开关电源演示文稿汇编

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1、漫谈反激式开关电源 电源的重要性 电源犹如人的心脏，是所有电力设备 的动力。一般由电网供电的电子设备都会 有电源模块，可以说，只要从事电子方面 的工作，或多或少的都会用到或接触到。 了解或学习一些电源方面的知识是很有必 要的。 开关电源的种类 n按照拓扑结构可以分为2中基本的类型：非 隔离型和隔离型。 1.Buck变换器，也称降压变换 器 n非隔离型 2.Boost变换器，也称升压变换器 3.Buck-Boost变换器，也称升降压变换 器 4.Cuk变换器，也称串联变换 器 n 隔离型:正激式，反激式，推挽式，半桥式，全桥式 buck变换器电路模型原理分析 左图为降压线性电路工作时 的理想波形

2、： 0 t DTS时，开关管导 通，此时 DTS t TS时，开关管关 断，此时 根据电感伏秒平衡原理，可 得 整理上式，可得 反激式开关电源 开关电源的种类很多，这里主要 与大家一起讨论一下反激式开关电源。 这种电路结构比较简单，在小功率电 路中运用广泛。就拿我们公司的小功 率变频器和PLC来说，它们的开关电 源一般都是使用反激式的. 一般100W 以内的开关电源，用反激式开关电源 来设计都能满足我们的要求。 反激式变换器的定义及优点 定义： 反激式转换器又称单端反激式或“BUCK- BOOST”转换器，因其输出端在原边绕组关断时获得能量 故而得名。在反激变换器拓扑中，开关管导时，变压器储

3、存能量，负载电流由输出滤波电容提供；开关管关断时， 变压器将储存的能量传送到负载和输出滤波电容，以补偿 电容单独提供负载电流时消耗的能量。 优点如下：a、电路简单，能高效提供多路直流输出 ，因此适合多组输出要求；b、输入电压在很大的范围内 波动时，仍可有较稳定的输出，目前己可实理交流输入85 -265V间，无需切换而达到稳定输出的要求；c、转换效率 高，损失小；d、变压器匝数比值小。 反激式变压器的基本结构和原理 原理：在开关S导通时，输入电压Vi加在变压器初级线圈 上，同名端 相对异名端为负，次级二极管D反偏截止。初 级电流线性上升（线性电感），变压器作为电感运行。 变压 器储存能量，此阶段

4、没有能量传到次级，电容C单独向负载 供电。 在开关S断开时，由楞次定理（E=N/T）变 压器原边绕组将产生一反向电动 势，此时输出整流二极管D正向 导通，向次级负载提供能量。 关键点：反激式开关电源的核 心就是将变压器当做一个电感来 看，先储能，后释放能量。 反激式变换器的两种工作模式 反激变换器分两种工作模式：DCM和CCM，实际工作 时，尤其是工作在宽电压模式，负载变换较大时，一般都 跨越这两种工作模式。 （1）电感电流不连续模式DCM（Discontinuous Inductor Current Mode）或称“完全能量转换” ：Ton时储 存在变压器中的所有能量在反激周期（Ton）中都

5、转移到 输出端。 （2）电感电流连续模式CCM（Continuous Inductor Current Mode）或称“不完全能量转换” ：储存在变压器中 的一部分能量在Toff末保留到下一个TOn周期的开始。 两种工作模式的区别： a. DCM状态下在开关管导通期间， 能量完全转移中波形具有较高的原边 峰值电流，这是因主初级电感值Lp相 对较低之故，使Lp急剧升高，其负面 影响是增加了绕组损耗和输入滤波电 容器的纹波电流，从而要求开关管必 须具有高电流承载能力，方能安全工 作。 b.在CCM工作状态中，原边峰值电流较低，但开关管 在导通时有较高漏极电流值，因此导致开关管高功率的消 耗，同时为

6、达到CCM，就需要有较高的变压器原边电感值 Lp,由于要在变压器磁芯中储存残余能量则要求变压器的 体积较DCM时要大，而其它系数是相等的。 反激变换器理想工作波形 反激变换器实际工作波形 我们以DCM模式为例： 当开关S闭合时，初级电流线性上升，斜率为 ： 当开关S断开时，初级电流Ip达到最大值： 变压器在开关管一个导通周期储存的能量是： 如何推导？ 当线圈与电源接通时，由于自感现象，电路中的电流 i 并不立刻由0变到稳定值 I，而要经过一段时间。这段时间 内，电路中的电流在增大，因为有反方向的自感电动势存 在，外电源 E 不仅要供给电路中产生焦耳热的能量，而且 还要反抗自感电动势 EL 做功

7、。下面我们计算在电路中建 立电流 I 的过程中，电源所做的这部分额外的功。在时间 dt 内，电源反抗自感电动势所做的功为： dA = - EL * i * dt 式中 i 为电流强度的瞬时值，而EL为： EL = - L * di / dt 因而 dA = L* i *di 在建立电流的整个过程中，电源反 抗自感电动势所做的功为： A = dA = (0 I) L * i * di = 1/2 * L * I 2 开关管关闭后，能量传递给次级。因为工作在非连续 模式，在开关管再次导通前，初级储存的能量将全部传给 次级。输入功率P（即1s内传递的能量）为： 将 带入上式，得到： 由上式可以转换为

8、： 该式就是计算反激式变压器初级电感量的基本公式了。 当功率管关断时，次级二极管D正偏导通，次级电流 会经历一个从小到大（原边电流过渡到副边电流），又从 大到小（副边电流对负载供电）的过程 。 在稳定状态下，磁通增量在Ton时的变化必须等于 Toff时的变化，否则会造成磁芯的饱和，即变压器原边绕 组每匝的伏秒值等于副边绕组每匝的伏秒值，因此： 反激式变换器电路特点： n结构简单。不需要输出滤波电感。 n输出电压尖峰较大。次级峰值电流较大，I2p=n*I1p，该 峰值电流加在电容ESR会产生较高的尖峰电压，宽度通常 小于0.5us。为滤除该尖峰，通常要在主电容后加小型LC 滤波器。 n需要大容量

9、电容。由于在开关管开通时，只有滤波电容向 负载提供电流，因此电容容量必须足够大。辅佐电源电压 精度约为6%，若需较高精度，需附加线性调整器。 漏感对开关电源的影响 n a.多路输出交叉调节问题 理论上反激变换器没有输出滤波电感，只有输出电 容，相当于电压源，只要一路稳定，多路输出的其余各路 基本上（除二极管压降）按匝比稳定输出，比正激电源更 适用于多路输出。 但实际上反激电源的多路输出交叉调 整率比正激电源更难做。这主要因为正激后面加了个耦 合电感，而反激的漏感不是零。一路输出稳定性非常好， 但多路输出时没有接反馈的支路电压会随其他路的负载变 化而剧烈变化。 原因： 开关管关断时，次级输出时的

10、能量分配是有规律的， 是按漏感的大小来分配，如5V 3匝，漏感1uH，12V 7匝 ，如果漏感为(7/3)2*1=5.4uH,则两路输出的电流变化率 是一样的，没有交叉调整率的问题，但如果漏感不匹配时 ，就会出现交叉调整率问题。 改进方法： 1.注意变压器工艺让功率较大，电压比较低的绕组最靠 近初级，其漏感最小，电压比较高，功率比较小的远离初 级，增加其漏感。 2. 输出电压较高的绕组在整流管前面增加一个小磁珠或 小电感，人为增加其漏感，这样电流的变化率就接近于其 主输出，电压就稳定。 3.采用层叠法，保证其漏感比。如12V和5V共用一部分 绕组。 nb.漏感对开关管关断瞬间的尖峰电压影响 由

11、于变压器漏感的存在及其它分布参数的影响，反激 电源在开关管关断瞬间会产生很高的尖峰电压，这个尖峰 电压严重威胁着开关管的正常工作，必须采取措施对其进 行抑制。目前，有很多方法可使实现这个目的，其中RCD 钳位法以其结构简单，成本低廉的特点而得以广泛使用 。 下面我们来定性分析一下电路参数的选择对 电路的暂态响应的影响： 1. RCD电容C偏大 电容端电压上升很慢，导致MOS管电压 上升较慢，导致MOS管关断至次级导通的时间间隔过长， 变压器传递能量过程较慢，相当一部分励磁电感能量消耗 在RC电路上了 。波形分析如下图： 2. RCD电阻电容乘积RC合理，R,C都合适 整个过程电容始 终存有一定

12、的能量，能有效的降低漏感引起的尖峰电压， 又不降低效率 。波形分析如下图： VDS波形分析： 我们知道在DCM模式下，有一段初级电流和次级电流都为0 的死区时间，在这段时间内，初级激磁电感Lm会产生反电动势 去阻碍初级电流为0（电感总是阻碍电流的变化），Cds先是放 电，等放到Vin时，Lm两端电压相等（因为LmLk，忽略Lk） ，为阻碍电感电流为0，Lm产生反电动势，同时对Cds进行充电 ，当充电电压到Vin+Vor时，Cds又开始放电，如此反复发生阻 尼振荡，就产生了我们看到的这个波形，谐振频率f=1/2根号 下(Lm+Lk)*Coss。 而Vds前面那个尖峰振荡频率高很多，是因为只有Lk

13、和Cds 发生阻尼振荡，谐振频率f=1/2根号下Lk*Coss。 开关过程分析： MOS管关断后，初级电流给MOS管 输出电容和变压器杂散电容充电，然后 DS端电压谐振上升，由于电流很大， 谐振电路Q值很小，所以基本上是线性 上升，当DS端电压上升到次级电压达 到输出电压加整流管电压后，次级本应 该就导通，但由于次级漏感的影响，电 压还会上升一些来克服次级漏感的影响 ，这样反映到初级的电压也高于正常的 反射电压，在这样条件下，次级电流开 始上升，初级电流开始下降，但不要忘 记初级的漏感，它由于不能耦合，所以 它的能量要释放，漏感和MOS管输出电 容，变压器杂散电容谐振，电压冲高， 形成几个震荡

14、，能量在嵌位电路消耗， 这里要注意一点，漏感的电流始终是和 初级电流串联，所以漏感电流的下降过 程就是次级电流的上升过程，而漏感电 流的下降过程是由嵌位电路电容上的电 压和反射电压的差决定的，此差越大， 下降越快，转换过程越快，转换的过程 就是电压电流叠加的过程。 反激式变换器之反激变压器设计 1.首先确定电源设计所需的标准 在开始设计变压器之前，根据电源的规范必须定义一 些参数如下： （1）电源的工作频率f （2）预计电源的效率 （3）最小直流母线电压Vmin （4）最大占空比Dmax 2.确定总输出功率，他包含所有次级输出功率，公式如下： 3.选定磁芯规格 1.AP法。AP=Aw*Ae 2

15、.实际上，磁芯的初始 选择一般是很粗略的，因 为变量太多了，一般情况 是参考以前的案列初步选 择磁芯。这边有一个输出 功率和磁芯的对照表： 4.初级线圈的最少匝数Npmin 选定磁芯型号后，就可以根据磁芯手册查的磁芯有 效截面积Ae。根据选用的磁芯材质型号确定最大磁通密度 变化量B,单位是：Gs。由下式得出为变压器初级侧为避 免发生磁芯饱和而应具有的最少匝数： 5.确定输出匝数 式中，Np和Ns分别是初级绕组和次级绕组的圈数， 其中的Ns对于多输出绕组来说，指的是主输出绕组，其余 的输出绕组的匝数按照下面的公式求得： Ns主 : Ns辅 =（ VS主+Vf1）：（ VS辅+Vf2 ） 6. 变

16、压器的气隙 由于反激式变压器磁芯只工作在第一象限磁滞回线, 磁芯在交、直流作用下的 B.H 效果与 AIR GAP大小有密切 关联.看下图，在交流电流下气隙对Bac无改变效果,但对 Hac将大大增加,这是有利的一面,可有效地减小CORE的有 效磁导率和减少原边绕组的电感.在直流电流下气隙的加入 可使CORE承受更加大的直流电流去产生HDC,而BDC却维持不 变,因此在大的直流偏置下可有效地防止磁芯饱和,这对能 量的储存与传递都是有利的. 当反激变压器工作于CCM时, 有相当大的直流成份,这时就 必须有气隙. 7.线圈导线尺寸 初级电流峰值： 初级电流有效值： 次级电流的峰值： 次级电流的占空比： 工作在开关频率式导线的趋肤深度 ： 如果导线线径超过趋肤深度，应选用横截面积相近的多股线绕制。 7.线圈结构 为减少漏感，常采用三明治绕法，常用N1/2N2 N1/2 E N D THANKS!