在本篇文章當中將分享來自前工程師從開關電源到伏秒平衡的相關知識。

 

現在市麵上的開關電源，總體來講，其實就兩類
，一類是PWM類型的(也許有人會說還有PFM
，RCC等等但是歸根結底這還是一類的)
，包括Flyback
、Buck、Boost
、Buck-Boost、Flyback、正激
、硬半橋
、硬全橋
、移相全橋、推挽等等。

 

這一係列開關電源的工作核心就是電感伏秒平衡原理。

 

下麵就說說伏秒平衡
，這個絕對是核心中的核心，容不得半點折扣。

 

先做一下基本的公式推倒：

其實所謂的伏秒平衡就是磁芯的勵磁、退磁的過程。電感在Ton時候勵磁，儲存能量，在Toff時候
，退磁，釋放能量。

 

從上麵的推倒可以看出
，用(E*Ton)就直接可以表示磁芯的勵磁能量。

 

磁(ci)芯(xin)在(zai)每(mei)個(ge)工(gong)作(zuo)周(zhou)期(qi)，都(dou)要(yao)先(xian)勵(li)磁(ci)，然(ran)後(hou)再(zai)複(fu)位(wei)。因(yin)為(wei)電(dian)源(yuan)在(zai)穩(wen)定(ding)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)
，磁(ci)芯(xin)每(mei)個(ge)周(zhou)期(qi)儲(chu)存(cun)的(de)能(neng)量(liang)必(bi)須(xu)等(deng)於(yu)釋(shi)放(fang)的(de)能(neng)量(liang)
，要(yao)不(bu)然(ran)磁(ci)芯(xin)就(jiu)飽(bao)和(he)了(le)。

 

所以就可以推導出下麵這個超級簡單實用的公式：

 

E1*Ton= -E2*Toff

 

(特別指出，這個公式成立的充要條件是電感各個繞組都在同一個磁芯上，繞組可以是1~n個)

 

E1、E2指的是同一個繞組兩端的電壓。Ton指的是E1持續的時間。Toff指的是E2持續的時間。

 

這個公式的主要作用在哪裏呢?在推導各種PWM拓撲結構的輸入輸出關係的時候
，上麵那個公式就非常重要了。有了它，不管是什麼拓撲

，隻要是PWM的
，輸入輸出關係就很容易清晰的證明出來，是非常重要的一個公式。

 

 

反激式開關電源大家再熟悉不過，其優點不在少數
，結構簡單且成本低廉。最重要的是適應的功率範圍比較廣
，幾瓦到200瓦，市電輸入，輸出電壓不超過63V，輸出電流不超過15A，在這個範圍內，反激式到目前為止還是很有優勢的。甚至有的產品為了對成本進行節約，將反激做到了500W。

 

接下來我們就來講一下反激式開關電源的設計
，上麵說了伏秒平衡
，那個是推導所有的PWN類型的開關電源的基礎。

 

下麵主要講反激式的主拓撲工作原理以及變壓器的計算。反激式開關電源，其實是屬於Buck-Boost的變種。更多的詳細資料大家可以去網上查詢，這裏就不多說了。

 

我們先從Buck-Boost開始來分析。

圖1

 

 

電源電壓加到電感兩端，電感有電流流過，感應電壓上正下負。

 

二極管反偏，次級電解電容沒有有效回路對電感勵磁
，所以，電感儲存能量全部來自初級。

 

電感兩端伏秒積為Vin*Ton。

圖2

 

 

電感感應電壓反轉
，變為下正上負

，電感對輸出釋放能量
，電感磁芯複位。

 

次級電解電容對電感勵磁。

 

伏秒積為：Vout*Toff。

 

由同一個磁芯上伏秒平衡原理

 

Vin*Ton+Vout*Toff=0

 

得到：

 

Vout=-(Vin*Ton)/Toff=-Vin* (隻對連續模式成立)

 

斷續模模式Toff還要減去死區，這樣推導的話
，應該比較容易讓大家理解。

 

反激式開關電源是現在市麵上電子消費品中應用最廣泛的拓撲。反激式開關電源最適合的功率範圍在3-150W之間，可以做成CC模式或者CV模式。代表有適配器，輔助電源，LED驅動等等。

 

接下來就說一下反激式主拓撲的工作原理以及設計中需要注意的要點。

圖3

 

如圖3所示，主回路關鍵元器件就那幾個：輸入主電解電容，變壓器
，開關管，整流二極管，輸出電解電容。

 

下麵分析一下反激式的基本工作原理。參照圖3，開關管導通：變壓器初級電流上升，磁心儲存能量，次級線圈與初級同名端相反，二極管截至。

 

初級線圈上麵的伏秒積：Vin*Ton。

圖4

 

開kai關guan管guan關guan，初chu級ji線xian圈quan沒mei有you放fang電dian回hui路lu，因yin為wei電dian感gan電dian流liu不bu能neng突tu變bian
，線xian圈quan感gan應ying電dian動dong勢shi反fan轉zhuan，次ci級ji二er極ji管guan導dao通tong，磁ci芯xin通tong過guo次ci級ji二er極ji管guan放fang電dian，輸shu出chu點dian解jie電dian容rong對dui磁ci芯xin勵li磁ci，磁ci芯xin複fu位wei。

 

開關管關斷
，次級線圈上的伏秒積：n*Vout*Toff。

 

同一個磁芯上，由伏秒積平衡原理：

 

Vin*Ton=n*Vout*Toff

 

化簡 得到反激式輸入輸出的關係式：

 

Vout=(1/n)*<(Vin*Ton)/Toff>

 

Ton=T*D

 

Voff=T*(1-D)

 

代入上式得

 

Vout=(1/n)

 

上(shang)麵(mian)式(shi)子(zi)隻(zhi)是(shi)對(dui)連(lian)續(xu)模(mo)式(shi)反(fan)激(ji)成(cheng)立(li)，臨(lin)界(jie)或(huo)者(zhe)斷(duan)續(xu)模(mo)式(shi)需(xu)要(yao)減(jian)去(qu)四(si)區(qu)，四(si)區(qu)時(shi)間(jian)，次(ci)級(ji)二(er)極(ji)管(guan)截(jie)止(zhi)
，次(ci)級(ji)不(bu)對(dui)磁(ci)芯(xin)勵(li)磁(ci)。觀(guan)察(cha)上(shang)麵(mian)的(de)輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)關(guan)係(xi)
，我(wo)們(men)會(hui)發(fa)現(xian)，決(jue)定(ding)反(fan)激(ji)式(shi)變(bian)壓(ya)器(qi)輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)關(guan)係(xi)的(de)參(can)數(shu)：

 

我們暫且把變比n假設為1
，則可以得到：

 

Vout=Vin*(D/1-D)

 

D<0.5的時候，Vout。

 

D>0.5的時候，Vout>Vin
，工作在升壓區域。

 

 

反激式開關電源，按照工作波形
，有兩種工作模式：

圖5連續模式。

 

圖5是連續模式的主要工作波形
，初級次級電流都有一部分是直流成分。

圖6

 

在相同的輸入電壓輸入功率條件下，Iavg一定
，電流波形越連續


，那麼初級回路上的峰值電流就越小，特別是關斷電流Ipk1
，Ipk1對於關斷損耗影響非常大。

 

平均電流跟峰值電流的關係

 

這個計算其實很簡單
，也就初中幾何就足夠了，計算電流波形的麵積。

 

開關管開通階段，流過電感的電流：(1/2)*(Ipk1+Ipk2)*Ton (體形麵積)

 

平均到整個周期就得到輸入的平均電流。

 

Iavg=<(1/2)*(Ipk1+Ipk2)*Ton>/(Ton+Toff)

 

設計時候我們是把上式倒過來用的
，用平均電流求出峰值電流。一般習慣性的用一個字母K代表Ipk1/Ipk2，

 

這個K值
，影響到初級電流的連續程度。連續模式適用於輸入電壓相對較低，功率相對較大的情況下。

 

關(guan)於(yu)什(shen)麼(me)時(shi)候(hou)使(shi)用(yong)連(lian)續(xu)模(mo)式(shi)，什(shen)麼(me)時(shi)候(hou)使(shi)用(yong)斷(duan)續(xu)模(mo)式(shi)
，這(zhe)個(ge)其(qi)實(shi)沒(mei)有(you)絕(jue)對(dui)的(de)
，一(yi)般(ban)情(qing)況(kuang)下(xia)，對(dui)於(yu)十(shi)幾(ji)瓦(wa)以(yi)下(xia)的(de)東(dong)西(xi)
，一(yi)半(ban)都(dou)使(shi)用(yong)斷(duan)續(xu)模(mo)式(shi)
，現(xian)在(zai)PSR在小功率方麵比較主流，PSR的充電器一般都是斷續模式
，有些IC為了適應新的能耗要求

，又開始使用穀底導通技術，所以這一類隻能工作在斷續模式。

 

1
、磁芯利用充分
，線圈匝數少，變壓器比較小。

 

2
、Mos管零電流開通，開通無損耗。

 

3、次級二極管零電流關斷，可以不需要使用肖特基二極管。

 

 

1、功率大的情況下，Mos管關斷電流大，相同的平均電流情況下，電流有效值更大，變壓器初級需要更粗的銅線。

 

2、波形越陡峭，趨膚效應會越來越嚴重，需要使用多股線或者更粗的銅線。

 

3
、電解電容紋波電流大。

圖7 臨界模式Flyback的工作波形

 

benpianwenzhangzhuyaojieshaolefumiaopinghenghefanjishidesheji
，xiwangdajianenggouchongfenlijiewenzhangdangzhongdezhishidian。congshidianyuangongchengshixingye，shijianjingyandezhongyaoxingyaoyuanyuandayujichulilundexuexi，zhishidoushizaiwentidejiejueheshijianzhongxuexidaode，erbushiduizheshubensikelilundelaide。zaixiayipianjiaochengdangzhong，jiangweidajiashulifanjikaiguandianyuandeshejiliucheng。