單端反激式開關(guān)電源研究與設(shè)計(jì)

1 引言

反激式(Flyback)電路拓?fù)涫亲罨镜墓β首儞Q電路結(jié)構(gòu)之一。因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元器件數(shù)量少和設(shè)計(jì)方便等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于電視機(jī)、DVD和充電器等小功率電器的電源中。反激變換器工作原理與Boost電路相似，可以看作隔離式Boost電路，在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)變壓器原邊電感儲(chǔ)能，關(guān)斷時(shí)能量經(jīng)副邊整流輸出傳遞給負(fù)載。

2 Flyback拓?fù)浣榻B

2.1 連續(xù)導(dǎo)電模式

連續(xù)模式(CCM)下，在下一次開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，變壓器副邊電流尚未降低到零，變壓器總有一個(gè)繞組是有電流流過的，其原邊電流Ip和副邊電流Is如圖1所示。由于二次電流維持時(shí)間長(zhǎng)，在傳遞相同功率條件下，尖峰電流約為斷續(xù)模式的一半。連續(xù)導(dǎo)電模式的缺點(diǎn)是控制環(huán)有一個(gè)右半平面零點(diǎn)，使閉環(huán)補(bǔ)償困難。

圖1 連續(xù)模式變壓器原副邊電流波形

2.2 斷續(xù)導(dǎo)電模式

斷續(xù)模式(DCM)是變壓器能量完全傳遞的工作模式，這樣原副邊有更大的尖峰電流，理想狀況下電流波形如圖2所示。開關(guān)管開通時(shí)，電流已經(jīng)降到零，因此開關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電流導(dǎo)通，減少了開通損耗。開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)沒有二極管反向恢復(fù)問題，而且由于沒有右半平面零點(diǎn)，控制環(huán)路的設(shè)計(jì)更加容易，也不需要斜率補(bǔ)償。與連續(xù)工作模式相比，DCM模式在低功率應(yīng)用場(chǎng)合更加普遍。

圖2 斷續(xù)模式變壓器原副邊電流波形

3 設(shè)計(jì)方法

反激電路拓?fù)渑c正激電路結(jié)構(gòu)相似，但工作原理上卻有很大區(qū)別。常用設(shè)計(jì)方法有能量守恒法和類似正激變換器的設(shè)計(jì)方法，具體見相關(guān)文獻(xiàn)。雖然按照正激變換器的計(jì)算公式

(1)

(2)

(其中，Np為變壓器原邊匝數(shù)，Ns為二次側(cè)匝數(shù)，UR為變壓器一次側(cè)反沖電壓。)

也可以計(jì)算出電路參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但這種方法是將反激電路等效為一個(gè)Boost電路和隔離變壓器共同構(gòu)成的開關(guān)電源系統(tǒng)，UR相當(dāng)于Boost電路的輸出電壓。采用這種方法不利于理解反激變換器的本質(zhì)。因此，我們提出一個(gè)實(shí)例，從電路工作原理入手，介紹基于變壓器電感特性的設(shè)計(jì)方法。

要求：開關(guān)頻率50kHz;輸入功率100W;輸入電壓：85V~265V;

輸出額定電壓20V，輸出電流5A。

電路圖如圖3所示，要求電路工作在斷續(xù)工作模式。

圖3 反激式開關(guān)電源電路圖

開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)間為一個(gè)周期的40%，即8μs，關(guān)斷時(shí)間為12μs，留有2μs的裕量以保障死區(qū)時(shí)間。這樣可以承受一些負(fù)載和應(yīng)力擾動(dòng)，但同時(shí)將增加峰值電流，40%占空比發(fā)生在最小輸入電壓100V和重載時(shí)。使用加有氣隙的鐵氧體磁芯，中心柱面積為100mm2。輸入電壓為100V時(shí)，初級(jí)平均輸入電流為1A。開關(guān)管和變壓器初級(jí)在40%導(dǎo)通時(shí)間里的平均電流為2.5A。則峰值輸入電流是兩倍的平均電流，即5A。由下式可計(jì)算電感的值：

(4)

把di=5A，dt=8μs，V=100V代入，計(jì)算出為L(zhǎng)為160μH。

最小初級(jí)匝數(shù)由需要提供的伏秒

而不是電感確定，伏秒數(shù)與B/H回線上的參數(shù)

相等。選擇最大磁通密度為0.2特斯拉，相比0.35特斯拉的飽和磁密仍有很大裕量(高磁通密度將增加磁芯損耗，但相反因?yàn)樾枰僭褦?shù)會(huì)減少銅損)。最佳選擇是磁芯損耗與銅損相同。這是一個(gè)反復(fù)試驗(yàn)的過程，只有在最后的設(shè)計(jì)階段才能完全確定。下面的公式可以計(jì)算出最小初級(jí)匝數(shù)：

(5)

代入數(shù)值，計(jì)算出初級(jí)匝數(shù)為40。

同樣的，次級(jí)線圈匝數(shù)由所需的次級(jí)電流決定。雖然它是次級(jí)電壓的決定因素，但不像正激變換器一樣是由變壓器行為計(jì)算的。因?yàn)?/p>

，所以匝比和電感的比值關(guān)系為