【導(dǎo)讀】介紹開關(guān)電源的書籍很多，但是大都過于繁雜，學(xué)習(xí)和消化完一本書需要大量的時間精力，而即便完成了這一艱巨的任務(wù)，設(shè)計者也不見得具備獨立設(shè)計一個完整電源系統(tǒng)的能力。這里筆者根據(jù)自己所學(xué)知識和實際經(jīng)驗談下反激式開關(guān)電源的設(shè)計方法，并結(jié)合實例變壓器設(shè)計的詳細(xì)計算過程。
這是筆者去年做完第一個反激式電源后寫的，內(nèi)部有各個元器件選取的詳細(xì)計算公式。關(guān)于RCD鉗位的，目前還沒有非常好的計算方法，采取的是實驗為主的方法，所以大家有好的方法，歡迎補(bǔ)充修改。
開關(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，開關(guān)電源使得設(shè)計門檻大大提高，它要求設(shè)計者在電路和磁學(xué)上必須有深刻的理解。介紹開關(guān)電源的書籍很多，但是大都過于繁雜，學(xué)習(xí)和消化完一本書需要大量的時間精力，而即便完成了這一艱巨的任務(wù)，設(shè)計者也不見得具備獨立設(shè)計一個完整電源系統(tǒng)的能力。
這里筆者根據(jù)自己所學(xué)知識和實際經(jīng)驗談下反激式開關(guān)電源的設(shè)計方法，并結(jié)合實例變壓器設(shè)計的詳細(xì)計算過程。由于筆者接觸開關(guān)電源時間不長，文中疏漏與不當(dāng)之處難免，還望讀者批評指正。
1.基本反激變換器原理
在討論具體的設(shè)計步驟之前，我們有必要介紹一下反激式開關(guān)電源的原理。對于反激式開關(guān)電源，在一個工作周期中，電源輸入端先把能量存儲在儲能元件(通常是電感)中，然后儲能元件再將能量傳遞給負(fù)載。這好比銀行的自動取款系統(tǒng)，銀行工作人員每天在某一時間段向自動取款機(jī)內(nèi)部充入一定數(shù)目的錢(相當(dāng)于電源輸入端向儲能元件存儲能量)，一天中剩下的時間里，銀行用戶從取款機(jī)中將錢取走(相當(dāng)于負(fù)載從儲能元件中獲取能量)。在銀行工作人員向取款機(jī)充錢的時候，用戶不能從取款機(jī)中取錢;客戶正在取錢的階段，銀行工作人員也不會向存款機(jī)里面充錢。這就是反激式開關(guān)電源的特點，任何時刻，負(fù)載不能直接從輸入電源處獲取能量，能量總是以儲能元件為媒介在輸入電源和負(fù)載間進(jìn)行傳遞的。
下面來看圖一，這是反激式變換器的最基本形式，也就是我們常說的buck-boost(或者flyback)拓?fù)?。?dāng)開關(guān)閉合時，輸入電源加在電感L上，流過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際情況)，如下式：
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在之一過程中，電能轉(zhuǎn)換成磁場能量儲存在電感內(nèi)，電感量一定時，時間越長流過電感的電流越大，電感中儲存的能量也就越大，電感內(nèi)部儲能大小如下式：
開關(guān)閉合期間，二極管D是反偏的，輸入到輸出端沒有通路，電源輸入端和電感都不向負(fù)載提供能量。
當(dāng)開關(guān)斷開時，電感需要通過維持電流的恒定來阻止磁通量的突變，但此時電源輸入端和電感之間沒有通路，所以電感兩端的電壓必須反向(原來的上正下負(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能儲存在輸出電容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：
以上討論了一個開關(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行自動取款系統(tǒng)做比喻。試想，如果一天過去后，取款機(jī)里面的錢還有剩余，那么第二天銀行工作人員就必需減少充入的錢的數(shù)目，否則，取款機(jī)就肯定放不下這么多錢。電路中也是一樣，如果開關(guān)關(guān)斷的時候，電感內(nèi)部的能量沒有完全轉(zhuǎn)移出去(被負(fù)載消耗或者存入輸出電容中)，那么接下來開關(guān)閉合的時間Ton就必需減小，否則周而復(fù)始的話，電感中的電流會不斷積累，最終使得電感飽和，換一句話說，為了系統(tǒng)穩(wěn)定工作，必須滿足的條件就是開關(guān)閉合期間電感的電流增加量必須等于開關(guān)斷開器件電流的減小量，即下式：
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以一個完整的周期分析，對上面的式子化簡得到：
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關(guān)閉合時電感上的電壓與開關(guān)閉合時間的乘積等于開關(guān)關(guān)斷時電感上的電壓與開關(guān)關(guān)斷時間的乘積相等，這也就是伏秒數(shù)數(shù)守恒，這兩個乘積其中的一個叫做電感的伏秒數(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，實際上對應(yīng)著電感中儲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，以一個周期為例，從A點到C點間，開關(guān)閉合，電感電流線性上升，在此期間電感電流即開關(guān)管電流;從C點到B點，開關(guān)斷開，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。而流過開關(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，即開關(guān)開啟時間與開關(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算式如下：
從圖一中，我們看到電源輸入端只與開關(guān)管相連，所以輸入電流即開關(guān)管電流，也就是開關(guān)閉合時的電感電流;輸出端只與二極管和電容相連，又因為電容器不可能流過直流，所以平均輸出電流等于平均二級管電流，即有下式成立：
最后我們給出一個很重要的定義，那就是紋波系數(shù)，在不同的書籍和文獻(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的討論和計算，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，整個開關(guān)周期內(nèi)，流過電感的電流始終不為零。當(dāng)輸出電流減小時，相應(yīng)的電感平均電流也減小，如果開關(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。這個時候，每一個周期內(nèi)，開關(guān)閉合時，電感電流從零開始上升，開關(guān)斷開后，電感電流會下降到零。也就是說，此時的KRF等于或者大于1，這就是我們說的臨界工作模式和斷續(xù)工作模式。相對應(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)計過程中，我們可以設(shè)定在某一輸出電流(即輸出功率)時變換器進(jìn)入臨界模式，電流大于設(shè)定值時就進(jìn)入連續(xù)工作模式，小于這一值時進(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，接下來一節(jié)我們開始討論隔離輸出的反激變換器原理。
（待續(xù)...）
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