正激、反激、双管反激、推挽开关电路小结

开关电源电路学习小结1.正激（Forward）电路正激电路的原理图如图1所示：图1、单管正激电路1.1电路原理图说明单管正极电路由输入Uin、滤波电容C1、C2、C3，变压器Trans、开关管VT1、二极管VD1、电感L1组成。其中变压器中的N1、N2、N3三个线圈是绕在同一个铁芯上的，N1、N2的绕线方向一致，N3的绕线方向与前两者相反。1.2电路工作原理说明开关管VT1以一定的频率通断，从而实现电压输出。当VT1吸合时，输入电压Uin被加在变压器线圈N1的两边，同时通过变压器的传输作用，变压器线圈N2两边产生上正下负的电压，VD1正向导通。Uin的能量通过变压器Tran传输到负载。由于N3的绕线方向与N1的相反，VT1导通时，N3的电压极性为上负下正。当VT1关断时，N1中的电流突然变为0，但铁芯中的磁场不可能突变，N1产生反电动势，方向上负下正；N3则产生上正下负的反向电动势，多出的能量将被回馈到Uin。通过上述内容可以看到W3的作用，就是为了能使磁场连续而留出的电流通路，采用这种接线方式后，VT1断开器件，磁场的磁能被转换为电能送回电源。如果没有N3，那么VT1关断瞬间要事磁场保持连续，唯有两个电流通路：一是击穿开关；二是N2电流倒流使二极管反向击穿。击穿开关或二极管，都需要很高电压，使击穿后电流以较高的变化率下降到零；而很高的电流变化率（磁通变化率）自然会产生很高的感生电动势来形成击穿电压。由此可见，如果没有N3，则电感反向时的磁能将无法回收到电源；并且还会击穿开关和二极管。1.3小结1)正激电路使用变压器作为通道进行能量传输；2)正激电路中，开关管导通时，能量传输到变压器副边，同时存储在电感中；开关管关断时，将由副边回路中的电感续流带载；3)正激电路的副边向负载提供功率输出，并且输出电压的幅度基本是稳定的。正激输出电压的瞬态特性相对较好；4)为了吸收线圈在开关管关断时时的反电动势，需要在变压器中增加一个反电动势吸收绕组，因此正激电路的变压器要比反激电路的体积大；5)由于正激电路控制开关的占空比都取0.5左右，而反激电路的占空比都较小，所以正激电路的反激电动势更高。2.反激（Flyback）电路反激电路的原理图如图2所示：图2、反激电路原理图2.1原理图说明如图2所示，反激电路由输入Uin，滤波电容C1、C2、C3，变压器Tran，二极管VD1组成。其中，变压器的原边和副边的绕线方向相反。2.2工作原理开关管以一定的频率导通关断，从而实现电压输出。VT1导通时，Uin加在变压器线圈N1两端，N1的电动势上正下负；此时变压器副边线圈电动势上负下正，二极管VD1截止。VT1关断时，流过N1的电流变为0，但是铁芯中的磁场将无法突变，N1两边将产生上负下正的电动势，此时变压器副边线圈电动势上正下负，二极管VD1导通，副边线圈的能量将被传递到负载。2.3小结1）VT1关断时，VT1两边的电压等于输入Uin的电压加上线圈N1反激的电压，即开关管VT1关断时需要承受两倍的输入电压；2）反激电路中，原边线圈还需要作为电感使用，变压器有直流电流成份,且同时会工作于CCM/DCM两种模式,故变压器在设计时较困难,反复调整次数较顺向式多,迭代过程较复杂。3.双管反激电路双管反激电路的电路原理如图3所示：图3.双管反激DCDC3.1原理图说明双管反激电路由两个同时导通和关断的开关管VT1、VT2；两个钳位二极管VD1、VD2；输入滤波电容C1、C2；输出滤波电容C3；输出整流二极管VD3，高频变压器Trans1组成。钳位二极管在反激的过程中把开关管承受的峰值电压钳制在输入电源电压，可以大大降低每个开关管上的电压应力，扩大了开关管的选择范围；变压器原边起到储能电感的作用。3.2工作原理VT1和VT2同时导通，同时关断。场效应管导通时，能量储存在变压器的磁路中；关断时，磁能转化为电能传至负载。VD1和VD2的接法可以把过剩的反激能量反馈到电源Ui中，同时可以把场效应管承受的峰值电压和原边绕组的钳位电压都钳制在Ui。1）VT1和VT2同时开通，直流电压Ui加在原边绕组上。此时输出整流二极管VD3反向偏置关断，副边绕组没有电流。输入Ui为变压器原边储能，原边电流Ip线性增加Ui/Lp=dIp/dt。此时变压器原边相当于电感，磁芯内磁感应强度将由剩余磁感Br上升到峰值Bp。两只场效应管上的压降为其导通压降。2）当VT1和VT2同时关断时，由于反激作用，变压器上所有的电压反向，钳位二极管把原边绕组的反激电压和开关管两边的电压钳制在输入电压。储存在原边绕组的能量一部分向副边传递，同时有一部分通过钳位二极管VD1和VD2返回给电源。当副边的电流增加至N1/N2*Ip(N1为原边匝数，N2为副边匝数)时，两个钳位二极管停止导通，原边电压Vp降至副边绕组的反射电压（即C3上的电压这算到原边上的电压），场效应管上的压降为（Ui+Uo）。输出三极管VD3导通，副边电流以一定速度衰减dIp/dt=Uo/Ls。当副边绕组电流Is降到零时，原边绕组的电压也将为0，这时场效应管承受的电压为Ui。反激过程中，磁芯磁通密度将由峰值Bp下到剩余磁感应强度Br。经过一段时间后，VT1、VT2同时导通，进入下一个周期。3）在VT1和VT2不同时关断的情况下，电流会通过钳位二极管继续流动。如VT1关断，VT2导通时，电流将在VT2和VD2之间续流，直至VT2关断。VT1和VT2不同时关断对反激影响较小，但是应保持VT1和VT2同时导通关断，因为开关管VT和钳位二极管存在导通内阻，续流将会产生大量的功率损耗，时间越长功率损耗越大，对电源效率和散热不利。3.3小结双管反激的优点如下：1）续流二极管将漏感能量回馈给电源2）有效抑制关断尖峰，是开关管电压应力为输入电压3）不需要额外的吸收电路，开关管承受的反向电压冲击较小由于双管反激电路减小了器件的高压应力，为功率管的选取和保护创造了有利条件，增加系统可靠性。因此，适用用高电压输入的中小功率场合。4.推挽开关电路VT1VT2Trans1VD1VD2LC1RL驱动信号图4、推挽开关电路原理图4.1推挽开关电路原理图说明如图4所示，推挽开关电路原理图由互补通断的开关管VT1和VT2；隔离变压器Trans1,；整流二极管VD1和VD2；滤波电感L，滤波电容C1组成。变压器原边的线圈除了变压，还起到储能的作用。4.2推挽开关电路控制原理说明如图2所示，VT1和VT2由MCU控制互补导通。当VT1导通，VT2关断时，输入电压Ui加在原边线圈上，输入Ui对原边线圈储能，原边电流线性增加Ui/Lp=dIp/dt。此时变压器原边相当于电感，磁芯内的磁感应强度将由剩余磁感应Br上升到峰值Bp。当VT1关断，VT2导通时，由于反激作用，变压器上的所有电压反向。此时，存储在原边的能量被变压器传输到副边。此时输出的整流二极管VD1导通，副边电流以一定的速度衰减dIp/dt=U0/L，当副边的电流下降到0，原边线圈的电压也下降到0V。在反激的过程中，磁芯的磁通密度将由峰值Bp下降到剩余磁感强度Br。在反激的过程中，原边线圈的电压加上输入Ui电压都施加到VT1上，即VT1关断瞬间承受的电压是额定电压的2倍。由于VT1和VT2不可能实现完全的反相动作，当VT1关断但未完全关断，二VT2已经导通时；VT1所在的网络由于反激，产生的电流很小；而VT2所在网络的电流不受VT1线性导通的影响。所以采用推挽结构时，VT1、VT2同时导通不会影响DCDC正常工作，且由于VT1线性状态下流过的电流很小，所以开关管的损耗也较小。4.3电路小结1）推挽式电路采用了对称的结构排布，相当于两个反激电路并联；2）理论上在同一个时间点只有1个开关管导通，开关损耗很小。适用于低输入开关电源；3）开关管在关断时，开关管两侧的电压为输入电压与反激电压之和，即两倍的输入电压；4）变压器原边的绕组只有在交替脉冲下才能激活，即利用率为50%；5）需要在变压器的副边串联电感，在增加滤波功能的同时，使副边的电路演变为BUCK电路拓扑。从而可以通过调节原边开关管的占空比控制输出侧的输出电压。