反激变压器设计 实战经验总结

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1、反激变换器设计（反激变换器设计（电源网电源网 rj44444 网友提供网友提供） 整理 电源网 lixuelei 2013 年 8 月 7 日 6:57:01 开关电源的出现使得使用使用市电的设备告别了笨重的变压器和需要使用庞大散热器 的线性稳压器，电子产品做到了更小的体积、更轻的重量和更高的效率。但是，开关 电源使 得设计门槛大大提高，它要求设计者在电路和磁学上必须有深刻的理解。介绍 开关电源的书 籍很多， 但是大都过于繁杂， 学习和消化完一本书需要大量的时间精力， 而即便完成了这一 艰巨的任务，设计者也不见得具备独立设计一个完整电源系统的能 力。 这里笔者根据自己所学知识和实际经验谈下反激

2、式开关电源的设计方法，并结合实例 变 压器设计的详细计算过程。由于笔者接触开关电源时间不长，文中疏漏与不当之处 难免，还 望读者批评指正。 1. 基本反激变换器原理 在讨论具体的设计步骤之前，我们有必要介绍一下反激式开关电源的原理。对于反激 式 开关电源，在一个工作周期中，电源输入端先把能量存储在储能元件(通常是电感) 中，然 后储能元件再将能量传递给负载。这好比银行的自动取款系统，银行工作人员 每天在某一时 间段向自动取款机内部充入一定数目的钱(相当于电源输入端向储能元 件存储能量)，一天 中剩下的时间里，银行用户从取款机中将钱取走(相当于负载从储 能元件中获取能量)。在 银行工作人员向取款

3、机充钱的时候，用户不能从取款机中取 钱;客户正在取钱的阶段，银行 工作人员也不会向存款机里面充钱。这就是反激式开 关电源的特点，任何时刻，负载不能直 接从输入电源处获取能量，能量总是以储能元 件为媒介在输入电源和负载间进行传递的。 下面来看图一，这是反激式变换器的最基本形式，也就是我们常说的 buck-boost(或 者 flyback)拓扑。当开关闭合时，输入电源加在电感 L 上，流过电感的电流线性上 升，上升 斜率就是输入电压与电感量的比值(在这里以及以下讨论中，我们忽略了开 关管的压降，但 是不忽略二极管的压降，这将更符合后面关于离线式反激变换器的实 际情况)，如下式： 在之一过程中，电

4、能转换成磁场能量储存在电感内，电感量一定时，时间越长流过电 感的电 流越大，电感中储存的能量也就越大，电感内部储能大小如下式： 开关闭合期间，二极管 D 是反偏的，输入到输出端没有通路，电源输入端和电感都不 向负 载提供能量。 当开关断开时，电感需要通过维持电流的恒定来阻止磁通量的突变，但此时电源输入 端 和电感之间没有通路，所以电感两端的电压必须反向(原来的上正下负变为上负下 正)，使 得二极管 D 正偏导通，储存在电感内部的能量一方面传递给负载，另一方面 装换成电场能 储存在输出电容 Co 当中。 电感中的电流线性下降，下降斜率为电感上 电压与电感量的比值，而此时电感上的电压等于输出电压加

5、上二极管的正向压降，如 下式： 以上讨论了一个开关周期的情况，为了电路能够持续稳定工作，必需满足一定的条件， 我们仍然以银行自动取款系统做比喻。试想，如果一天过去后，取款机里面的钱还有 剩余， 那么第二天银行工作人员就必需减少充入的钱的数目，否则，取款机就肯定放 不下这么多钱。 电路中也是一样，如果开关关断的时候，电感内部的能量没有完全转 移出去(被负载消耗或 者存入输出电容中)，那么接下来开关闭合的时间 Ton 就必需 减小，否则周而复始的话，电 感中的电流会不断积累，最终使得电感饱和，换一句话 说，为了系统稳定工作，必须满足的 条件就是开关闭合期间电感的电流增加量必须等 于开关断开器件电流

6、的减小量，即下式： 以一个完整的周期分析，对上面的式子化简得到： 从上面的式子可以看出，系统维持稳定工作的条件就是开关闭合时电感上的电压与开 关闭合时间的乘积等于开关关断时电感上的电压与开关关断时间的乘积相等，这也就 是伏秒 数数守恒，这两个乘积其中的一个叫做电感的伏秒数。从上面的一系列式子可 以看出，伏秒 数描述了电感中电流的变化量，实际上对应着电感中储存的能够被利用 的能量。 下面给出基本反激变换器的电感电流波形。如图二所示，以一个周期为例，从 A 点到 C 点间，开关闭合，电感电流线性上升，在此期间电感电流即开关管电流;从 C 点到 B 点， 开关断开，电感电流线性下降，在此期间电感电流

7、即二极管电流。图中可以 看出，流过电感 的平均电流等于电感的峰值电流和谷值电流的中间值。而流过开关管 和二极管的平均电流可以由下式确定： 这里引出了占空比 D 的概念，即开关开启时间与开关周期的比值。从伏秒数守恒的关 系式我们可以得到基本反激变换器中占空比的计算式如下： 从图一中，我们看到电源输入端只与开关管相连，所以输入电流即开关管电流，也就 是开关闭合时的电感电流;输出端只与二极管和电容相连，又因为电容器不可能流过直 流， 所以平均输出电流等于平均二级管电流，即有下式成立： 最后我们给出一个很重要的定义，那就是纹波系数，在不同的书籍和文献中，纹波系 数的定义有一定的区别，为了方便我们接下来

8、的讨论和计算，在这里将纹波系数 KRF 定为电 感电流变化量的一半比上电感平均电流，即： 图二电路中，整个开关周期内，流过电感的电流始终不为零。当输出电流减小时，相 应的电感平均电流也减小，如果开关周期、电感量以及输入输出电压不变的话，电感 中电流 的变化量保持不变，那么，就可能出现电感中变化的电流大小等于或者大于平 均电流两倍的 情况。这个时候，每一个周期内，开关闭合时，电感电流从零开始上升， 开关断开后，电感 电流会下降到零。也就是说，此时的 KRF 等于或者大于 1，这就 是我们说的临界工作模式和 断续工作模式。相对应的电感电流始终不为零的情况就是 连续工作模式。 在反激式变换器中，电感

9、量取值越大， 电流的变化量(纹波电流)就越小，在相同输出 电流情况下，越不容易进入断续模式;反之， 电感量取值越小，纹波电流越大，在相 同的输出电流情况下，越容易进入断续工作模式。 通常在设计过程中，我们可以设定在某一输出电流(即输出功率)时变换器进入临界 模 式，电流大于设定值时就进入连续工作模式，小于这一值时进入断续工作模式(即 KR F 在 0 到 1 之间)。也可以将变换器设计为一直工作在临界模式或者断续模式(即 K RF 大于等于 1)，特别是在单级 PFC 反激式变换器以及准谐振反激式变换器中，这 种方式应用较多。 本文以下的讨论均以连续模式为例。 上面讨论了基本反激变换器满足的基

10、本关系式，接下来一节我们开始讨论隔离输出的 反 激变换器原理。 2.隔离输出的反反激式变换器电压和电流关系隔离输出的反反激式变换器电压和电流关系 如果将图一中的电感换成耦合电感，使输入和输出加在不同的绕组上，得到图四 a 所 示 的电路。为了方便讨论，我们假设 L1 和 L2 的线圈匝比为 n，耦合系数为 1。 当开关闭合时， 电源输入端向电感 L1 中存储能量，根据同名端的关系，L2 中感应 出上正下负的电压，二极 管 D 反偏。在开关关断前的一瞬间，L1 中的电流上升到 最大值，在开关关断瞬间，L1 与输 入端没有通路，为了阻止磁通量的突变，L2 上 的电压反向，使得输出二极管正偏导通，存

11、 储在磁芯中的磁场能转移到输出电容和负 载中。 图四图四 隔离输出的反激变换器原理图隔离输出的反激变换器原理图 图四 a 给出的电路就是离线式反激变换器的雏形了，在实际应用中，我们往往把开关 管 放在电源输入的负端，并且输出为上正下负看起来也比较习惯，于是得到了图四 b 所示的反 激式变换器基本结构。 首先我们讨论图四 b 所示电路中 L1 和 L2 中的电流，图五给出了相应的波形图。 开关关断瞬间，磁通量不能突变，所以 L2 中的电流等于关断前一瞬间 L1 电流值的 n 倍(n 为 L1 和 L2 线圈匝比)。开关闭合瞬间，为了阻止磁通量突变，L1 中电流 等于闭合前一瞬间 L2 中电流的

12、1/n.。又因为在开关闭合期间和开关断开期间 L1 和 L2 中电流都是线性变化的， 所以我们可以得出如下的关系式： 从上面的关系式进一步得到： 上面式子中的 n=N1/N2，其中 N1 为 L1 的线圈匝数，N2 为 L2 的线圈匝数。 图五图五 隔离输出的反激式变换器初次级电感电流波形隔离输出的反激式变换器初次级电感电流波形 接下来讨论 L1 和 L2 的电压关系，图六给出了相应的波形图。开关闭合期间，根据 同 名端和匝比的关系，L2 上感应出上负下正的电压，大小为 Vin/n;开关关断期间， L2 上的电 压等于输出电压加上二极管电压正向压降，极性为上正下负，设这个电压 为 VL2， 则

13、根据同 名端和匝比关系， L1 上的感应电压为 nVL2， 极性变为上负下正。 我们把这个电压叫做次级 反射电压 Vor。 图六图六 隔离输出的反激变换器输入输出电压波形隔离输出的反激变换器输入输出电压波形 前面提到，为了维持变换器的稳定工作，开关闭合期间电感上电压与闭合时间的乘积 应 等于开关断开期间电感上电压与断开时间的乘积。对于耦合电感，我们计算时将开 关闭合和 断开期间的电压全部这算到初级来计算的话，就有如下关系： 通过上式可以求得占空比如下： 不难看出，对于当输入电压最低时，占空比最大。在反激式开关电源中，最大占空比 是 一个很重要的参数，对于连续模式的反激式变换器，一般情况下，最大

14、占空比限定 在 0.5 以 内，超过 0.5 的话，容易出现次谐波振荡。 不可忽略的是，实际工程中 L1 不可能和 L2 形成理想的全耦合， L1 中有少量的磁 通 不能完全耦合到 L2 中，等效为 L1 上串联一个电感量较小的电感，也就是常说 的漏感 Lleak。 在开关断开瞬间，这部分不能耦合到 L2 中的磁通也不能突变，于是 Lleak 试图通过将电压反 向来续流，此时开关闭合，没有续流通道，于是 Lleak 上感应出一个很高的尖峰电压 Vpk，这 个电压和上面的反射电压方向相同。在开关 断开的瞬间，电源输入电压、次级反射电压和漏 感尖峰电压一起加在开关管上，由于 漏感尖峰电压通常很高，

15、能够瞬间造成开关管的损坏， 实际电路中一般要进行钳位处 理。 3. 离线式反激变换器的电路原理离线式反激变换器的电路原理 图七给出了一个输出 5V/2A 的电源适配器用到的离线式反激变换器完整的原理图， 主芯 片型号为 RM6203(西安亚成微电子)，芯片内部集成了完整的控制电路和一个 800V 的高压 功率 BJT。 下面我们以这个电路为例分析外围电路的基本作用， 对于使 用其他控制芯片的电 路，原理上大同小异。 图七图七 输出输出 5V/2A 的离线式反激变换器的离线式反激变换器 输入的交流市电经过保险丝 F1 后进入由 C3 和 T2 构成的共模滤波器， 滤除电网中 的共模干扰信号，然后

16、经过 D2 全桥整流和电容 C6 滤波后得到较为平坦的直流电。 直流电通过 R2 和 R5 加在内部开关功率管的基极，向基极注入电流，开关管的集电 极(也就是芯片 的 OC 引脚)有电流流过，初级绕组开始有电流流过。同时直流电通过 R2 和 R5 向电容 C8 开 始充电，当 C8 上的电压达到 IC 工作的启动电压时，I C 开始工作。 IC 进入正常工作后，在开关关断期间，辅助供电绕组 Na 上感应出的电压使 D5 导 通， 辅助绕组为 IC 供电，并将部分能量储存在电容 C8 中，待下一周期开关导通 期间，电容为 IC 供电。 图七电路中，R4、C5 和 D3 并联在变压器的初级绕组上，这就是常见的一种吸收漏 感 尖峰的电路结构，RCD 吸收电路。当开关管关断瞬间，初级线圈的漏感以及 PCB 线路的寄 生电感感应出很高的尖峰电压时，D3 会正偏导通，由于电容 C5 上的电 压不能突变，于是 尖峰电压被箝位在一定的范围内，保护开关管不被损坏。开关断开 期间 C5 上增加的能量会 在开关闭合期间消耗在 R4 上，防止 C5 上的电压不断升 高。 图七中的电容 C10 用于设置