【电源设计】05反激式开关电源

1.反激flayback工作机制分析

1.1简介

• 反激式开关电源是指使用反激高频变压器隔离输入输出回路的开关电源，变压器不仅起到变换电压传输能量的作用，同时还起到储能电感的作用，反激式变压器类似于电感的设计。
• 电路比较简单，易控制，因此是最常用的电气隔离拓扑结构，反激式在20-100W的小功率方面应用非常广泛。
• 反激的变压器可以看作一个带变压功能的电感，是一个buck-boost电路。见1.2原理部分。

1.2原理

• 基本拓扑：
  

• 分析：

• 当开关管导通时：变压器原边电感电流上升，由于反激电路输出线圈同名端相反，因此输出二极管截止，变压器储存能量，负载由输出电容进行能量供应。
  

• 当开关管截止时，变压器原边电感感应电压反向，此时输出二极管导通，变压器的能量通过二极管向负载供电，同时对电容充电。

• 将上图N1、N2换成电感，再进行简单的变换即可得到下图：
  
• 变换过程类似下图：

第1步∶加入隔离变压器;
第2步∶将L和变压器集成在一起，用激磁电感代替L;
第3步:调整变压器次级位置;
第4步:将T移到下方。

• DCM模式：
  DCM模式下，在开关管开通前次级绕组电流为零，此时电容C向负载提供能量。与Boost-buck电路推导过程类似，反激电路电流连续临界条件：
  
  由DCM模式下电压输出输入之比：
  
• 为什么反激电路通常避免工作于连续模式？
  
• 了解变压器输入电压与ton乘积与最大磁通摆幅、匝数、铁心面积之间的关系。再来分析反激型电路电流连续和断续时变压器磁通密度与绕组电流的关系：因为反激型电路变压器的绕组N1和N2在工作中不会同时有电流流过，不存在磁势相互抵消的可能，因此变压器磁心的磁通密度取决于绕组电流的大小。
  
• 从图中可以看出，在最大磁通密度相同的条件下，连续工作时磁通密度的变化范围▲B小于断续方式。在反激型电路中，▲B正比于一次侧每匝绕组承受的电压乘以开关处于通态的时间ton，在电路的输人电压和ton相同的条件下，较大的▲B意味着变压器需要较少的匝数，或较小尺寸的磁心。从这个角度来说，反激型电路工作于电流断续模式时，变压器磁心的利用率较高，较合理，故通常在设计反激电路时应保证其工作于电流断续方式。
• 举例：电脑主机里的开关电源就是反激变换器

1.3原理总结

• 反激是初级工作，次级不工作，两边独立开来,一般工作在DCM模式下，但是变压器的电感会比较小，而且需要加气隙,所以一般适合中小功率情况。
• 反激变压器工作形式可以看做耦合电感;电感先储能，再放能，由于反激变压器的输入、输出电压极性相反，固当开关管断开之后，次级可以提供磁芯一个复位电压，因而反激变压器不需额外增加磁通复位绕组。
• 反激是开关管关断时将能量传送给负载，变压器磁通仅在单方向变化（单端），反激没有磁复位电路，因为次级将能量传送给负载的过程即去磁过程，所以不需要额外的去磁绕组。
  
• 反激型电路的结构最为简单，元件数少，因此成本较低，广泛适用于各种功率为20-100W的小功率开关电源，在各种家电、计算机设备、工业设备中广泛使用的小功率开关电源中基本上都采用的是反激型电路。但该电路变压器的工作时，磁心中磁通沿着交流磁滞回线的第一象限部分上下移动，利用率低，而且开关元件承受的电流峰值很大，不适合用于较大功率的电源。(参考链接: 单端反激式变换器变压器工作状态分析
  )
• LTC3873典型电路：
  
• LTC3873内部原理拓扑：
  

2.反激开关电源设计关键与元器件选型分析

• 选择合理电源IC，若开管集成在IC内部的话，输出电流能力有限。

• 环路合理设计，反馈电阻原理高压部分，不以防止高压部分干扰耦合近反馈回路。

• EMC相关，功率管漏极电压电流波动大，由于变压器次级反射与初级反电动势影响，dv/dt非常大，加类似RCD防护电路。（即开关OFF回路：能量不可能凭空消失，因此需要一个回路来释放电感存储的能量，开关OFF时，通过二极管D6 电阻R10 释放能量，此处的电容与电阻并联，为了避免开关管的高频信号影响直流分量信号，起滤波作用。）
  
  

• 常用选型推荐：NMOS:STB5N80K5(800V，1.75V，4A)

• 其他要点与三种基本拓扑要点一致。

3.典型应用

参考资料：
链接1: 正激与反激—电路分析、设计要点与参数选择
链接2: 单端反激（Flyback）变换器的工作原理
链接3: 什么是电源正激和反激？ 正激和反激有什么区别特点？如何快速区分