反激式开关电源原理与实用参考设计模板.doc
反激式变换器原理与实用参考设计模板
【概要】:本文主要详细讲解开关电源技术之反激式变换器拓扑的工作原理、工作模式、以及反激变压器设计模板,并着重说明反激变换器的设计注意事项。本文实用性比较强,在确定设计条件后,依据变压器设计模板一步步计算,新手也可完成变压器设计,对有经验设计者也可起到一定的借鉴作用。
一、反激变换器概述:
反激式转换器又称单端反激式或Buck-Boost转换器,因其输出端在原边绕组关断时获得能量故而得名。在反激变换器拓扑中,开关管导通时,变压器储存能量,负载电流由输出滤波电容提供;开关管关断时,变压器将储存的能量传送到负载和输出滤波电容,以补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量。
优点:
a.电路简单,能高效提供多路直流输出,因此适合多组输出要求;
b.输出电压可升可降,输入电压在很大的范围内波动时,仍可有较稳定的输出,一般可实现交流输入85~265V间,无需切换而达到稳定输出的要求;
c.转换效率高,损失小;
D.变压器匝数比值较小。
缺点:
a.输出电压中存在较大的纹波,负载调整精度不高,因此输出功率受到限制,通常应用于中小功率300~500W以下;
b.反激变压器实质上是耦合电感,既变压又储能,在电流连续(CCM)模式下工作时,有较大的直流分量,需防止磁芯饱和,所以必须在磁路中加入气隙,从而造成变压器体积变大;
c.变压器有直流电流成份,且随着负载变化会工作于CCM/DCM两种模式,故变压器在设计时较困难,反复调整次数会较多。
二、反激变换器工作原理简述:
以隔离反激式转换器为例(如上图),简要说明其工作原理:当开关管VT导通时,变压器T初级Np有电流Ip,并将能量储存于其中(E=Lp*Ip2/2)。由于初级Np与次级N2极性相反,此时次级输出整流二极管D反向偏压而截止,无能量传送到负载。当开关管VT关断时,变压器原边绕组电压反向,此时输出整流二极管VD正向导通,负载电流Io流经输出整流管。
反激式变换器之稳态波形如下图(CCM):
由图可知,开关管Q导通时间Ton的大小将决定Ip、Vds的幅值:
Vds(max)=Vin/1-Dmax。
(其中Vin:输入直流电压;Dmax:最大占空比Dmax=Ton/T)。
由此可知,想要得到低的漏极电压,必须保持低的Dmax,也就是Dmax<0.5,在实际应用中通常取Dmax=0.45,以限制VDs(max)≦2Vin。
???开关管VT导通时的漏极工作电流Id,也就是原边峰值电流Ip,根据磁势平衡原则即原副边安匝数相等NpIp=N2I2可导出等式:Id=Ip=I2/n(n=Np/N2)。
在临界连续模式下:
原边电流峰值Ipk:Ipk=??2Po/(η×Vin×Dmax)(η:转换器的效率)。
推导过程如下:
Po=?Lp*Ipk2*η/2T?。
Vin=Lp*Ipk*f/Dmax??或????Lp=Vin*Dmax/(Ipk*f)
说明:Vin:最小直流输入电压;
Dmax:最大占空比;
Lp:变压器初级电感;
Ip:变压器原边峰值电流;
f:转换频率
由上述理论可知,转换器的占空比与变压器的匝数比受限于开关管耐压值与最大漏极电流,而此两项是导致开关管成本上升的关键因素,因此设计时需综合考量做取舍。
三、工作模式简述:
1.工作模式介绍:
反激变换器分两种工作模式:DCM和CCM,实际工作时,随负载变化,一般都跨越这两种
工作模式。
(1)电感电流不连续模式DCM(discontinuousCurrentMode)或称“完全能量转换”:Ton时储存在变压器中的所有能量在反激周期(Toff)中都转移到输出端。
(2).电感电流连续模式CCM(ContinuousCurrentMode)或称“不完全能量转换”:储存在变压器中的一部分能量在Toff末保留到下一个Ton周期的开始。
当变换器输入电压Vin在一个较大范围内发生变化,或是负载电流Io在较大范围内变化时,必然跨越这两种工作方式,因此反激式转换器要求在DCM/CCM都能稳定工作。但在设计上是比较困难的,通常采用DCM/??CCM临界状态作设计基准,并配以电流模式控制PWM的方法来设计的。
在稳定状态下,反激变压器磁通增量ΔΦ在ton时的变化必须等于在toff时的变化,否则会造成磁芯饱和。故ΔΦ=Vin*Ton/Np=Vs*Toff/N2,即变压器原边绕组每匝的伏特/秒值必须等于副边绕组每