隔離的Buck/Boost電路設(shè)計詳解

以后會不斷分享實戰(zhàn)經(jīng)驗。包括：開關(guān)電源、整流器、逆變器、單片機(jī)、晶體管、PWM電路、反饋電路、變壓器設(shè)計、儲能、BMS原理、傳感器、電路原理圖設(shè)計、PCB電路板的設(shè)計等，360°無死角、全方位為大家剖析：BUCK(降壓)、BOOST(升壓)、Flyback(反激)、QR-Flyback(準(zhǔn)諧振)、APFC(有源功率因數(shù)校正)、LLC(諧振半橋)、PSFB(移相全橋)、BMS(電池管理系統(tǒng))、單片機(jī)(包括C51、STM32系列)都是已經(jīng)大批量生產(chǎn)的資料、而且現(xiàn)在正熱賣的產(chǎn)品原理圖、PCB等，幫助廣大電子愛好者實現(xiàn)高薪就業(yè)。

一.我們先來認(rèn)識一下反激變換器

1.反激基本電路:

2.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(bǔ)充剛剛損失的能量。

3.反激電路的演變：

可以看作是隔離的Buck/Boost電路:

4.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。二.Flyback的工作模式:1.DCM(discontinuous current mode)&CCM(continuous current mode)根據(jù)次級電流是否有降到零，反激可以分為DCM和CCM兩種工作模式。兩種模式有其各自的特點。下面兩種工作模式時的波形(理想波形)。

反激變換器工作在CCM下的各個波形

反激變換器工作在DCM下的各個波形

3.工作模式：

1)電壓電流波形2)用電感變壓器模型來標(biāo)示工作工作過程;也可以原副邊分開討論，用電壓源來代替中間的轉(zhuǎn)換。

4.波形震蕩的來源：

1)開關(guān)管關(guān)斷時的震蕩來源于漏感;

2)斷續(xù)時的震蕩，主要原邊電感了，因沒有了反射電壓嵌位。我們可以把反射電壓當(dāng)作一個電壓源.

5.實際不理想時開關(guān)管所承受的電壓是什么樣的那?

a.(1)開關(guān)管電壓分為幾部分：

Vds=VDC+VRo(N*Vo)+Vlk

b.(2)VDC沒有什么好解釋的;VRo是因原邊開關(guān)管關(guān)斷副邊二極管導(dǎo)通，輸出電壓通過變壓器反映到原邊的電壓(N*Vo);除了變壓器制約住的電壓還有制約不住的漏感電壓Vlk，既然是漏感電壓，當(dāng)然和變壓器的漏感有關(guān)系了。這個電壓是我們討厭的!

c.(3)如果來限制漏感電壓那?RCD吸收鉗位電路，利用電容吸收，靠二極管鉗位，通過電阻把漏感能量消耗掉。設(shè)計的原則是讓RCD能夠消耗掉漏感能量，發(fā)揮該有的作用，但又不能過猛成為原邊一個吃激磁電感能量負(fù)載。

PSR反激開關(guān)電源同步整流問題解析

本文將詳細(xì)解析PSR反激開關(guān)電源同步整流是怎樣實現(xiàn)的，希望對大家有所幫助。

大家都知道同步整流相比功率二極管整流損耗小，效率高，相同功率下電源尺寸可以更小。同步整流的驅(qū)動方式有電壓型驅(qū)動和電流型驅(qū)動兩種。按照SR門級驅(qū)動電壓的來源，又分為自驅(qū)動和外驅(qū)動。

這里要介紹的是在充電器領(lǐng)域內(nèi)常見的電壓型其驅(qū)動的同步整流 ，知識點包含以下幾個小節(jié)，結(jié)合芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)力求全面講細(xì)講清楚以及設(shè)計過程中遇到的一些坑，不過還不知道何為PSR架構(gòu)的童鞋可以先自行了解一下，本章先不展開來講了。

知識點：

1.同步整流MOS什么時候開通?什么時候該關(guān)斷?

2.整流芯片是怎么辨別原邊導(dǎo)通的波形和RING的?它的邏輯是怎樣?靠電路是怎么實現(xiàn)的?

3.除了同步整流功能外，它還可以用來監(jiān)控次級側(cè)電壓，猶如SSR里面的TL341，可以使其動態(tài)響應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通的PSR架構(gòu)

一、反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計組件

反激式轉(zhuǎn)換器的制作方法 ，下面為反激式轉(zhuǎn)換器常用的組件：

反激式變壓器開關(guān)整流器濾波器驅(qū)動開關(guān)控制裝置反激式轉(zhuǎn)換器是一種組件相對較少的開關(guān)轉(zhuǎn)換器，相對容易制造和設(shè)計。

反激式轉(zhuǎn)換器是一種隔離開關(guān)轉(zhuǎn)換器，可以是降壓或者升壓配置。大多數(shù)手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦都會用到反激式轉(zhuǎn)換器。

1、反激式變壓器

變壓器可以將能量從初級傳輸?shù)酱渭?。另一方面，反激式變壓器會將能量儲存在初級磁場上，并在一定時間后將能量傳遞到次級磁場。

變壓器至少由2個電感組成，稱為次級線圈和初級線圈，纏繞在線圈架中，中間有一個鐵芯。磁芯決定磁通密度，磁通密度是將電能從一個繞組傳輸?shù)搅硪粋€繞組的重要參數(shù)。壓器定相，初級和次級繞組中顯示的點。

2、開關(guān)

開關(guān)的作用是導(dǎo)通和關(guān)閉初級電路，使變壓器充磁和消磁。該開關(guān)由來自所選控制器PMW信號控制。

3、整流器和濾波器

整流器將次級繞組上的電壓整流成脈動直流電。整流器或者二極管的另一個作用是從次級繞組切斷和連接負(fù)載。整流后的電壓隨后被電容濾除以增加直流電平，并可供預(yù)期應(yīng)用使用。

在上面電路圖中沒有緩沖電路，但其實大部分時候，反激式轉(zhuǎn)換器需要一個緩沖器來對抗開關(guān)或二極管上的電壓尖峰。

二、反激式轉(zhuǎn)換器原理

1、開關(guān)導(dǎo)通時反激式轉(zhuǎn)換器的工作原理

1)反激式轉(zhuǎn)換器原理圖-開關(guān)導(dǎo)通時

當(dāng)開關(guān)打開時，電流將從Uin流向初級地為初級繞組充電并且儲存能量。這個時候，二極管反向偏置，次級繞組沒有電流流動。負(fù)載需求由輸出電容(Cout)提供。

反激式轉(zhuǎn)換原理圖(開關(guān)導(dǎo)通)

2)反激式轉(zhuǎn)換器電流變化-開關(guān)導(dǎo)通時

反激式轉(zhuǎn)換器電流變化(開關(guān)導(dǎo)通)

3)反激式轉(zhuǎn)換器工作原理-開關(guān)導(dǎo)通時

反激式轉(zhuǎn)換器原理圖(開關(guān)導(dǎo)通)

當(dāng)開關(guān)打開時，初級將充電并且有電流流動。根據(jù)KVL，

Vin – VL – Vs = 0

假設(shè)理想狀態(tài)，開關(guān)壓降(Us)為0，

Vin – VL = 0

VL=輸入電壓

VL = Lp di / dt

di = ( VL / Lp ) X dt

VL = Vin，所以

di = (Vin / Lp) X dt

反激式轉(zhuǎn)換器(Flyback Converter)的設(shè)計類似于70年前的開關(guān)模式電源，可以執(zhí)行任何類型的轉(zhuǎn)換，例如AC-DC和DC-DC。反激式的設(shè)計為最早在1930年代至1940年代開發(fā)用于通信的電視提供了優(yōu)勢。

反激式轉(zhuǎn)換器使用的是非線性開關(guān)電源概念，與非反激式設(shè)計相比，反激式轉(zhuǎn)換器存儲磁能并充當(dāng)電感器。本文簡單介紹下反激式轉(zhuǎn)換器工作原理和電路類型。

基本概念

反激式轉(zhuǎn)換器也稱之為電源轉(zhuǎn)換器，它將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，并在輸入和輸出之間進(jìn)行電流隔離。它在電流流過電路時儲存能量，并在斷電時釋放能量。它使用了一個相互耦合的電感器，并用作降壓或升壓變壓器的隔離開關(guān)轉(zhuǎn)換器。

反激式轉(zhuǎn)換器可以控制和調(diào)節(jié)具有寬輸入電壓范圍的多個輸出電壓。與其他開關(guān)模式電源電路相比，設(shè)計反激式轉(zhuǎn)換器所需的組件很少。反激這個詞被稱為設(shè)計中使用的開關(guān)的“開/關(guān)”動作。

結(jié)構(gòu)設(shè)計

反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計非常簡單，包含反激式變壓器、開關(guān)、整流器、濾波器等電氣元件，以及驅(qū)動開關(guān)和實現(xiàn)調(diào)節(jié)的控制裝置。其電路設(shè)計如下圖所示：

開關(guān)用于接通和關(guān)斷初級電路，可以使變壓器磁化或退磁。來自控制器的PWM信號控制開關(guān)的操作。在大多數(shù)反激變壓器設(shè)計中，F(xiàn)ET、MOSFET或基本晶體管用作開關(guān)。

整流器對次級繞組的電壓進(jìn)行整流以獲得脈動直流輸出，并將負(fù)載與變壓器的次級繞組斷開。電容器過濾整流器輸出電壓并根據(jù)所需應(yīng)用增加直流輸出電平。

反激變壓器用作存儲磁能的電感器，它被設(shè)計為一個雙耦合電感器，用作初級和次級繞組，并且以接近50KHz的高頻率工作。

關(guān)系式推導(dǎo)

有必要考慮匝數(shù)比、占空比以及初級和次級繞組電流的反激轉(zhuǎn)換器關(guān)系式計算。因為匝數(shù)比可能會影響流經(jīng)初級和次級繞組的電流以及占空比。當(dāng)匝數(shù)比高時，占空比也變高，通過初級和次級繞組的電流減小。

由于電路中使用的變壓器是定制類型，因此目前不可能獲得具有匝數(shù)比的完美變壓器。所以，通過選擇具有所需額定值且更接近所需額定值的變壓器，可以補(bǔ)償電壓和輸出的差異。

此外，還應(yīng)該考慮其它參數(shù)，例核心材料、氣隙的影響和極化。下面討論通過考慮開關(guān)位置的反激式轉(zhuǎn)換器關(guān)系式計算。