典型返馳式拓撲設計——實現(xiàn)最佳化電源

　　返馳式（flyback）拓樸是最常見的隔離式電源拓樸結構，因為它可以用一個低邊開關電晶體和有限的外部元件數(shù)提供多個隔離輸出。不過，返馳式電源也存在一些特殊性，如果設計人員沒有充分理解并對其進行分析，就可能限制它的整體表現(xiàn)。

　　針對這種拓樸結構，本文將以非常簡單的數(shù)學方法揭開所有返馳式電源設計神秘面紗，指導設計人員完成一個最佳化的設計。

　　返馳式轉換器

　　根據(jù)應用的不同，直流-直流應用（DC/DC應用）可能需要多個輸出，而且需要輸出隔離。此外，輸入與輸出的隔離可能必須符合安全標準或提供阻抗匹配。

　　隔離式電源不僅能防止用戶接觸到潛在的致命電壓和電流，而且還有性能方面的優(yōu)勢。利用中斷接地迴路，隔離式電源可以保持儀器精密度，并能在不犧牲匯流排優(yōu)點的條件下順利地透過負電源匯流排提供正穩(wěn)壓電壓。

　　對設計人員來說，返馳式拓樸結構歷來是輸出功率100W以下的電源隔離式轉換器的首選。這種拓樸結構只需要一個磁性元件和一個輸出整流管，因而具有簡單和低成本的優(yōu)勢，同時它也可以輕鬆實現(xiàn)多工輸出。

　　但返馳式拓樸結構的缺點是需要一個高容值的輸出電容器，功率開關管和輸出二極體的電流應力較高，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。

　　返馳式轉換器源于降壓-升壓拓樸結構，其主要缺點是只在開關MOSFET導通時間內(nèi)才從源極收集能量。在后來的切斷期間，來自一次側繞組的這種能量從電感傳遞到輸出端。這是返馳式和降壓-升壓拓樸結構的特點。（圖1）

　　圖1：執(zhí)行在連續(xù)導通模式下的典型返馳式電源。

　　一次側電流和二次側電流同時流過時，返馳式變壓器并不像傳統(tǒng)變壓器那樣正常工作，實際上只有一小部份能量（磁化能量）被儲存在變壓器中。返馳式變壓器更像是同一鐵芯上的多個電感器，而非一個典型的變壓器。理想的情況是，變壓器并不儲存能量，所有的能量都在瞬間從一次側轉移到二次側。

　　返馳式變壓器可作為儲能裝置，能量儲存在鐵芯的氣隙或坡莫合金粉芯的分佈式氣隙當中。

　　電感變壓器的設計應盡量減少漏電感、交流繞組損耗和磁芯損耗。

　　漏電感（Leakage inductance）是一次側電感的一部份，未與二次側電感相互耦合。保持盡可能低的漏電感十分重要，因為它會降低變壓器的效率，還會導致開關元件的漏極出現(xiàn)尖峰。漏電感可被看作為儲存在變壓器中的部份能量，它不會轉移到二次側和負載。這種能量需要通過一個外部緩衝器在一次側耗散掉。緩衝器的配置將在后面予以討論。

　　當MOSFET開啟且電壓施加在一次側繞組時，一次側電流線性上升。輸入電流的變化是由輸入電壓、變壓器一次側電感和導通時間決定的。在這段時間內(nèi)，能量被儲存在變壓器鐵芯中，輸出二極體D1被反向偏置，能量不會轉移到輸出負載。當MOSFET關閉時，磁場開始下降，顛倒了一次側和二次側繞組之間的極性。D1被正向偏置，能量轉移到負載。

　　斷續(xù)傳導模式與連續(xù)傳導模式：

　　返馳式轉換器像任何其他的拓樸結構一樣有兩種不同的工作模式──斷續(xù)導通模式（DCM）和連續(xù)導通模式（CCM）。當輸出電流的增加超過一定值時，斷續(xù)模式設計電路將轉為連續(xù)模式。在斷續(xù)模式時，導通時間內(nèi)儲存在一次側的所有能量都會于下一週期開始之前完全轉移到二次側和負載；而且，在二次電流達到零值和下一個週期開始間的瞬間還會有死區(qū)時間。在連續(xù)模式下，當下一個週期開始時，仍會有一些能量留在二次側。返馳式轉換器可以在兩種模式下執(zhí)行，但它具有不同的特徵。

　　斷續(xù)導通模式 一方面具有較高的峰值電流，因此在切斷時有較高的輸出電壓尖峰。另一方面，它具有更快的負載瞬態(tài)響應，一次側電感較低，因此變壓器尺寸可以較小。二極體的反向恢復時間并不重要，因為在反向電壓施加之前正向電流為零。在斷續(xù)導通模式下，電晶體的開啟隨零集電極電流出現(xiàn)，降低了傳導EMI的噪音。

　　連續(xù)導通模式 具有較低的峰值電流，并因此降低了輸出電壓尖峰。但由于它的右半平面（RHP）零點迫使轉換器的總頻寬降低，所以其控制迴路比較復雜。由于連續(xù)導通模式對大多數(shù)應用而言是更加的選擇，因此以上僅對該模式進行了更多的細節(jié)分析。

　　確定返馳式變壓器：繞組匝數(shù)比及其電感

　　設計人員不得不處理的第一個難題就是確定返馳式變壓器。通常他們可以從返馳式電源變壓器標準目錄中進行選擇，而無需更昂貴的定製變壓器。許多供應商都可以針對不同應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。除了二次側繞組的功率大小和匝數(shù)，變壓器還可根據(jù)一次側/二次側繞組匝數(shù)比，以及一次側或二次側電感來分類。

　　如果忽略開關MOSFET和輸出整流二極體兩端壓降的影響，在穩(wěn)態(tài)執(zhí)行條件下，導通時間（）的電壓*秒應該等于切斷期間（）電壓*秒：

　　（1）

　　公式中：

　　是輸入電壓

　　是輸出電壓

　　是返馳式變壓器的一次側匝數(shù)/二次側匝數(shù)匝比

　　那么，最大佔空比的數(shù)匝比和最小輸入輸出電壓之間的直接關係是：

　?。?）

　　其中D為佔空比：/開關週期。

　　在許多情況下，選定的最大佔空比為50%，但是在寬輸入電壓範圍的應用中，重要的是要了解如何最佳化以下關係：最大佔空比、變壓器匝比、峰值電流和額定電壓。

　　返馳式拓樸結構的主要優(yōu)點之一是可以在佔空比大于50%的條件下工作。最大佔空比的增加降低了變壓器一次側的峰值電流，因而達到一次側銅變壓器更高利用係數(shù)的效果，并降低輸入源的紋波。同時，最大佔空比的提高可增加主開關MOSFET漏源極之間的最大應力電壓，并增加二次側的峰值電流。

　　在開始設計轉換器之前，重要的是要了解最大佔空比、變壓器一次側/二次側匝數(shù)比（Np/Ns）、一次側MOSFET的最大電壓應力、一次側和二次側最大電流之間的關係。

　　公式（2）顯示輸出電壓Vo和輸入電壓Vi（因為其簡單性沒有考慮Q1和二次側整流管Q2兩端的壓降）之間的主要關係。為了確保在整個輸入電壓範圍Vo的穩(wěn)壓，最大佔空比可以任意選定一個《1的理論值。

　　然后可以計算Np/Ns：

　?。?）

　　此處表示主MOSFET的漏源極之間的最大電壓，可由公式（4）及公式（5）和（6）得知，分別表示了變壓器一次側和二次側的平均電流。

　　公式中：

　　是二次側整流二極體的正向壓降

　　是傳導期間開關MOSFET的壓降

　　是整體電源效率

　　是最大輸出電流

　　透過最大化佔空比的利用係數(shù)U（D）函數(shù)可以得到最佳佔空比：

　　利用係數(shù)（Ui）是用輸出功率除以二次側開關MOSFET和整流二極體的總最大應力之和得出的。

　　圖2：典型返馳式轉換器的利用係數(shù)與佔空比的關係，最大化利用係數(shù)的佔空比為30-40%。

　　圖中的兩條曲線顯示只考慮開關MOSFET應力（藍色虛線）計算出來的利用係數(shù)，以及考慮二次側開關MOSFET和整流二極體（紅色虛線）的利用係數(shù)。

　　如果要最佳化額定輸入電壓的電源效率，一次側/二次側變壓器匝數(shù)比就得利用佔空比來計算，以使利用係數(shù)最大化，其典型值在30-40%之間。

　　上面的曲線考慮的是主動元件上的理論應力電壓。在實際進行時，更重要的是評估MOSFET最大應力電壓和變壓器數(shù)匝數(shù)比如何隨所選擇的最大佔空比而變化，并選擇一個可在開關MOSFET的一定最大擊穿電壓內(nèi)給出‘圓形’（round）匝數(shù)比值。

　　確定一次側電感

　　選擇一次側和二次側電感有幾個標準。

　　第一，選擇可確保從滿載到某些最小負載均在連續(xù)模式執(zhí)行的一次側電感。

　　第二，透過確定最大二次側紋波