一步步優(yōu)化反激式設(shè)計(jì)

反激是最知名的隔離式電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)樗梢杂靡粋€(gè)低邊開關(guān)晶體管和有限的外部元件數(shù)提供多個(gè)隔離輸出。不過，反激式電源也存在一些特殊性，如果設(shè)計(jì)人員沒有充分理解并對(duì)其進(jìn)行分析，就可能限制它的整體表現(xiàn)。

針對(duì)這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系列文章將以非常簡單的數(shù)學(xué)方法揭去所有反激式電源設(shè)計(jì)的神秘面紗，指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員完成一個(gè)良好優(yōu)化的設(shè)計(jì)。

反激式轉(zhuǎn)換器

根據(jù)應(yīng)用的不同，直流-直流應(yīng)用(DC/DC應(yīng)用)可能需要多個(gè)輸出，而且需要輸出隔離。此外，輸入與輸出的隔離可能需要符合安全標(biāo)準(zhǔn)或提供阻抗匹配。

隔離式電源不僅可以防止用戶接觸到潛在的致命電壓和電流，而且具有性能優(yōu)勢(shì)。利用中斷接地回路，隔離式電源可以保持儀器精度，并可以在不犧牲總線益處的條件下很容易通過負(fù)電源總線提供正穩(wěn)壓電壓。

對(duì)設(shè)計(jì)人員來說，反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)歷來是輸出功率100W以下的電源隔離式轉(zhuǎn)換器的首選。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只需要一個(gè)磁性元件和一個(gè)輸出整流管，因而具有簡單和低成本的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)它也可以輕松實(shí)現(xiàn)多路輸出。

而反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：它需要一個(gè)高容值的輸出電容，功率開關(guān)管和輸出二極管的電流應(yīng)力較高，氣隙區(qū)渦流損耗較高，變壓器鐵芯較大以及可能存在的EMI問題。

反激式轉(zhuǎn)換器源于降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其主要缺點(diǎn)是：只有在開關(guān)MOSFET導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，該轉(zhuǎn)換器才從源極收集能量。在后來的關(guān)斷期間，來自一次側(cè)繞組的這種能量從電感傳遞到輸出端。這是反激式和降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的獨(dú)特特點(diǎn)。（圖1）

一次側(cè)電流和二次側(cè)電流同時(shí)流過時(shí)，反激式變壓器并不像傳統(tǒng)變壓器那樣正常工作，實(shí)際上只有一小部分能量（磁化能量）被存儲(chǔ)在變壓器中。

反激式變壓器更像是同一鐵芯上的多個(gè)電感器，而非一個(gè)典型的變壓器。理想的情況是，變壓器并不存儲(chǔ)能量，所有的能量都在瞬間從一次側(cè)轉(zhuǎn)移到二次側(cè)。

（圖1：運(yùn)行在連續(xù)傳導(dǎo)模式下的典型反激式電源）

反激式變壓器可用作儲(chǔ)能裝置，能量存儲(chǔ)在鐵芯的氣隙或坡莫合金粉芯的分布式氣隙當(dāng)中。

電感變壓器的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少漏感、交流繞組損耗和磁芯損耗。

漏感是一次側(cè)電感的一部分，未與二次側(cè)電感相互耦合。保持盡可能低的漏感十分重要，因?yàn)樗鼤?huì)降低變壓器的效率，還會(huì)導(dǎo)致開關(guān)器件的漏極出現(xiàn)尖峰。漏感可被看作為存儲(chǔ)在變壓器中的部分能量，它不會(huì)轉(zhuǎn)移到二次側(cè)和負(fù)載。這種能量需要通過一個(gè)外部緩沖器在一次側(cè)耗散掉。

緩沖器的配置將在后面予以討論。

當(dāng)MOSFET開啟且電壓施加在一次側(cè)繞組時(shí)，一次側(cè)電流線性上升。輸入電流的變化是由輸入電壓、變壓器一次側(cè)電感和導(dǎo)通時(shí)間決定的。在這段時(shí)間內(nèi)，能量被存儲(chǔ)在變壓器鐵芯中，輸出二極管D1被反向偏置，能量不會(huì)轉(zhuǎn)移到輸出負(fù)載。

當(dāng)MOSFET關(guān)閉時(shí)，磁場(chǎng)開始下降，顛倒了一次側(cè)和二次側(cè)繞組之間的極性。D1被正向偏置，能量轉(zhuǎn)移到負(fù)載。

斷續(xù)傳導(dǎo)模式與連續(xù)傳導(dǎo)模式：

反激式轉(zhuǎn)換器像任何其他的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一樣有兩種不同的工作模式——斷續(xù)模式和連續(xù)模式。
當(dāng)輸出電流的增加超過一定值時(shí)，，斷續(xù)模式設(shè)計(jì)的電路將轉(zhuǎn)為連續(xù)模式。

在斷續(xù)模式下，導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)在一次側(cè)的所有能量都會(huì)于下一周期開始之前完全轉(zhuǎn)移到二次側(cè)和負(fù)載；而且，在二次電流達(dá)到零值和下一個(gè)周期開始間的瞬間還會(huì)有死區(qū)時(shí)間。
在連續(xù)模式下，當(dāng)下一個(gè)周期開始時(shí)，仍會(huì)有一些能量留在二次側(cè)。
反激式轉(zhuǎn)換器可以在兩種模式下運(yùn)行，但它具有不同的特征。

斷續(xù)模式一方面具有較高的峰值電流，因此在關(guān)斷時(shí)有較高的輸出電壓尖峰。另一方面，它具有更快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，一次側(cè)電感較低，因此變壓器尺寸可以較小。二極管的反向恢復(fù)時(shí)間并不重要，因?yàn)樵诜聪螂妷菏┘又罢螂娏鳛榱?。在斷續(xù)模式下，晶體管的開啟隨零集電極電流出現(xiàn)，降低了傳導(dǎo)EMI的噪聲。

連續(xù)模式具有較低的峰值電流，并因此降低了輸出電壓尖峰。不幸的是，由于它的右半平面（RHP）零點(diǎn)迫使轉(zhuǎn)換器的總帶寬降低，所以其控制回路比較復(fù)雜。

由于連續(xù)傳導(dǎo)模式對(duì)大多數(shù)應(yīng)用而言是更加的選擇，因此以上僅對(duì)該模式進(jìn)行了更多的細(xì)節(jié)分析。

確定反激式變壓器：繞組匝數(shù)比及其電感

設(shè)計(jì)人員不得不處理的第一個(gè)難題就是確定反激式變壓器。通常他們可以從反激式電源變壓器標(biāo)準(zhǔn)目錄中進(jìn)行選擇，而無需更昂貴的定制變壓器。許多供應(yīng)商都可以針對(duì)不同應(yīng)用和功率大小提供完整系列的變壓器，但重要的是要了解如何選擇最合適的變壓器。

除了二次側(cè)繞組的功率大小和匝數(shù)，變壓器還可根據(jù)一次側(cè)/二次側(cè)繞組匝數(shù)比，以及一次側(cè)或二次側(cè)電感來分類。

如果忽略開關(guān)MOSFET和輸出整流二極管兩端壓降的影響，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，導(dǎo)通時(shí)間（ ）的伏*秒應(yīng)該等于關(guān)斷期間（ ）伏*秒：
（1）
式中：
? 是輸入電壓
? 是輸出電壓
? 是反激式變壓器的一次側(cè)匝數(shù)/二次側(cè)匝數(shù)匝比
那么，最大占空比的數(shù)匝比和最小輸入輸出電壓之間的直接關(guān)系是：
（2）
其中D為占空比： /開關(guān)周期。

在許多情況下，選定的最大占空比為50％，但是在寬輸入電壓范圍的應(yīng)用中，重要的是要了解如何優(yōu)化以下關(guān)系：最大占空比、變壓器匝比、峰值電流和額定電壓。

反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)之一是可以在占空比大于50％的條件下工作。最大占空比的增加降低了變壓器一次側(cè)的峰值電流，從而達(dá)到一次側(cè)銅變壓器更高利用系數(shù)的效果，并降低輸入源的紋波。同時(shí)，最大占空比的增加可增加主開關(guān)MOSFET漏源極之間的最大應(yīng)力電壓，并增加二次側(cè)的峰值電流。

在開始轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)之前，重要的是要了解最大占空比、變壓器一次側(cè)/二次側(cè)匝數(shù)比（Np/Ns）、一次側(cè)MOSFET的最大電壓應(yīng)力、一次側(cè)和二次側(cè)最大電流之間的關(guān)系。

公式（2）給出了輸出電壓Vo和輸入電壓Vi（因?yàn)槠浜唵涡詻]有考慮Q1和二次側(cè)整流管Q2兩端的壓降）之間的主要關(guān)系。為了確保在整個(gè)輸入電壓范圍Vo的穩(wěn)壓，最大占空比 可以任意選定一個(gè)1的理論值。
然后可以計(jì)算Np/Ns：
(3)

由此選出的 表示主MOSFET的漏源極之間的最大電壓， 由公式（4）及公式（5）和（6）給出，分別表示了變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的平均電流。
式中：
? 是二次側(cè)整流二極管的正向壓降
? 是傳導(dǎo)期間開關(guān)MOSFET的壓降
? 是整體電源效率
? 是最大