【導(dǎo)讀】介紹開(kāi)關(guān)電源的書(shū)籍很多，但是大都過(guò)于繁雜，學(xué)習(xí)和消化完一本書(shū)需要大量的時(shí)間精力，而即便完成了這一艱巨的任務(wù)，設(shè)計(jì)者也不見(jiàn)得具備獨(dú)立設(shè)計(jì)一個(gè)完整電源系統(tǒng)的能力。這里筆者根據(jù)自己所學(xué)知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)談下反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合實(shí)例變壓器設(shè)計(jì)的詳細(xì)計(jì)算過(guò)程。
這是筆者去年做完第一個(gè)反激式電源后寫(xiě)的，內(nèi)部有各個(gè)元器件選取的詳細(xì)計(jì)算公式。關(guān)于RCD鉗位的，目前還沒(méi)有非常好的計(jì)算方法，采取的是實(shí)驗(yàn)為主的方法，所以大家有好的方法，歡迎補(bǔ)充修改。
開(kāi)關(guān)電源的出現(xiàn)使得使用市電的設(shè)備告別了笨重的變壓器和需要使用龐大散熱器的線性穩(wěn)壓器，電子產(chǎn)品做到了更小的體積、更輕的重量和更高的效率。但是，開(kāi)關(guān)電源使得設(shè)計(jì)門(mén)檻大大提高，它要求設(shè)計(jì)者在電路和磁學(xué)上必須有深刻的理解。介紹開(kāi)關(guān)電源的書(shū)籍很多，但是大都過(guò)于繁雜，學(xué)習(xí)和消化完一本書(shū)需要大量的時(shí)間精力，而即便完成了這一艱巨的任務(wù)，設(shè)計(jì)者也不見(jiàn)得具備獨(dú)立設(shè)計(jì)一個(gè)完整電源系統(tǒng)的能力。
這里筆者根據(jù)自己所學(xué)知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)談下反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合實(shí)例變壓器設(shè)計(jì)的詳細(xì)計(jì)算過(guò)程。由于筆者接觸開(kāi)關(guān)電源時(shí)間不長(zhǎng)，文中疏漏與不當(dāng)之處難免，還望讀者批評(píng)指正。
1.基本反激變換器原理
在討論具體的設(shè)計(jì)步驟之前，我們有必要介紹一下反激式開(kāi)關(guān)電源的原理。對(duì)于反激式開(kāi)關(guān)電源，在一個(gè)工作周期中，電源輸入端先把能量存儲(chǔ)在儲(chǔ)能元件(通常是電感)中，然后儲(chǔ)能元件再將能量傳遞給負(fù)載。這好比銀行的自動(dòng)取款系統(tǒng)，銀行工作人員每天在某一時(shí)間段向自動(dòng)取款機(jī)內(nèi)部充入一定數(shù)目的錢(qián)(相當(dāng)于電源輸入端向儲(chǔ)能元件存儲(chǔ)能量)，一天中剩下的時(shí)間里，銀行用戶從取款機(jī)中將錢(qián)取走(相當(dāng)于負(fù)載從儲(chǔ)能元件中獲取能量)。在銀行工作人員向取款機(jī)充錢(qián)的時(shí)候，用戶不能從取款機(jī)中取錢(qián);客戶正在取錢(qián)的階段，銀行工作人員也不會(huì)向存款機(jī)里面充錢(qián)。這就是反激式開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)，任何時(shí)刻，負(fù)載不能直接從輸入電源處獲取能量，能量總是以儲(chǔ)能元件為媒介在輸入電源和負(fù)載間進(jìn)行傳遞的。
下面來(lái)看圖一，這是反激式變換器的最基本形式，也就是我們常說(shuō)的buck-boost(或者flyback)拓?fù)洹．?dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，輸入電源加在電感L上，流過(guò)電感的電流線性上升，上升斜率就是輸入電壓與電感量的比值(在這里以及以下討論中，我們忽略了開(kāi)關(guān)管的壓降，但是不忽略二極管的壓降，這將更符合后面關(guān)于離線式反激變換器的實(shí)際情況)，如下式：
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在之一過(guò)程中，電能轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存在電感內(nèi)，電感量一定時(shí)，時(shí)間越長(zhǎng)流過(guò)電感的電流越大，電感中儲(chǔ)存的能量也就越大，電感內(nèi)部?jī)?chǔ)能大小如下式：
開(kāi)關(guān)閉合期間，二極管D是反偏的，輸入到輸出端沒(méi)有通路，電源輸入端和電感都不向負(fù)載提供能量。
當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電感需要通過(guò)維持電流的恒定來(lái)阻止磁通量的突變，但此時(shí)電源輸入端和電感之間沒(méi)有通路，所以電感兩端的電壓必須反向(原來(lái)的上正下負(fù)變?yōu)樯县?fù)下正)，使得二極管D正偏導(dǎo)通，儲(chǔ)存在電感內(nèi)部的能量一方面?zhèn)鬟f給負(fù)載，另一方面裝換成電場(chǎng)能儲(chǔ)存在輸出電容Co當(dāng)中。電感中的電流線性下降，下降斜率為電感上電壓與電感量的比值，而此時(shí)電感上的電壓等于輸出電壓加上二極管的正向壓降，如下式：
以上討論了一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的情況，為了電路能夠持續(xù)穩(wěn)定工作，必需滿足一定的條件，我們?nèi)匀灰糟y行自動(dòng)取款系統(tǒng)做比喻。試想，如果一天過(guò)去后，取款機(jī)里面的錢(qián)還有剩余，那么第二天銀行工作人員就必需減少充入的錢(qián)的數(shù)目，否則，取款機(jī)就肯定放不下這么多錢(qián)。電路中也是一樣，如果開(kāi)關(guān)關(guān)斷的時(shí)候，電感內(nèi)部的能量沒(méi)有完全轉(zhuǎn)移出去(被負(fù)載消耗或者存入輸出電容中)，那么接下來(lái)開(kāi)關(guān)閉合的時(shí)間Ton就必需減小，否則周而復(fù)始的話，電感中的電流會(huì)不斷積累，最終使得電感飽和，換一句話說(shuō)，為了系統(tǒng)穩(wěn)定工作，必須滿足的條件就是開(kāi)關(guān)閉合期間電感的電流增加量必須等于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)器件電流的減小量，即下式：
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以一個(gè)完整的周期分析，對(duì)上面的式子化簡(jiǎn)得到：
從上面的式子可以看出，系統(tǒng)維持穩(wěn)定工作的條件就是開(kāi)關(guān)閉合時(shí)電感上的電壓與開(kāi)關(guān)閉合時(shí)間的乘積等于開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)電感上的電壓與開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)間的乘積相等，這也就是伏秒數(shù)數(shù)守恒，這兩個(gè)乘積其中的一個(gè)叫做電感的伏秒數(shù)。從上面的一系列式子可以看出，伏秒數(shù)描述了電感中電流的變化量，實(shí)際上對(duì)應(yīng)著電感中儲(chǔ)存的能夠被利用的能量。
下面給出基本反激變換器的電感電流波形。如圖二所示，以一個(gè)周期為例，從A點(diǎn)到C點(diǎn)間，開(kāi)關(guān)閉合，電感電流線性上升，在此期間電感電流即開(kāi)關(guān)管電流;從C點(diǎn)到B點(diǎn)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電感電流線性下降，在此期間電感電流即二極管電流。圖中可以看出，流過(guò)電感的平均電流等于電感的峰值電流和谷值電流的中間值。而流過(guò)開(kāi)關(guān)管和二極管的平均電流可以由下式確定：
這里引出了占空比D的概念，即開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)間與開(kāi)關(guān)周期的比值。從伏秒數(shù)守恒的關(guān)系式我們可以得到基本反激變換器中占空比的計(jì)算式如下：
從圖一中，我們看到電源輸入端只與開(kāi)關(guān)管相連，所以輸入電流即開(kāi)關(guān)管電流，也就是開(kāi)關(guān)閉合時(shí)的電感電流;輸出端只與二極管和電容相連，又因?yàn)殡娙萜鞑豢赡芰鬟^(guò)直流，所以平均輸出電流等于平均二級(jí)管電流，即有下式成立：
最后我們給出一個(gè)很重要的定義，那就是紋波系數(shù)，在不同的書(shū)籍和文獻(xiàn)中，紋波系數(shù)的定義有一定的區(qū)別，為了方便我們接下來(lái)的討論和計(jì)算，在這里將紋波系數(shù)KRF定為電感電流變化量的一半比上電感平均電流，即：
圖二電路中，整個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，流過(guò)電感的電流始終不為零。當(dāng)輸出電流減小時(shí)，相應(yīng)的電感平均電流也減小，如果開(kāi)關(guān)周期、電感量以及輸入輸出電壓不變的話，電感中電流的變化量保持不變，那么，就可能出現(xiàn)電感中變化的電流大小等于或者大于平均電流兩倍的情況。這個(gè)時(shí)候，每一個(gè)周期內(nèi)，開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電感電流從零開(kāi)始上升，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，電感電流會(huì)下降到零。也就是說(shuō)，此時(shí)的KRF等于或者大于1，這就是我們說(shuō)的臨界工作模式和斷續(xù)工作模式。相對(duì)應(yīng)的電感電流始終不為零的情況就是連續(xù)工作模式。
在反激式變換器中，電感量取值越大，電流的變化量(紋波電流)就越小，在相同輸出電流情況下，越不容易進(jìn)入斷續(xù)模式;反之，電感量取值越小，紋波電流越大，在相同的輸出電流情況下，越容易進(jìn)入斷續(xù)工作模式。
通常在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們可以設(shè)定在某一輸出電流(即輸出功率)時(shí)變換器進(jìn)入臨界模式，電流大于設(shè)定值時(shí)就進(jìn)入連續(xù)工作模式，小于這一值時(shí)進(jìn)入斷續(xù)工作模式(即KRF在0到1之間)。也可以將變換器設(shè)計(jì)為一直工作在臨界模式或者斷續(xù)模式(即KRF大于等于1)，特別是在單級(jí)PFC反激式變換器以及準(zhǔn)諧振反激式變換器中，這種方式應(yīng)用較多。本文以下的討論均以連續(xù)模式為例。
上面討論了基本反激變換器滿足的基本關(guān)系式，接下來(lái)一節(jié)我們開(kāi)始討論隔離輸出的反激變換器原理。
（待續(xù)...）
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