反激式开关电源的总结

反激式开关电源的总结

　　开关电源分为：隔离与⾮隔离两种形式，在这主要说⼀下隔离式开关电源的拓扑形式，隔离电源按照结构形式不同，可分为两⼤类：正激式和反激式。反激式指在变压器原边导通时副边截⽌，变压器储能。原边截⽌时，副边导通，能量释放到负载的⼯作状态，⼀般常规 反激式电源单管多，双管的不常见。正激式指在变压器原边导通同时副边感应出对应电压输出到负载，能量通过变压器直接传递。按规格⼜可分为常规正激，包括单管正激，双管正激。半桥、桥式电路都属于正激电路。

　　正激和反激电路各有其特点，在设计电路的过程中为达到最优性价⽐，可以灵活运⽤。⼀般在⼩功率场合可选⽤反激式。稍微⼤⼀些可采⽤单管正激电路，中等功率可采⽤双管正激电路或半桥电路，低电压时采⽤推挽电路，与半桥⼯作状态相同。⼤功率输出，⼀般采⽤桥式电路，低压也可采⽤推挽电路。

　　反激式电源因其结构简单，省掉了⼀个和变压器体积⼤⼩差不多的电感，⽽在中⼩功率电源中得到⼴泛的应⽤。在有些介绍中讲到反激式电源功率只能做到⼏⼗⽡，输出功率超过 100 ⽡就没有优势，实现起来有难度。本⼈认为⼀般情况下是这样的，但也不能⼀概⽽论，PI 公司的TOP 芯⽚就可做300 ⽡，有⽂章介绍反激电源可做到上千⽡，但没见过实物。输出功率⼤⼩与输出电压⾼低有关。

　　反激电源变压器漏感是⼀个⾮常关键的参数，由于反激电源需要变压器储存能量，要使变压器铁芯得到充分利⽤，⼀般都要在磁路中开⽓隙，其⽬的是改变铁芯磁滞回线的斜率，使变压器能够承受⼤的脉冲电流冲击，⽽不⾄于铁芯进⼊饱和⾮线形状态，磁路中⽓隙处于⾼磁阻状态，在磁路中产⽣漏磁远⼤于完全闭合磁路。

　　变压器初次极间的偶合，也是确定漏感的关键因素，要尽量使初次极线圈靠近，可采⽤三明治绕法，但这样会使变压器分布电容增⼤。选⽤铁芯尽量⽤窗⼝⽐较长的磁芯，可减⼩漏感，如⽤EE、EF、EER、PQ 型磁芯效果要⽐ EI 型的好。

　　关于反激电源的占空⽐，原则上反激电源的最⼤占空⽐应该⼩于0.5，否则环路不容易补偿，有可能不稳定，但有⼀些例外，如美国PI 公司推出的 TOP 系列芯⽚是可以⼯作在占空⽐⼤于0.5 的条件下。占空⽐由变压器原副边匝数⽐确定，先确定反射电压（输出电压通过变压器耦合反映到原边的电压值）在⼀定电压范围内反射电压提⾼则⼯作，占空⽐增⼤，开关管损耗降低(RMS 降低)。反射电压降低则⼯作占空⽐减⼩，开关管损耗增⼤。当然这也是有前提条件，当占空⽐增⼤，则意味着输出⼆极管导通时间缩短，为保持输出稳定，更多的时候将由输出电容放电电流来保证，输出电容将承受更⼤的⾼频纹波电流冲刷，⽽使其发热加剧，这在许多条件下是不允许的。

　　占空⽐增⼤，改变变压器匝数⽐，会使变压器漏感加⼤，使其整体性能变，当漏感能量⼤到⼀定程度，可充分抵消掉开关管⼤占空带来的低损耗，时就没有再增⼤占空⽐的意义了，甚⾄可能会因为漏感反峰值电压过⾼⽽击穿开关管。由于漏感⼤，可能使输出纹波，及其他⼀些电磁指标变差。当占空⽐⼩时，开关管通过电流有效值⾼，变压器初级电流有效值⼤，降低变换器效率，但可改善输出电容的⼯作条件，降低发热。如何确定变压器反射电压（即占空⽐）。

　　关于反激电源的占空⽐（我关注反射电压，与占空⽐⼀致），占空⽐还与选择开关管的耐压有关，有⼀些早期的反激电源使⽤⽐较低耐压开关管，如600V或650V 作为交流 220V 输⼊电源的开关管，也许与当时⽣产⼯艺有关，⾼耐压管⼦，不易制造，或者低耐压管⼦有更合理的导通损耗及开关特性，像这种线路反射电压不能太⾼，否则为使开关管⼯作在安全范围内，吸收电路损耗的功率也是相当可观的。

　　实践证明 600V 管⼦反射电压不要⼤于100V，650V 管⼦反射电压不要⼤于120V，把漏感尖峰电压值钳位在50V时管⼦还有50V的⼯作余量。现在由于MOS 管制造⼯艺⽔平的提⾼，⼀般反激电源都采⽤700V 或750V 甚⾄ 800-900V 的开关管。像这种电路，抗过压的能⼒强⼀些开关变压器反射电压也可以做得⽐较⾼⼀些，最⼤反射电压在150V ⽐较合适，能够获得较好的综合性能。

　　PI公司的TOP 芯⽚推荐为135V采⽤瞬变电压抑制⼆极管钳位。但他们的评估板⼀般反射电压都要低于这个数值在110V左右。这两种类型各有优缺点：

第⼀类：缺点抗过压能⼒弱，占空⽐⼩，变压器初级脉冲电流⼤。优点：变压器漏感⼩，电磁辐射低，纹波指标⾼，开关管损耗⼩，转换效率不⼀定⽐第⼆类低。

第⼆类：缺点开关管损耗⼤⼀些，变压器漏感⼤⼀些，纹波差⼀些。优点：抗过压能⼒强⼀些，占空⽐⼤，变压器损耗低⼀些，效率⾼⼀些。

反激电源反射电压还有⼀个确定因素反激电源的反射电压还与⼀个参数有关，那就是输出电压，输出电压越低则 变压器匝数⽐越⼤，变压器漏感越⼤，开关管承受电压越⾼，有可能击穿开关管、吸收电路消耗功率越⼤，有可能使吸收回路功率器件永久失效（特别是采⽤瞬变电压抑制⼆极管的电路）。在设计低压输出⼩功率反激电源的优化过程中必须⼩⼼处理，处理⽅法有⼏个：

1、采⽤⼤⼀个功率等级的磁芯降低漏感，这样可提⾼低压反激电源的转换效率，降低损耗，减⼩输出纹波，提⾼多路输出电源的交差调整率，⼀般常见于家电⽤开关电源，如光碟机、DVB 机顶盒等。

2、如果条件不允许加⼤磁芯，只能降低反射电压，减⼩占空⽐。降低反射电压可减⼩漏感但有可能使电源转换效率降低，这两者是⼀个⽭盾，必须要有⼀个替代过程才能找到⼀个合适的点，在变压器替代实验过程中，可以检测变压器原边的反峰电压，尽量降低反峰电压脉冲的宽度，和幅度，可增加变换器的⼯作安全裕度。⼀般反射电压在110V 时⽐较合适。

3、增强耦合，降低损耗，采⽤新的技术，和绕线⼯艺，变压器为满⾜安全规范会在原边和副边间采取绝缘措施，如垫绝缘胶带、加绝缘端空胶带。这些将影响变压器漏感性能，现实⽣产中可采⽤初级绕组包绕次级的绕法。或者次级⽤三重绝缘线绕制，取消初次级间的绝缘物，可以增强耦合，甚⾄可采⽤宽铜⽪绕制。

　　低压输出指⼩于或等于5V 的输出，像这⼀类⼩功率电源，功率输出⼤于 20W 输出可采⽤正激式，可获得最佳性价⽐，当然这也不是决对的，与个⼈的习惯，应⽤的环境有关系。

　　反激电源变压器磁芯在⼯作在单向磁化状态，所以磁路需要开⽓隙，类似于脉动直流电感器。部分磁路通过空⽓缝隙耦合。为什么开⽓隙的原理本⼈理解为：由于功率铁氧体也具有近似于矩形的⼯作特性曲线（磁滞回线），在⼯作特性曲线上Y 轴表⽰磁感应强度B，现在的⽣产⼯艺⼀般饱和点在400mT以上，⼀般此值在设计中取值应该在 200-300mT⽐较合适、X轴表⽰磁场强度H，此值与磁化电流强度成⽐例关系。磁路开⽓隙相当于把磁体磁滞回线向X轴向倾斜，在同样的磁感应强度下，可承受更⼤的磁化电流，则相当于磁⼼储存更多的能量，此能量在开关管截⽌时通过变压器次级泻放到负载电路，反激电源磁芯 开⽓隙有两个作⽤。其⼀是传递更多能量，其⼆防⽌磁芯进⼊饱和状态。

　　反激电源的变压器⼯作在单向磁化状态，不仅要通过磁耦合传递能量，还担负电压变换输⼊输出隔离的多重作⽤。所以⽓隙的处理需要⾮常⼩⼼，⽓隙太⼤可使漏感变⼤，磁滞损耗增加，铁损、铜损增⼤，影响电源的整机性能。⽓隙太⼩有可能使变压器磁芯饱和，导致电源损坏所谓反激电源的连续与断续模式是指变压器的⼯作状态，在满载状态变压器⼯作于能量完全传递，或不完全传递的⼯作模式。⼀般要根据⼯作环境进⾏设计，常规反激电源应该⼯作在连续模式，这样开关管、线路的损耗都⽐较⼩，⽽且可以减轻输⼊输出电容的⼯作应⼒，但是这也有⼀些例外。

　　需要特别指出：由于反激电源的特点也⽐较适合设计成⾼压电源，⽽⾼压电源变压器⼀般⼯作在断续模式，本⼈理解为由于⾼压电源输出需要采⽤⾼耐压的整流⼆极管。由于制造⼯艺特点，⾼反压⼆极管，反向恢复时间长，速度低，在电流连续状态，⼆极管是在有正向偏压时恢复，反向恢复时的能量损耗⾮常⼤，不利于变换器性能的提⾼，轻则降低转换效率，整流管严重发热，重则甚⾄烧毁整流管。由于在断续模式下，⼆极管是在零偏压情况下反向偏置，损耗可以降到⼀个⽐较低的⽔平。所以⾼压电源⼯作在断续模式，并且⼯作频率不能太⾼。

　　还有⼀类反激式电源⼯作在临界状态，⼀般这类电源⼯作在调频模式，或调频调宽双模式，⼀些低成本的⾃激电源（RCC）常采⽤这种形式，为保证输出稳定，变压器⼯作频率随着，输出电流或输⼊电压⽽改变，接近满载时变压器始终保持在连续与断续之间，这种电源只适合于⼩功率输出，否则电磁兼容特性的处理会很让⼈头痛。

　　反激开关电源变压器应⼯作在连续模式，那就要求⽐较⼤的绕组电感量，当然连续也是有⼀定程度的，过分追求绝对连续是不现实的，有可能需要很⼤的磁芯，⾮常多的线圈匝数，同时伴随着⼤的漏感和分布电容，可能得不偿失。那么如何确定这个参数呢，通过多次实践，及分析同⾏的设计，在标称电压输⼊时，输出达到50%~60%变压器从断续，过渡到连续状态⽐较合适。或者在最⾼输⼊电压状态时，满载输出

时，变压器能够过渡到连续状态就可以了。