要區(qū)別
正激反激主要區(qū)別在高頻變壓器的工作方式不同但他們在同一象限上。正激是當(dāng)變壓器原邊開關(guān)管導(dǎo)通時同時能量被傳遞到負(fù)載上,當(dāng)開關(guān)管截止是變壓器的能量要通過磁復(fù)位電路去磁。反激是和正激相反,當(dāng)原邊開關(guān)管導(dǎo)通時給變壓器存儲能量。但能量不會加在負(fù)載上,當(dāng)開關(guān)管截止時,變壓器的能量釋放到負(fù)載側(cè)。正激開關(guān)電源,后面多的那個二級管是續(xù)流二級管,一般輸出部分還會多加一個儲能電感,正激和反激最重要的區(qū)別是變壓器初次級的相位是反相的。
正激式開關(guān)電源是電源開關(guān)管導(dǎo)通的時候,電源向負(fù)責(zé)提供功率輸出,而關(guān)斷的時候沒有功率輸出。反激式開關(guān)電源正好相反,電源開關(guān)管導(dǎo)通時只向變壓器存儲能量,沒有給負(fù)載提供功率輸出,僅在電源開關(guān)管關(guān)斷時才向負(fù)載提供輸出。
正激式開關(guān)電源輸出電壓是取整流輸出電壓的平均值,反激式開關(guān)電源輸出電壓是取整流輸出電壓的半波平均值,兩種電壓輸出的相位正好相反。
偏磁是指加在變壓器兩端的正反向脈沖電壓的伏秒乘積(伏秒積)不等,從而造成變壓器磁芯的磁滯工作回線偏離坐標(biāo)原點的現(xiàn)象。正激反激主要區(qū)別在,高頻變壓器的工作方式不同,但他們在同一象限上。正激是當(dāng)變壓器原邊開關(guān)管導(dǎo)通時同時能量被傳遞到負(fù)載上,當(dāng)開關(guān)管截止是變壓器的能量要通過磁復(fù)位電路去磁。反激是和正激相反,當(dāng)原邊開關(guān)管導(dǎo)通時給變壓器存儲能量,但能量不會加在負(fù)載上。當(dāng)開關(guān)管截止時,變壓器的能量釋放到負(fù)載側(cè),正激開關(guān)電源,后面多的那個二級管是續(xù)流二級管,一般輸出部分還會多加一個儲能電感,正激和反激最重要的區(qū)別是變壓器初次級的相位是反相的。正激與反激的工作最大區(qū)別是,當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時,正激的輸出主要靠儲能電感和續(xù)流二級管來維持輸出,而反激的輸出主要靠變壓器次級釋放能量來維持輸出。
04、最大區(qū)別
正激與反激的工作最大區(qū)別是,當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時,正激的輸出主要靠儲能電感和續(xù)流二級管來維持輸出,而反激的輸出主要靠變壓器次級釋放能量來維持輸出。正激電路不宜做多路輸出,正激電路要用脈寬調(diào)整做穩(wěn)壓必須在次極整流以后串電感,不然輸出電壓主要由輸入決定,與脈寬影響不大,脈寬只影響輸出紋波。如用正激電路做多路輸出原理上存在的問題:如每路輸出不用電感,那么對輸入變化沒有穩(wěn)壓作用,且沒有開關(guān)電源應(yīng)有的安全性。如果每路加電感:那么輸出電壓在理論上與負(fù)載大小有關(guān),不參與反饋的回路就不正。
反激電路在原理上就適合多路輸出穩(wěn)壓。反激電路首先儲能,后把能量按各路的電壓比率供應(yīng)給每一路,先可以認(rèn)為每路的輸出比例是不變的(實際有誤差看下面),按電流誰需要多給誰多的原則分配。
05、關(guān)于反饋
被反饋的這一路總是很準(zhǔn)的因為就是按找他來反饋的,但反饋的一路一定要有一點負(fù)載。不然會加大輸出各路間的不平衡??梢杂枚嗦芳訖?quán)來進行反饋,就可以使誤差的矢量和為零,通俗點讓誤差在各路間均衡,哪路的權(quán)重大,哪路的精度就高。變壓器遵守各個瞬態(tài)電壓比等于線圈比,這是理解中用得最多的一個條件。
06、關(guān)于開關(guān)電源
正激式是開關(guān)管導(dǎo)通時變壓器次級電路工作,反激式是開關(guān)管截止時變壓器次級電路工作(開關(guān)截止,主級能量傳遞給次級,次級工作開關(guān)閉合,主級電感線圈存儲能量)。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間相反而正激式初次極工作時間相同)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,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)電源多用一個大儲能濾波電感,以及一個續(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幅度比較高,誤差信號放大器的增益和動態(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線圈產(chǎn)生的反電動勢把開關(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反電動勢吸收繞組,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)電源還有一個更大的缺點是在控制開關(guān)關(guān)斷時,變壓器初級線圈產(chǎn)生的反電動勢電壓要比反激式變壓器開關(guān)電源產(chǎn)生的反電動勢電壓高。因為一般正激式變壓器開關(guān)電源工作時,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。
07、應(yīng)用區(qū)別
正激式變壓器不蓄積能量,只擔(dān)負(fù)偶合傳輸,反激式變壓器需把開通過程中的能量蓄積在本身,關(guān)斷過程中再釋放:正激式繞組同相位,反激式繞組反相;正激式變壓器不用調(diào)節(jié)電感值,反激式需調(diào)節(jié)。正激式工作存在剩磁為防飽和需消磁電路,本身不蓄能需要蓄能線圈和續(xù)流二極管,反激式不用。
反激主要用在 150-200 瓦以下的情況,正激則用在 150w 到幾百瓦之間。之所以反激更廣范就是因為我們?nèi)粘V?100w 以下的電源比較常見,應(yīng)用比較常見,所以也就比較廣泛啦。原理就是一個通過儲能再通過變比進行變壓的,一個是直接通過變比進行變壓的。正激初級繞組同名端都是正極所以叫正激,反激一個在正,一個在負(fù)所以叫反激。
反激式可做小功率,成本低,調(diào)試相對簡單些,所以在小功率電源中常用。它們的區(qū)別: 主變壓器方面, 正激的需增加消磁繞組,當(dāng)然也有的用增加兩個二極管在主繞組進行消磁,無論如何正激電源必須增加消磁回路。反激不用增加輸出儲能電感,因為能量能儲存在次級線圈中 ,正激須增加輸出儲能電感,且整流部分需增加續(xù)流二極管。
08、注意事項
1、正激電路不宜做多路輸出。
2、正激電路要用脈寬調(diào)整做穩(wěn)壓必須在次極整流以后串電感,不然輸出電壓主要由輸入決定,與脈寬影響不大,脈寬只影響輸出紋波。
3、如用正激電路做多路輸出原理上存在的問題:
4、如每路輸出不用電感,那么對輸入變化沒有穩(wěn)壓作用,且沒有開關(guān)電源應(yīng)有的安全性。
5、如果每路加電感:那么輸出電壓在理論上與負(fù)載大小有關(guān),不參與反饋的回路就不正。
6、反激電路在原理上就適合多路輸出穩(wěn)壓和安全性。
7、反激電路首先儲能,后把能量按各路的電壓比率供應(yīng)給每一路,先可以認(rèn)為每路的輸出比例是不變的(實際有誤差看下面),按電流誰需要多給誰多的原則分配。
8、關(guān)于反饋:被反饋的這一路總是很準(zhǔn)的因為就是按找他來反饋的,但反饋的一路一定要有一點負(fù)載。不然會加大輸出各路間的不平衡。
9、可以用多路加權(quán)來進行反饋,就可以使誤差的矢量和為零,通俗點讓誤差在各路間均衡,哪路的權(quán)重大,哪路的精度就高。最后再次說明:變壓器遵守各個瞬態(tài)電壓比等于線圈比,這是理解中用得最多的一個條件。正激式變壓器不蓄積能量,只擔(dān)負(fù)偶合傳輸,反激式變壓器需把開通過程中的能量蓄積在本身,關(guān)斷過程中再釋放:正激式繞組同相位,反激式繞組反相;正激式變壓器不用調(diào)節(jié)電感值,反激式需調(diào)節(jié)。正激式工作存在剩磁為防飽和需消磁電路,本身不蓄能需要蓄能線圈和續(xù)流二極管。反激式不用 .. 因為成本和它們的特性,一般反激式電源在 100 瓦以下,正激式 100 瓦以上,并不是它們不能互換做功率。
09、為何“正激”比“反激”可以做更大的功率?
我們做過正激也做過反激的電源工程師都知道,一般在 100W 以內(nèi)我們習(xí)慣用反激拓?fù)鋪碜?,超過 100W 的用正激比較合適。
為何?
我來說說我的觀點,首先只要懂得設(shè)計變壓器的工程師在計算反激開關(guān)電源時,反激功率做得越大,原邊電感量肯定是越小的,這跟拓?fù)涞奶匦杂嘘P(guān),我們先來分析一下反激的工作過程。
上圖為反激的基本拓?fù)?,?dāng) MOS 開關(guān)管開通時,變壓器原邊繞組上正,下方,此時變壓器副邊繞組上負(fù)下正,整流二極管 VD 截止,在 MOS 開通的時段,變壓器的勵磁能量由于沒有通路釋放從而全部存儲在變壓器中。當(dāng) MOS 開關(guān)管關(guān)閉之后,變壓器原邊繞組電位變成下正上負(fù),根據(jù)同名端,此時副邊繞組的電位為上正下負(fù),整流二極管 VD 導(dǎo)通,變壓器釋放能量,磁芯復(fù)位。
就是這樣周而復(fù)始,使輸出穩(wěn)壓。
由于這種不斷存儲又釋放存儲又釋放的工作模式?jīng)Q定變壓器的是很容易飽和的,為了控制變壓器不飽和,通常的做法就是加氣隙。
為了方便,我們用反激 DCM 的公式,簡單說明一下
Lp:原邊感量,Ip:原邊電流,Vin 最低輸入電壓,D:占空比,P 輸入功率,f 開關(guān)頻率
我們通過幾個簡單的公式就可以看出,反激電源的原邊電感量是受到了限制的。
我們再通過上面的公式,可知感量和 Lp 和峰值電流定了之后,要使磁芯不飽和,我們只能通過增大 Np 匝數(shù)來降低磁通密度,Np 增大了,Lp 是定了磁芯必然要加氣隙。有計算經(jīng)驗的人都知道,反激變壓器尤其是功率打了變壓器感量都是比較小的。
下面我們來看看正激:
上圖為正激電源的基本拓?fù)?,開關(guān) MOS 管開通時,原邊繞組 NP1 為上正下負(fù),根據(jù)同名端判定此時副邊繞組 NS 也為上正下負(fù),輸出整流二極管 VD1 是導(dǎo)通的,原邊導(dǎo)通的同時副邊也導(dǎo)通,能量每個周期都能夠得到即時釋放。變壓器不存在存儲階段,雖然原邊也有比較大的電流,但這電流大部分都是由副邊折射過來的,初級和次級是同時有電流的,而且產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度相等,方向相反,當(dāng)負(fù)載變重,初級電流也相應(yīng)加大,抵消了磁芯磁場的變化,所以正激不用考慮正激的電感量的大小,繞多大就是多大。
當(dāng)然別忘記還有一部分勵磁電流,但由于電感量很大勵磁電流是很小的,開關(guān) MOS 開通時,(不考慮功率部分,只考慮勵磁電流)變壓器原邊電感上陣下負(fù),勵磁電流線性上升,等到開關(guān) MOS 關(guān)閉時,NP1 繞組下正上負(fù),此時通過同名端可知,NP2 上正下負(fù) D1 導(dǎo)通,原邊電感存儲的勵磁能量通過 NP2 和 D1 釋放出去,返回到輸入大電容上,磁芯復(fù)位。當(dāng)然變壓器也存在漏感,這部分漏感就生了正激的尖峰電壓。
通過上面的對比,我們可知,同樣一個功率變壓器,可得到如下結(jié)論。
1、反激變壓器的電感量很小,而正激變壓器的電感量很大。
2、反激變壓器通過副邊輸出繞組復(fù)位,正激變壓器有專門的復(fù)位繞組復(fù)位。
3、反激變壓器需要復(fù)位的勵磁能量但同時也是整個功率部分的能量,正激變壓器復(fù)位的也是勵磁部分的能量,但這個勵磁能量不包含功率部分的能量(暫且有能量這個詞,能明白就好)。
我們通過上面幾個結(jié)論急需來分析一下:
首先說反激,電感量跟正激比很小的。我們都只到變壓存在的漏感與很多因素有關(guān),由于感量小,變壓器只要有一點漏感,這個漏感在整個原邊電感的占比是比較大的,而電感的能量 1/2*Lp*Ip^2 在電感和漏感中的比例是按照感量大小的比例來分配的,一旦漏感比例大了,漏感中存儲的能量是不能轉(zhuǎn)化到副邊,大部分是通過其他通路來消耗(轉(zhuǎn)換成損耗)的,可想而知,功率越大,感量越小,漏感比例越容易變大,造成的損耗也將越來越大,不但損耗超大而且這個漏感造成的尖峰將隨功率的增大而越來越大,非常難處理,或者說到了一定的功率量,根本無法處理。
我們再看正激,電感量跟反激比是很大的。由于感量大,變壓器就算有一定的漏感,但這個漏感在整個變壓器中所占的比例也是比較小的。漏感占比很小,浪費的能量肯定比較小,所產(chǎn)生的尖峰也很好處理。
通過上面的簡單描述,我相信大家也明白為何反激電源的功率就是做不大?并且還可以印證我們平時測量反激時 DS 尖峰是比較高的,而正激 DS 尖峰是非常小的。
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