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隔离电源拓扑(变压器引入Buck及Boot拓扑) [复制链接]

 隔离电源拓扑(变压器引入Buck及Boot拓扑)

 

电源的输入回路和输出回路之间没有直接的电气连接,输入和输出之间是绝缘的高阻态,没有电流回路,采用变压器的隔离电源如下图所示:

image-20220610184620-1.png  

隔离电源与非隔离电源,如下图。

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此帖出自电源技术论坛

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  1. 正激变换器

 

     正激式变换器,一种直流-直流变换器。变换器中的变压器在隔离或升压、降压时,原边线圈和副边线圈同时工作。

     正激变换器工作原理

      image-20220610184834-1.png  

 

image-20220610184834-2.png  

 



正激变换器特点

输出电压电流纹波较小;

变压器磁芯单边磁化;

开关管峰值电流较低;

变压器是个纯粹的变压器;

变压器铁芯不必加气隙; 但在有的铁芯中为了减少Br, 需加很小的气隙.

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双管正激

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  1. 反激变换器

 

反激变换器是由BUCK-BOOST 变换器推演而来的

反激(Flyback) 型电路的结构见下图。该电路可以看成是将boost-buck电路中的电感换成相互耦合的电感N1和N2得到的。因此反激型电路中的变压器在工作中总是经历着储能一放电的过程。

image-20220610185035-1.png  

image-20220610185035-2.png  

反激变换器的设计步骤,并以一个6.5W 隔离双路输出的反激变换器设计为例,主控芯片采用NCP1015。

image-20220610185035-3.png  

 

 

 

基本的反激变换器原理图如图  所示,在需要对输入输出进行电气隔离的低功率(1W~60W)开关电源应用场合,反激变换器(Flyback Converter)是最常用的一种拓扑结构(Topology)。简单、可靠、低成本、易于实现是反激变换器突出的优点。

image-20220610185035-4.png  

 

设计步骤如下:

image-20220610185035-5.png  

 

确定输入电容Cbulk

 

Cbulk 的取值与输入功率有关,通常,对于宽输入电压(85~265VAC),取2~3μF/W;对窄范围输入电压(176~265VAC),取1μF/W 即可,电容充电占空比Dch 一般取0.2 即可。

image-20220610185035-6.png  

 

确定最大占空比Dmax

反激变换器有两种运行模式:电感电流连续模式(CCM)和电感电流断续模式(DCM)。两种模式各有优缺点,相对而言,DCM 模式具有更好的开关特性,次级整流二极管零电流关断,因此不存在CCM 模式的二极管反向恢复的问题。

image-20220610185035-7.png  

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确定变压器初级电感Lm

image-20220610185035-9.png  

确定变压器初级电感Lm

其中,fsw 为反激变换器的工作频率,KRF 为电流纹波系数

选择合适的磁芯以及变压器初级电感的匝数

开关电源设计中,铁氧体磁芯是应用最广泛的一种磁芯,可被加工成多种形状,以满足不同的应用需求,如多路输出、物理高度、优化成本等。

实际设计中,由于充满太多的变数,磁芯的选择并没有非常严格的限制,可选择的余地很大。其中一种选型方式是,我们可以参看磁芯供应商给出的选型手册进行选型。如果没有合适的参照,可参考下表:

image-20220610185035-10.png    image-20220610185035-11.png  

 

 

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原理图

image-20220610185035-19.jpeg   PCB设计实例

image-20220610185035-20.png  

反激的重要波形

image-20220610185035-21.png  

当开关管开通,电感的电流上升,可以看出它的电流的图形和BUCK-BOOST 的图形是非常的相似的,它的区别就是在一个原副边的匝比上面而已,这里也可以看出其变压器的就是一个电感的作用。

      image-20220610185035-22.png  

上图是开关管的开通电流波形和续流二极管导通的波形,由波形我们也可以看出,开关管的波形加上续流二极管的电流波形就是电感的电流波形。

 

反激变换器的设计问题

 

必须选择合适的反激式转换器组件,以便能够处理必要的电流和电压应力。

image-20220610185035-23.png  

 

所有这些应力均与变压器有关:匝数比、电感。

占空比、匝比这些都是要工程师来设计的,在输入的有最小电压,最大电压,它都有对应的占空比,中间还有一个稳态的工作电压,你要优化在这个点上的效率,当然很少有工程师想的那么多,因为一般反激的应用都是在小功率的场合,对应效率的要求也不是那么苛刻。而且对于尺寸大小要求很高,所以频率要做得很高,应用的功率也不是很大,效率低一点,这个做出来的损耗也不是很大。

 

反激式电路实例

隔离型

image-20220610185035-24.png  

上图设计实例是用国半LM5020 的做的反激变换器,这是一个隔离型的反激变换器,大家可以看到它上面有个光耦,光耦一定要把CTR(电流传输比)设置在线性区域,如果不在线性区域当控制环路在调整的时候,CTR 就会变,那么它就会影响到反馈的环路,影响到整个电路的稳定性。这里大家可以参考一下啊,这个电路无论是光耦的供电还是型号的传输都是隔离的,它真正的起到了电气隔离和型号的隔离。

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  1. 推挽式变换器

 

推挽电路的构成

电路包括: Q1、 Q2、 T1、 D1、 D2

      基本工作原理: Q1、 Q2交替导通, 向副边传递能量

image-20220610185142-1.png  

 

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image-20220610185142-4.png  

 

推挽DC-DC变换器

image-20220610185142-5.png  

 推挽式DC-DC变换器的主电路中整流二极管DR1和DR2

的左侧是逆变电路右侧是整流、滤波电路。 输出整流电路有三种基本类型全波整流电路、全桥整流电路和倍流整流电路。全波整流电路适用于输出电压

较低的场合可以减小整流电路中的通态损耗全桥整流电路适用于输出电压较高的场合可以降低整流管的

电压额定值。图中为全波整流电路L f 是输出滤波电感

C f 是输出滤波电容。推挽直流变换器可看成是两个

Forword变换器的组合这两个Forword变换器的开关管

轮流导通故变压器铁芯是交变磁化的。全波整流电路

变压器副边有两个绕组他们的匝数相等图中还接有

续流管D FW 但也可不接。

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半桥式变换器

 

      image-20220610185441-1.png  

输出为全波整流电路的半桥直流变换器的主电路

 

image-20220610185441-2.png  

 

半桥式DC-DC变换器原理及设计 推挽直流变换器开关管承受反向电压至少是电源电压的两倍,因而大多用于电源电压较低的场合。半桥变换器开关

管承受的反向电压为电源电压,故可在电源电压较高的场合应用。半桥变压器是由半桥逆变器、高频变压器和输出整流滤波电路组成因而也属于直流-交流-直流变换器。

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半桥式变换器

 

      image-20220610185553-1.png  

输出为全波整流电路的半桥直流变换器的主电路

 

image-20220610185553-2.png  

 

半桥式DC-DC变换器原理及设计 推挽直流变换器开关管承受反向电压至少是电源电压的两倍,因而大多用于电源电压较低的场合。半桥变换器开关

管承受的反向电压为电源电压,故可在电源电压较高的场合应用。半桥变压器是由半桥逆变器、高频变压器和输出整流滤波电路组成因而也属于直流-交流-直流变换器。

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