反激式开关电源设计

反激式开关电源设计对一般变压器而言，原边绕组的电流由两部分组成，一部分是负载电流分量，它的大小与副边负载有关；当副边电流加大时，原边负载电流分量也增加，以抵消副边电流的作用。另一部分是励磁电流分量，主要产生主磁通，在空载运行和负载运行时，该励磁分量均不变化。励磁电流分量就如同抽水泵中必须保持有适量的水一样，若抽水泵中无水，它就无法产生真空效应，大气压就无法将水压上来，水泵就无法正常工作；只有给水泵中加适量的水，让水泵排空，才可正常抽水。在整个抽水过程中，水泵中保持的水量又是不变的。这就是，励磁电流在变压器中必须存在，并且在整个工作过程中保持恒定。正激式变压器和上述基本一样，初级绕组的电流也由励磁电流和负载电流两部分组成；在初级绕组有电流的同时，次级绕组也有电流，初级负载电流分量去平衡次级电流，激励电流分量会使磁芯沿磁滞回线移动。而初次级负载安匝数相互抵消，它们不会使磁芯沿磁滞回线来回移动，而励磁电流占初级总电流很小一部分，一般不大于总电流10％，因此不会造成磁芯饱和。反激式变换器和以上所述大不相同，反激式变换器工作过程分两步：第一：开关管导通，母线通过初级绕组将电能转换为磁能存储起来；第二：开关管关断，存储的磁能通过次级绕组给电容充电，同时给负载供电。可见，反激式变换器开关管导通时，次级绕组均没构成回路，整个变压器如同仅有一个初级绕组的带磁芯的电感器一样，此时仅有初级电流，转换器没有次级安匝数去抵消它。初级的全部电流用于磁芯沿磁滞回线移动，实现电能向磁能的转换；这种情况极易使磁芯饱和。磁芯饱和时，很短的时间内极易使开关管损坏。因为当磁芯饱和时，磁感应强度基本不变，dB/dt近似为零，根据电磁感应定律，将不会产生自感电动势去抵消母线电压，初级绕组线圈的电阻很小，这样母线电压将几乎全部加在开关管上，开关管会瞬时损坏。由上边分析可知，反激式开关电源的设计，在保证输出功率的前提下，首要解决的是磁芯饱和问题。如何解决磁芯饱和问题？磁场能量存于何处？将在下一篇文章：反激式开关电源变压器设计的思考二中讨论。反激式开关电源设计的思考二---气隙的作用王佰营徐丽红wbymcs51.blog.bokee.net“反激式开关电源设计的思考一”文中，分析了反激式变换器的特殊性防止磁芯和的重要性，那么如何防止磁芯的饱和呢？大家知道增加气隙可在相同ΔB的情况下，ΔIW的变化范围扩大许多,为什么气隙有此作用呢?由全电流定律可知:由上例可知，同一个磁芯在电流不变的条件下，仅增加1mm气隙，加气隙的磁感强度仅为不加气隙的磁感应强度的4.8%，看来效果相当明显。加了气隙后，是否会影响输出功率呢？换句话说，加了气隙变压器还能否储原来那些能量呀？看一下下面的例子就知道了：在“思考一”一文中已讨论过，当开关管导通时，次级绕组均不构成回路，此时，变压器象是仅有一个初级绕组带磁芯的电感器一样，母线将次级需要的全部能量都存在这个电感器里。如下图1就是一个有气隙的电感器：图1表示一个磁芯长为lm，气隙长为lg，截面积为Ae的磁芯，在其上绕N匝线圈，当输入电压为Ui时，输入功率为Wi：6式右边的积分为图2中阴影部分面积A，即就是说：磁场能量的大小等于磁化曲线b和纵轴所围成的面积大小。图1中，假定磁路各部分的面积相等，磁芯各部分的磁场强度为Hm，气隙部分的磁场强度为Hg，由全电流定律得：11式右边第一项是磁芯中的磁场能量，第二项是气隙部分的磁场能量，分别用Wi和Wg表示；那么：图3中，曲线m表示图1电感器无气隙时的磁化曲线，曲线g表示有气隙时的磁化曲线。图中，面积Am表示储存在磁芯部分的磁场能量；面积Ag表示储存在气隙部分的磁场能量。上面讲了气隙的作用以及磁场能量在变压器中的分布，那么，根据输出功率如何选用磁芯呢？将在反激式开关电源设计思考三中讨论。反激式开关电源设计的思考三---磁芯的选取字体大小：大|中|小2007-03-0914:11-阅读：4852-评论：2反激式开关电源设计的思考三(磁芯的选取)王佰营徐丽红wbymcs51.blog.bokee.net在DCM状态下选择：Uin－电源输入直流电压Uinmin－电源输入直流电压最小值D－占空比Np－初级绕组匝数Lp－初级绕组电感量Ae－磁芯有效面积Ip－初级峰值电流f－开关频率Ton－开关管导通时间I－初级绕组电流有效值η－开关电源效率J－电流密度通过（3）式可方便计算出反激式开关电源在电流断续模式时磁芯的AeAw值，通过查厂商提供的磁芯参数表就可选择合适的磁芯，在选择磁芯时要留一定的余量。例如：有一反激式开关电源输出功率为10W，开关频率为40KHz,ΔB为0.16T，电流密度取4.5A/mm2磁芯选用EE系列，那么由公式（3）可知：考虑到实际绕线的绝缘层等的影响，须考虑填充系数(取0.8),即：Ap=AeAw/0.8=1.736×1000/0.8=2207.5通过上面计算,ＥＥ１９磁芯比较接近,考虑到辅助绕组和其他因素选择ＥＥ２０磁芯。为计算方便,(3)式可修正为：Ap=AwAe=6500×P0/(△B×J×f)(4)单位：P0-----瓦特；△B----特斯拉J------安培/平方毫米f------千赫兹Ap------毫米的四次方在实际使用中一定要注意公式的应用条件，公式（4）是在单端反激式开关电源电流断续模式下推导出来的，并且用了一系列假设：1．窗口使用系数SF：0.42．初级绕组面积Ap=次级绕组面积As3．当直流输入电压最低时Dm=0.54．电源效率η=0.85．填充系数为0.8因此，该计算值在使用中要根据实际情况酌情修正，并且作为我们选择磁芯的一个大致参考，由于工艺的原因必须通过实践验证而最终确定。另外单端反激式开关电源中，他激式和自激式的效率差别比较大，一般自激式的效率比较低，大概在0.7左右，使用公式（4）时要乘以(0.8/0.7=)1.15进行修正。磁芯选好后，在反激式开关电源设计过程中应该遵循的规则将在反激式开关电源设计的思考四中讨论。反激式开关电源设计的思考四－反激式开关电源设计应遵循的规则字体大小：大|中|小2007-03-2016:41-阅读：1783-评论：10反激式开关电源设计的思考四－反激式开关电源设计应遵循的规则王佰营徐丽红()由于反激式开关电源的特殊性，在设计时要特别考虑的问题就多一些，归纳起来有如下几点：一、任何时刻开关管上所承受的电压都要低于它所能够承受的最大电压，并且要有足够的安全裕量；以此为出发点，就确定了变压器的变化；Ucemax=Uinmax+N·Uo+Upk+Uy式中：Ucemax－开关管所能承受的最大电压N－变比初级匝数Np/次级匝数NsUin－直流输入电压最大值Uo－输出电压Upk－漏感所产生的电压Uy－电压裕量此式很重要一点，就是确定了变比N，变比一确定一系列问题就确定下来；比如：反射电压：VoR＝N·Vo;占空比：D=VoR/(Vin+VoR);导通时间：Ton=D·T变比一定要选择合适，以使电路达到优化；若使用双极型晶体管对其基电极的控制很重要，因为它影响着Vcemax的大小：VcesVcerVceo;在ce间承受最高电压时最好保证be结短接或者反偏,此时晶体管就可承受较高的反偏电压.二、任何时刻都应保证磁芯不饱和；由于反激式开关变压器的特殊性，磁芯饱和问题在反激式变换器的设计中尤为重要。一旦磁芯饱和，开关管瞬间就会损坏。为防止磁芯饱和反激式开关变压器磁芯一般都留气隙，显著扩大磁场强度的范围，但仅靠气隙并不能完全解决磁芯饱和的问题，由磁感应定律很容易得出：由（1）式知：磁感应强度与输入电压和导通时间有关。在输入电压一定时，由反馈电路保证Ton的合适值。在工作过程中，根据磁饱和的形式分两种情况：一种是：一次性饱和：当反馈环路突然失控时，在一个周期内导通一直持续，直到过大的Ip使磁芯饱和而使开关管立即损坏；另一种是：逐次积累式饱和：磁芯每个周期都有置位与复位动作，反激式开关电源磁芯置位是由初级绕组来实现，磁芯复位是由次级绕组和输出电路来实现。当电路等设计不当时，每次磁芯不能完全复位，一次次的积累，在若干周期内磁芯饱和。就像吹气不一样，一口气吹破就相当磁芯一次性饱和；每吹一次，就排气，但每次排气量都比进气量少一点，这样循环几次后，气球就会被撑破的；若每次充排气量相同，气球就不会破的，磁芯也是如此，如下图：磁芯从a→b→c为置位，从c→d→a为复位，每个周期都要回到a，磁芯就不会饱和。对于反激式开关电源的断续模式，磁芯复位一般是不成问题的。三、始终保持变换器工作于一个模式如CCM或DCM；不要在两个模式之间转换，这两种模式不同，对反馈回路的调节电路要求也不同，在考虑某一种模式而设计的调节电路，如运行到另一模式时易引起不稳定或者性能下降。四、保证最小导通时间不接近双极性开关管的存储时间；（MOSFET管例外）在设计反激式开关电源时，特别在开关电源频率较高、直流输入电压最高，负载又较轻时，开关导通时间Ton最小，若这个时间接近或小于双极性晶体管的存储时间（0.5μs~1.0μs）时，极易造成开关管失控，而使磁芯饱和。此时就要重新审视开关频率的选择，或能否工作于如此高电压或者通过调节占空比来适应。或者选用其他电路拓扑。五、不要将变换器的重要元件的参数选得接近分布参数；具体来说，电阻不要太大，电容器和电感器不要太小。（1）许多反激式开关电源都有一个振荡频率，由IC芯片提供，如UC3842，由RC决定，当把R选择太大，C太小时，就易使稳定性特别差；如电容C小得接近分布参数，也就是说取掉该电容由线路板及其它元件间的分布参数而形成的容值都和所选的电容容值差不多；或者所选电阻太大以至于线路板上的漏电流所等效的阻值都和所选的电阻大小差不多；这将造成工作不稳定，如温度或湿度变化时其分布参数也跟着变化，严重影响振荡的稳定性。R一般不要大于1M欧，C一般不要小于22PF。（2）反激式开关电源的输出功率如下式：（DCM）注意:由于笔误,应为:U2=U*U,D2=D*D由（2）式可知：在电流断续模式时，当电压和频率固定的情况下，输出功率和变压器的初级电感成反比。即要增加功率就要减小初级绕组的电感量。反激式开关变压器的特殊性：当开关管导通时变压器相当于仅有初级绕组的一个带磁芯的电感器，当这个电感器小到一定值时就不可太小了，当小至和分布电感值差不多时，这样变压器的参数就没有一致性，工作稳定性差，可能分布参数的变化都会使整个电感值变化一少半，电路的可靠性就无从谈起。初级电感值至少应是分布电感的10倍以上。（3）同样道理，磁芯的气隙也不可选的太少，太小的话，磁芯稍微的变动（如热胀冷缩）对气隙来说都显得占的比例很大，这样的变压器就无一致性可言，更无法批量生产。六、反激式变换器的输出滤波电容比起其它拓扑形式的电路所受的冲击更大,它的选择好坏对整个电源的性能及寿命有举足轻重的作用。选择时，一般是按纹波电压要求初选电容值，用电容的额定纹波电流确定电容值，这样比较安全稳妥。当然，耐压值和温度等级也要足够。七、降低损耗，遏制温升，提高效率，延长寿命开关电源内部的损耗主要分四个方面：（1）开关损耗如：功率开关，驱动；（2）导通损耗如：输出整流器，电解电容中电阻损耗；（3）附加损耗如：控制IC，反馈电路，启动电路，驱动电路；（4）电阻损耗如：预加负载等；在反激式开关电源中，功率开关和驱动以及输出整流部分占损耗的90％多，磁性元件占5％，其它占5％；损耗直接影响效率，更影响电源的稳定性和工作寿命。损耗都以发热而表现出来，晶体管和电容和磁性元件都对温度很敏感；下面看一下温度的影响：（1）温度每升高10℃，电解电容的寿命就会减半（2）在高温和反向电压接近额定值时，肖特基二极管的漏电很严重，就像阴阳极通路一样；（3）通用磁性材料，从25℃到100℃饱和磁感应强度下降30％左右；在这里，磁性材料的损耗虽然说占比例很小但是它对整个开关电源的影响非常大。比如在正常工作时，设计的最大磁通密度偏大，由于温升的原因将使饱和磁感应强度下降，再加上反馈回路的延迟效应