磁放大器在DC-DC變換器中的應(yīng)用

摘要：提出了一種解決DC-DC變換器多輸出的輔輸出電壓不穩(wěn)定的解決方法－磁放大器后級調(diào)節(jié)技術(shù)，介紹了它的穩(wěn)壓原理，詳細(xì)分析了它的工組模式，磁心復(fù)位原理。 敘詞：磁放大器；多輸出；DC-DC變換器；磁復(fù)位 Abstract：A new solution to keep the reliability of slave output in the multi-output-voltage DC-DC converter were　proposed.. it is the magnetic-amplifier. Its voltage regulation principle　modes of operation and core resetting　were given. Keyword：magnetic-amplifier multi-output-voltage DC-DCconverter core resetting
　　目前，對于多輸出的推挽和正激變換器，主輸出（一般是最大電流輸出或5v電壓輸出）一般是采用電壓負(fù)反饋的方式來進(jìn)行穩(wěn)壓。而輔輸出工作在開環(huán)狀態(tài)，其導(dǎo)通時間受主輸出反饋環(huán)控制。當(dāng)線電壓變化時，主輸出和輔輸出都能自動調(diào)整，但輔輸出對主輸出負(fù)載變化或輔輸出本身負(fù)載變化都不能很好地調(diào)整。當(dāng)主輸出負(fù)載的變化引起輔輸出電壓改變的現(xiàn)象稱為交叉影響。當(dāng)輸出電壓變化最大時，輔輸出電壓變化可能高達(dá)80％【1】。這種電源只適用對輔輸出電壓精度要求不高的情況。當(dāng)需要精確穩(wěn)定的輔輸出時，一般采用一級穩(wěn)壓電路方法對輔輸出再次穩(wěn)壓，而一種更好的解決方案是磁放大器后級調(diào)節(jié)技術(shù)。本文研究了磁放大器在多輸出變換器中的應(yīng)用。

1，磁放大器的基本原理

　　磁放大器是利用可飽和磁心特性在這種磁心上繞制線圈而構(gòu)成的。圖（1）所示是一個典型的方形磁滯回線磁心的磁滯回線曲線圖。

　　在磁放大器工作過程中，磁心沿著路徑01234567890磁化，從1點(diǎn)到4點(diǎn)變化過程中磁心的磁化位于磁滯線斜率很大的位置，此時磁心的阻抗很大，此時磁放大器相當(dāng)于一個阻斷的開關(guān)。在4點(diǎn)位置磁心飽和阻抗為零，此時磁放大器相當(dāng)于單刀開關(guān)工作在閉合狀態(tài)。在一個開關(guān)周期內(nèi)，磁心經(jīng)了一個所謂的最小磁滯回線環(huán)路（01234567790）。控制開關(guān)的開通和關(guān)斷時間，磁放大器實質(zhì)等效為一個占空比可調(diào)的開關(guān)。

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2　磁放大器的穩(wěn)壓原理

2.1磁放大器穩(wěn)壓的理論分析

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　　圖(2)所示為一個帶輔輸出的正激變換器，輔輸出由磁放大器調(diào)節(jié)。圖中的磁放大器相當(dāng)于一個占空比可以調(diào)節(jié)的開關(guān)S。如果用S來代替磁放大器線圈，圖（3）為開關(guān)管的導(dǎo)通關(guān)斷時序圖。

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　　在Q導(dǎo)通期間，通過控制磁放大器磁的飽和時間來控制磁放大器的“導(dǎo)通”時間，圖中th為Q的導(dǎo)通時間，tb為磁放大器阻斷時間，tf為磁放大器的導(dǎo)通時間（飽和時間），T為一個工作周期。在Q關(guān)斷時，磁放大器退出飽和，當(dāng)于S關(guān)斷。則可得到主輸出和輔輸出如下[2]：

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　　如果對輸出電壓 進(jìn)行線性近似化，則可得到 的線性表達(dá)式為

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由于輸出電壓在T＋tb－ton時間是阻斷的，進(jìn)一步對輸出電壓線性近似化可得：
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所以只要合適的控制tb，就能得到精確的輸出電壓。

2.2磁放大器工作狀態(tài)分析：

圖（2）所示的電路有五種工作模式：

假設(shè)：
（1）開關(guān)管Q的導(dǎo)通和關(guān)斷是理想的；
（2）電路的二極管在導(dǎo)通的情況下，磁放大器的電流和電壓的極性如圖（2）所示。

Mode 1：Q導(dǎo)通，D2和D3導(dǎo)通：

　　此模式開始于Q開始導(dǎo)通，此時副邊電壓為 600)this.width=600" border="0" />

，磁放大器處于阻斷狀態(tài)，反向電流流過磁心并降到0。當(dāng)電流到達(dá)0時，磁心的磁通從初始的B1增到B2。（對應(yīng)于圖（4）的磁滯回線）磁放大器繞組負(fù)載端的電壓為

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k:磁放大器控制器的增益，
Vref:參考電壓
這個階段通過磁心的電壓為

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tc：mode 1的工作時間。
Mode2－Q導(dǎo)通，D2和D1導(dǎo)通：
　　流過磁放大器的復(fù)位電流變?yōu)檎臅r候，D3截至，由于D2仍導(dǎo)通，磁放大器繞組負(fù)載端的輸出端接近于地電壓，此時，D1中流過復(fù)位電流，通過磁放大器的電壓為

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Mode3－Q導(dǎo)通，D1導(dǎo)通：
　　當(dāng)Mode2結(jié)束時，磁心開始進(jìn)入飽和狀態(tài)，此時磁放大器的阻抗幾乎降為0，通過它的壓降也降為0，輸出電壓開始上升，直至 開始大于Vref。D3的陰極被箝位在600)this.width=600" border="0" />

，D3截至。

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Mode4－Q關(guān)斷，D4,D3,和D2導(dǎo)通：
　　為防止主變壓器磁心進(jìn)入飽和狀態(tài)，每個周期它的磁通必須通過復(fù)位繞組復(fù)位到0，此階段磁放大器在變壓器邊的電壓為 600)this.width=600" border="0" />

，此階段持續(xù)的最大時間為600)this.width=600" border="0" />

,當(dāng) 的充電電壓大于參考電壓Vref，D3導(dǎo)通，負(fù)載電流立刻開始下降，直至磁放大器退出飽和，通過磁放大器的電壓可以表示為

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Mode5－Q關(guān)斷，D3和D2導(dǎo)通：
　　當(dāng)主變壓器復(fù)位繞組不工作的時候，磁放大器在變壓器邊的電壓降為0，所以

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減小，磁放大器的磁通降到初始值。

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2.3設(shè)計公式：

　　從上面的分析可知：理想的輸出電壓和電流波形如圖（4）所示，在Mode1和2中，磁放大器的磁通從B1增大到Bs，在Mode4和5中復(fù)位到B1。如果將法拉第電磁感應(yīng)定律應(yīng)用到以上關(guān)系中，在磁放大器進(jìn)入飽和前可到
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：磁放大器繞組匝數(shù)。
：磁放大器橫截面積
在繞組復(fù)位過程中，有

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3　磁放大器的磁心復(fù)位與穩(wěn)壓

　　由上面的分析可知：在Q上一個周期的關(guān)斷瞬間到下一個周期的導(dǎo)通時刻，磁心必須復(fù)位到磁滯回線的起始磁通密度B1（復(fù)位電流越大，B1就越?。亩{(diào)節(jié)下一個周期磁放大器阻斷時間（死區(qū)時間），一般，磁放大器的磁復(fù)位技術(shù)可分成電壓復(fù)位和電流復(fù)位二種【4】。電壓復(fù)位技術(shù)里，磁心是通過一個反壓秒數(shù)來復(fù)位的，一般采用電流復(fù)位更簡單，它的實質(zhì)就是在Q關(guān)斷時刻，給磁放大器輸入一個反向電流，在Q導(dǎo)通時，由于D3承受反壓而截至，沒有電流流過磁放大器，只要反向電流設(shè)置合適，磁放大器就能夠復(fù)位到所需的起始磁通密度B1.

　　如果輸出電壓上升，則tf必須減小，即tb必須上升。因此如果輸出電壓上升，誤差放大器的輸出就會下降，復(fù)位電流增加，使得初始磁通密度B1更低，從而使tb增加保持輸出電壓為正常值。同樣，輸出電壓降低就會引起誤差放大器輸出電壓的增加，同時減小了復(fù)位電流。當(dāng)B1升高，tb減小，tf增加，輸出也上升到正常值。

4．結(jié)論

　　針對DC-DC變換器多輸出的輔輸出不穩(wěn)定的問題，本文提出的磁放大器后級調(diào)節(jié)技術(shù)可以很好的解決這個問題，而且這種技術(shù)很容易實現(xiàn)，目前也廣泛應(yīng)用在電源中，但是它也存在在高頻中死區(qū)難調(diào)節(jié)和損耗很大的問題【5】，目前也有很多文獻(xiàn)對這個問題提出了一些改進(jìn)措施。