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典型返驰式拓扑设计——实现最佳化电源

典型返驰式拓扑设计——实现最佳化电源

返驰式(flyback)拓朴是最常见的隔离式电源拓朴结构,因为它可以用一个低边开关电晶体和有限的外部元件数提供多个隔离输出。不过,返驰式电源也存在一些特殊性,如果设计人员没有充分理解并对其进行分析,就可能限制它的整体表现。针对这种拓朴结构,本文将以非常简单的数学方法揭开所有返驰式电源设计神秘面纱,指导设计人员完成一个最佳化的设计。返驰式转换器根据应用的不同,直流-直流应用(DC/DC应用)可能需要
返驰式(flyback)拓朴是最常见的隔离式电源拓朴结构,因为它可以用一个低边开关电晶体和有限的外部元件数提供多个隔离输出。不过,返驰式电源也存在一些特殊性,如果设计人员没有充分理解并对其进行分析,就可能限制它的整体表现。

针对这种拓朴结构,本文将以非常简单的数学方法揭开所有返驰式电源设计神秘面纱,指导设计人员完成一个最佳化的设计。

返驰式转换器

根据应用的不同,直流-直流应用(DC/DC应用)可能需要多个输出,而且需要输出隔离。此外,输入与输出的隔离可能必须符合安全标準或提供阻抗匹配。

隔离式电源不仅能防止用户接触到潜在的致命电压和电流,而且还有性能方面的优势。利用中断接地迴路,隔离式电源可以保持仪器精密度,并能在不牺牲匯流排优点的条件下顺利地透过负电源匯流排提供正稳压电压。

对设计人员来说,返驰式拓朴结构歷来是输出功率100W以下的电源隔离式转换器的首选。这种拓朴结构只需要一个磁性元件和一个输出整流管,因而具有简单和低成本的优势,同时它也可以轻鬆实现多工输出。

但返驰式拓朴结构的缺点是需要一个高容值的输出电容器,功率开关管和输出二极体的电流应力较高,气隙区涡流损耗较高,变压器铁芯较大以及可能存在的EMI问题。

返驰式转换器源于降压-升压拓朴结构,其主要缺点是只在开关MOSFET导通时间内才从源极收集能量。在后来的切断期间,来自一次侧绕组的这种能量从电感传递到输出端。这是返驰式和降压-升压拓朴结构的特点。(图1)



图1:执行在连续导通模式下的典型返驰式电源。

一次侧电流和二次侧电流同时流过时,返驰式变压器并不像传统变压器那样正常工作,实际上只有一小部份能量(磁化能量)被储存在变压器中。返驰式变压器更像是同一铁芯上的多个电感器,而非一个典型的变压器。理想的情况是,变压器并不储存能量,所有的能量都在瞬间从一次侧转移到二次侧。

返驰式变压器可作为储能装置,能量储存在铁芯的气隙或坡莫合金粉芯的分佈式气隙当中。

电感变压器的设计应尽量减少漏电感、交流绕组损耗和磁芯损耗。

漏电感(Leakage inductance)是一次侧电感的一部份,未与二次侧电感相互耦合。保持尽可能低的漏电感十分重要,因为它会降低变压器的效率,还会导致开关元件的漏极出现尖峰。漏电感可被看作为储存在变压器中的部份能量,它不会转移到二次侧和负载。这种能量需要通过一个外部缓衝器在一次侧耗散掉。缓衝器的配置将在后面予以讨论。

当MOSFET开启且电压施加在一次侧绕组时,一次侧电流线性上升。输入电流的变化是由输入电压、变压器一次侧电感和导通时间决定的。在这段时间内,能量被储存在变压器铁芯中,输出二极体D1被反向偏置,能量不会转移到输出负载。当MOSFET关闭时,磁场开始下降,颠倒了一次侧和二次侧绕组之间的极性。D1被正向偏置,能量转移到负载。

断续传导模式与连续传导模式:

返驰式转换器像任何其他的拓朴结构一样有两种不同的工作模式──断续导通模式(DCM)和连续导通模式(CCM)。当输出电流的增加超过一定值时,断续模式设计电路将转为连续模式。在断续模式时,导通时间内储存在一次侧的所有能量都会于下一週期开始之前完全转移到二次侧和负载;而且,在二次电流达到零值和下一个週期开始间的瞬间还会有死区时间。在连续模式下,当下一个週期开始时,仍会有一些能量留在二次侧。返驰式转换器可以在两种模式下执行,但它具有不同的特徵。

断续导通模式 一方面具有较高的峰值电流,因此在切断时有较高的输出电压尖峰。另一方面,它具有更快的负载瞬态响应,一次侧电感较低,因此变压器尺寸可以较小。二极体的反向恢復时间并不重要,因为在反向电压施加之前正向电流为零。在断续导通模式下,电晶体的开启随零集电极电流出现,降低了传导EMI的噪音。

连续导通模式 具有较低的峰值电流,并因此降低了输出电压尖峰。但由于它的右半平面(RHP)零点迫使转换器的总频宽降低,所以其控制迴路比较复杂。由于连续导通模式对大多数应用而言是更加的选择,因此以上仅对该模式进行了更多的细节分析。
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