反激式(RCD)開(kāi)關(guān)電源原理及設(shè)計(jì)

因該電源是公司產(chǎn)品的一個(gè)配套使用，且各項(xiàng)指標(biāo)都不是要求太高，故選用最常用的反激拓?fù)?，這樣既可以減小體積(給的體積不算大)，還能降低成本，一舉雙的!

反激拓?fù)涞那吧硎荁uck-Boost變換器，只不過(guò)就是在Buck-Boost變換器的開(kāi)關(guān)管和續(xù)流二極管之間放入一個(gè)變壓器，從而實(shí)現(xiàn)輸入與輸出電氣隔離的一種方式，因此，反激變換器也就是帶隔離的Buck-Boost變換器。

先學(xué)習(xí)下Buck-Boost變換器

 

 

工作原理簡(jiǎn)單介紹下

1.在管子打開(kāi)的時(shí)候，二極管D1反向偏置關(guān)斷，電流Is流過(guò)電感L，電感電流IL線性上升，儲(chǔ)存能量!

2.當(dāng)管子關(guān)斷時(shí)，電感電流不能突變，電感兩端電壓反向?yàn)樯县?fù)下正，二極管D1正向偏置開(kāi)通!給電容C充電及負(fù)載提供能量!

3.接著開(kāi)始下個(gè)周期!

從上面工作可以看出，Buck-Boost變換器是先儲(chǔ)能再釋放能量，VS不直接向輸出提供能量，而是管子打開(kāi)時(shí)，把能量?jī)?chǔ)存在電感，管子關(guān)斷時(shí)，電感向輸出提供能量!

根據(jù)電流的流向，可以看出上邊輸出電壓為負(fù)輸出!

根據(jù)伏秒法則

Vin*Ton=Vout*Toff

Ton=T*D

Toff=T*(1-D)

代入上式得

Vin*D=Vout*(1-D)

得到輸出電壓和占空比的關(guān)系Vout=Vin*D/(1-D)

看下主要工作波形

 

 

從波形圖上可以看出，晶體管和二極管D1承受的電壓應(yīng)力都為Vs+Vo(也就是Vin+Vout);

再看最后一個(gè)圖，電感電流始終沒(méi)有降到0，所以這種工作模式為電流連續(xù)模式(Ccm模式)。

如果再此狀態(tài)下把電感的電感量減小，減到一定條件下，會(huì)出現(xiàn)這個(gè)波形!

 

 

從上圖可以看出，電感電流始終降到0后再到最大，所以這種模式叫不連續(xù)模式(DCM模式)。

把上邊的Buck-Boost變換器的開(kāi)關(guān)管和續(xù)流管之間加上一個(gè)變壓器就會(huì)變成反激變換器!

 

 

還是和上邊一樣，先把原理大概講下：

1. 開(kāi)關(guān)開(kāi)通，變壓器初級(jí)電感電流在輸入電壓的作用下線性上升，儲(chǔ)存能量。變壓器初級(jí)感應(yīng)電壓到次級(jí)，次級(jí)二極管D反向偏置關(guān)斷。

2. 開(kāi)關(guān)關(guān)斷，初級(jí)電流被關(guān)斷，由于電感電流不能突變，電感電壓反向(為上負(fù)下正)，變壓器初級(jí)感應(yīng)到次級(jí)，次級(jí)二極管正向偏置導(dǎo)通，給C充電和向負(fù)載提供能量!

3. 開(kāi)始下個(gè)周期。以上假設(shè)C的容量足夠大，在二極管關(guān)斷期間(開(kāi)關(guān)開(kāi)通期間)給負(fù)載提供能量!

咱先看下在理想情況下的VDS波形

 

 

上面說(shuō)的是指變壓器和開(kāi)關(guān)都是理想工作狀態(tài)!

從圖上可以看出Vds是由VIN和VF組成，VIN大家可以理解是輸入電壓，那VF呢?

這里我們引出一個(gè)反激的重要參數(shù)：反射電壓即VF，指次級(jí)輸出電壓按照初次級(jí)的砸比反射到初級(jí)的電壓?？梢杂霉奖硎緸閂F=VOUT/(NS/NP),(因分析的是理想情況，這里我們忽略了整流管的管壓降，實(shí)際是要考慮進(jìn)去的)

式中VF為反射電壓;

VOUT為輸出電壓;

NS為次級(jí)匝數(shù);

NP為初級(jí)匝數(shù)。

比如，一個(gè)反激變換器的匝比為NP:NS=6：1，輸出電壓為12V，那么可以求出反射電壓VF=12/(1/6)=72V。

上邊是一個(gè)連續(xù)模式(CCM模式)的理想工作波形。

下面咱在看一個(gè)非連續(xù)模式(DCM模式)的理想工作波形

 

 

從圖上可以看出DCM的Vds也是由VIN和VF組成，只不過(guò)有一段時(shí)間VF為0，這段時(shí)候是初級(jí)電流降為0，次級(jí)電流也降為0。

那么到底反激變化器怎么區(qū)分是工作在連續(xù)模式(CCM)還是非連續(xù)模式(DCM)?

是看初級(jí)電感電流是否降到0為分界點(diǎn)嗎，NO，反激變換器的CCM和DCM分界點(diǎn)不是按照初級(jí)電感電流是否到0來(lái)分界的，而是根據(jù)初次級(jí)的電流是否到0來(lái)分界的。

如圖所示

 

 

從圖上可以看出只要初級(jí)電流和次級(jí)電流不同時(shí)為零，就是連續(xù)模式(CCM);

只要初級(jí)電流和次級(jí)電流同時(shí)為零，便是不連續(xù)模式(DCM);

介于這倆之間的是過(guò)度模式，也叫臨界模式(CRM)。

以上說(shuō)的都是理想情況，但實(shí)際應(yīng)用中變壓器是存在漏感的(漏感的能量是不會(huì)耦合到次級(jí)的)，MOS管也不是理想的開(kāi)關(guān)，還有PCB板的布局及走線帶來(lái)的雜散電感，使得MOS的Vds波形往往大于VIN+VF。類似于下圖

 

 

這個(gè)圖是一個(gè)48V入的反激電源。[!--empirenews.page--]

從圖上看到MOS的Vds有個(gè)很大的尖峰，我用的200V的MOS，尖峰到了196了。這是尖峰是由于漏感造成的，上邊說(shuō)到漏感的能量不能耦合到次級(jí)，那么MOS關(guān)斷的時(shí)候，漏感電流也不能突變，所以會(huì)產(chǎn)生個(gè)很高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因無(wú)法耦合到次級(jí)，會(huì)產(chǎn)生個(gè)很高的電壓尖峰，可能會(huì)超過(guò)MOS的耐壓值而損壞MOS管，所以我們實(shí)際使用時(shí)會(huì)在初級(jí)加一個(gè)RCD吸收電路，把尖峰盡可能的吸到最低值，來(lái)確保MOS管工作在安全電壓。具體RCD吸收電路圖如下

 

 

簡(jiǎn)單分析下工作原理

1.當(dāng)開(kāi)關(guān)S開(kāi)通時(shí)，二極管D反騙而截至。電感儲(chǔ)存能量。

2當(dāng)開(kāi)關(guān)S關(guān)斷時(shí)，電感電壓反向，把漏感能量?jī)?chǔ)存在C中，然后通過(guò)R釋放掉。細(xì)心的朋友可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)斷的時(shí)候，這個(gè)RCD電路和次級(jí)的電路是一模一樣的，D整流，C濾波。R相當(dāng)于負(fù)載。只不過(guò)輸出電壓不是VO，而變成了次級(jí)反射到初級(jí)的電壓VF。所以，注意了，R的值不能取得太小，太小了損耗嚴(yán)重，影響效率。而且電阻的功率會(huì)變的很大!

下邊來(lái)個(gè)加了RCD吸收的波形

 

 

關(guān)于RCD吸收的選取網(wǎng)上有很多文章，在以后我會(huì)介紹下!大家也可以看我的博客(只要在百度里搜老梁頭的博客，就會(huì)出來(lái)。里邊有一篇介紹RCD的)

原理先講到這里吧，下邊我講下變壓器的設(shè)計(jì)!

今天講下變壓器的設(shè)計(jì)方法!

變壓器的設(shè)計(jì)方法有多種，個(gè)人感覺(jué)適合自己的才是最好的，選擇一個(gè)你自己最熟悉的，能夠理解的才是最好的!

我先介紹下一種設(shè)計(jì)方法：

1.先確定輸入電壓，一般是按照最低輸入直流電壓計(jì)算VINmin計(jì)算

A.要是直流輸入按直流的最低輸入來(lái)計(jì)算;

B.要是輸入為交流電，一般對(duì)于單相交流整流用電容濾波，直流電壓不會(huì)超過(guò)交流輸入電壓有效值的1.4倍，也不低于1.2倍。

列如，全范圍交流輸入85-265VAC的電源，一般按85VAC時(shí)計(jì)算，那VINmin=85*1.2=102V，一般會(huì)取整數(shù)按100VDC計(jì)算。

2.確定導(dǎo)通時(shí)間Ton

導(dǎo)通時(shí)間Ton=T*D

T為周期 T=1/F

D為最大占空比，一般在最低輸入電壓的時(shí)候，D會(huì)最大，保證輸出穩(wěn)定。

注意大的占空比可以降低初級(jí)的電流有效值，和MOS的導(dǎo)通損耗，但是根據(jù)伏秒法則，初級(jí)占空比大了，次級(jí)的肯定會(huì)小，那么次級(jí)的峰值電流會(huì)變大，電流有效值變大，會(huì)導(dǎo)致輸出紋波變大!所以，一般單端反激拓?fù)涞恼伎毡冗x取不要超過(guò)0.5。

而且一般的電流控制模式，占空比大于0.5要加斜率補(bǔ)償?shù)模瑢?duì)調(diào)試是個(gè)難度。

還有一重要的是你的占空比決定你的匝比，匝比決定啥，嘿嘿，反射電壓VF，忘了再去上邊看下，再加上你漏感引起的尖峰，最終影響你MOS的耐壓。占空比越小匝比越小，反射電壓VF越低，MOS的電壓應(yīng)力小。反之MOS的電壓應(yīng)力大，所以占空比要考慮好了。要保證再最高電壓下你的VDS電壓在MOS的規(guī)定電壓以下，最好是降額使用，流出足夠的余量來(lái)!

列如，電源的開(kāi)關(guān)頻率為100K，最低輸入時(shí)的最大占空比為0.4，那T=1/100000=10μS，那么Ton=0.4*10μS=4μS。

3.確定磁芯的有效面積AE

AE一般會(huì)在磁芯的資料中給出。

4.計(jì)算初級(jí)匝數(shù)NP

NP=VINmin*Ton/ΔB*AE

式中VINmin為直流最低輸入電壓;

Ton為導(dǎo)通時(shí)間

AE為磁芯的有效面積

ΔB為磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量，這個(gè)值和磁芯材質(zhì)，及溫升等有關(guān)，一般考經(jīng)驗(yàn)來(lái)選取，在0.1-0.3之間，取得越大，余量越小，變壓器在極端情況下越容易飽和!俺一般取0.2。

5.計(jì)算次級(jí)匝數(shù)NS

NS=(Vo+Vd)*(1-D)*NP/VINmin*D

式中Vo為輸出電壓

Vd為二極管管壓降

D為占空比

NP為初級(jí)匝數(shù)

VINmin為最低輸入電壓

6.確定次級(jí)整流二極管的應(yīng)力VDR

上邊算出變壓器的初級(jí)匝數(shù)NP和次級(jí)匝數(shù)NS后，就可以得出次級(jí)整流二極管的電壓應(yīng)力

VDR=(VINmax*NS/NP)+VOUT

式中VINmax為最大輸入電壓，要保證在最高輸入電壓下你的二極管的電壓應(yīng)力不超標(biāo)。一般算出來(lái)的這個(gè)VDR還要考慮降額使用，所以二極管的耐壓要高于這個(gè)VDR值。

一般還要在整流管上并一個(gè)RC吸收，從而降低二極管反向回復(fù)時(shí)間造成的電壓尖峰!尤其是CCM模式的時(shí)候!

7.確定初級(jí)電感量LP

確定電感量之前我們先看下上邊的兩個(gè)電流圖

 

 

對(duì)于上圖是兩種工作模式的初級(jí)電感電流波形，我加了兩個(gè)參數(shù)Ip1和Ip2;

Ip1對(duì)應(yīng)最低輸入電流

Ip2對(duì)應(yīng)最高峰值電流

有上邊這兩個(gè)我們也就可以算出平均電流Iavg了

Iavg=(Ip1+Ip2)Dmax/2

式中Dmax為最大占空比

如果輸出功率為Pout，電源效率為Η，那么

Pout/Η=VINmin*Iavg=VINmin*(Ip1+Ip2)Dmax/2

得出Ip1+Ip2=2Pout/VINmin*Dmax*Η

然后就可以計(jì)算Ip1和Ip2的值了

對(duì)于DCM來(lái)說(shuō)，電流是降到零的，所以Ip1為零

對(duì)于CCM來(lái)說(shuō)Ip1和Ip2都是未知數(shù)，又出來(lái)個(gè)經(jīng)驗(yàn)選擇了，一般取Ip2=(2-3)Ip1，不能取得太小，太小了會(huì)有一個(gè)低電流斜率，雖然這樣損耗小點(diǎn)，但容易使變壓器產(chǎn)生磁飽和，也容易使系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩!俺一般取Ip2=3Ip1。

計(jì)算出Ip1和Ip2后，這時(shí)候可以計(jì)算初級(jí)的電感量了

在Ton內(nèi)電流的變化量ΔI=Ip2-Ip1

根據(jù)(VINmin/LP)*Ton=/ΔI

得出LP=VINmin*Ton/ΔI

到此變壓器的初級(jí)電感量計(jì)算完畢，變壓器的參數(shù)也計(jì)算完畢!

還有一種計(jì)算方法，就是按照上邊的確定初級(jí)電感量的方法先確定電感量，然后來(lái)選擇磁芯，選擇磁芯的方法有很多種，一般最常用的是AP法

這個(gè)公式是看資料上的，具體我也沒(méi)推倒過(guò)具體可以看看趙修科老師的那本《開(kāi)關(guān)電源中的磁性元器件》。

 

 

式中L為初級(jí)電感量也就是LP

Isp為初級(jí)峰值電流Ip也就是ΔI，

I1L為滿載初級(jí)電流有效值，但我往往會(huì)把Isp和I1L看成是一個(gè)，都是初級(jí)的峰值電流，所以仁者見(jiàn)仁智者見(jiàn)智，大家可以到應(yīng)用時(shí)具體的來(lái)微調(diào)!

Bmax為磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量也就是ΔB.這個(gè)取值和上邊一樣，取得太大，磁芯小但容易飽和，而取得太小磁芯的體積又很大，所以一般折中取值!而且和頻率關(guān)系也很大，要是頻率很高，建議取小點(diǎn)，因?yàn)轭l率高了損耗也大，變壓器大了有利于散熱俺經(jīng)常取0.2!

K1=Jmax*Ko*10-4

其中Jmax為最大電流密度 俺一般取450A/平方厘米。但趙老師書(shū)里取得是420A/平方厘米

Ko為窗口面積，有的也叫窗口利用率吧，一般取0.2-0.4，具體要看繞線的結(jié)構(gòu)了，比如加不加擋墻等因素，所以選取時(shí)要充分考慮，免得因取得變壓器太小，結(jié)構(gòu)要求苛刻而繞不下，導(dǎo)致項(xiàng)目失敗!

10-4是由米變厘米的系數(shù)

所以上式整理下可得

AP=Aw*Ae=(LP*IP2*104/450*ΔB*Ko)4/3Cm4

計(jì)算出了AP就可以找到合適的磁芯，然后找到Ae再根據(jù)式

NP=LP*IP/ΔB*Ae

式中LP就是上邊算得初級(jí)電感量

IP為初級(jí)峰值電流

ΔB為磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量

AE為磁芯的有效面積

后邊的次級(jí)匝數(shù)NS和次級(jí)整流二極管電壓應(yīng)力的確定就和上邊的步驟5和6一樣了!

那這兩種初級(jí)匝數(shù)NP的確定方法到底哪個(gè)對(duì)呢，可以告訴大家都對(duì)。根據(jù)電磁磁感應(yīng)定律：

(VINmin/LP)*Ton=IP

所以VINmin*Ton=L*Ip

所以這兩個(gè)從本質(zhì)上式一樣的。

所以個(gè)人覺(jué)得第一個(gè)適合有經(jīng)驗(yàn)的工程師，可以憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇變壓器，然后來(lái)計(jì)算變壓器參數(shù)而第二種適合初學(xué)者，先確定變壓器再算變壓器參數(shù)，免得因自己經(jīng)驗(yàn)不足而走了彎路!

變壓器說(shuō)到這把，以上是自己的個(gè)人意見(jiàn)，歡迎大家批評(píng)指正。其實(shí)設(shè)計(jì)出來(lái)的參數(shù)僅供參考，由于變壓器的漏感，PCB的布局，走線等因素會(huì)在調(diào)試時(shí)做微調(diào)，最后做出一個(gè)最優(yōu)的、可靠的產(chǎn)品!