反激式变换器简介：参数、拓扑和控制器

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反激式变换器简介：参数、拓扑和控制器 [复制链接]

反激式变换器是用于医疗设备和笔记本电脑等应用的多功能电力电子器件。这种变换器也称为隔离式升降压变换器，其电路简单，可以调节系统的输出电压(VOUT)，同时最大限度地减少电磁干扰 (EMI)。

 

 反激式变换器的参数和拓扑 在反激式变换器中，电感被分割以形成耦合电感，它也被称为反激式变压器。耦合电感将变换器的输入与其输出隔离。图 1 为反激式变换器的示意图，其组成如下：

 

 

图1: 反激式变换器拓扑

 

反激式变换器注意事项 选择反激式变换器时，需要考虑一些重要的因素，其中包括确定一些基本参数，例如VIN、VOUT、LP和LS。下面列出了另外一些注意事项：

变压器匝数比NP:NS（NP为原边绕组匝数，NS为副边绕组匝数）直接影响VOUT。如果 NS增加，则 VOUT按比例增大；如果NS减小，VOUT也成比例减小。NP 与VOUT的关系则成反比，NP增加，VOUT 按比例减少；反之亦然。

占空比是导通时间与总开关周期的比率(tON / τSW)。占空比根据 VOUT和变压器匝数比确定 VIN；占空比越高，VOUT越高。

保护机制和隔离能力对于反激式变换器满足 UL 1577 和 IEC 62368 等安全标准至关重要。可针对 EMI 性能来优化保护功能，以确保设备不会在次优条件下运行。

 

反激式变换器操作 反激式变换器工作的本质是存储和传输能量。其工作周期包括导通时间(tON)和关断时间(tOFF)，它们由 MOSFET 的开关状态来控制（见图 2）。tON期间，MOSFET处于导通状态，电流从输入端流经LP，为耦合电感充电；tOFF期间，MOSFET 处于关断状态，耦合电感通过二极管消磁，然后该电流为 COUT充电并为负载供电。这个过程可以简化为以下几个步骤：

tON开始。当 MOSFET 导通时，电流流过LP，能量存储在变压器的磁场中。
tON结束。

tOFF开始。当 MOSFET 关断时，存储的能量通过副边二极管/MOSFET 传输到输出，对COUT充电并提高VOUT。
tOFF结束。

 

 

图2:tON和tOFF

 

这个周期不断循环，从而实现VOUT的调节。 尽管反激式变换器都遵循上述整体流程工作，但仍然可以选择一些其他流程和模式来提升效率。

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连续导通模式 (CCM) 和断续导通模式 (DCM) 反激式变换器可以在连续导通模式 (CCM) 或断续导通模式 (DCM) 下运行。

在 CCM 模式下，MOSFET 在电感完全放电之前从 tOFF切换到tON，从而防止电感电流(IL)降至零。在 DCM 模式下，能量则被完全释放，这意味着有一段时间IL为零；当 IL为零时，二极管和 MOSFET 均处于关断状态。 由于 CCM 具有恒定电流，因此建议在负载变化的应用中采用此模式，因为它可以提供更稳定的 VOUT。对于中等或重载应用，CCM 也通常更加有利。

但对轻载而言，则建议采用DCM模式。在 DCM 模式下，轻载瞬态响应更快；而且，如果副边二极管/MOSFET 在tOFF期间具有零电流开关 (ZCS)，DCM的效率也更高。ZCS在电流一达到零时就立即关断开关器件，可降低开关器件的功耗。 表 1 对这两种模式进行了简要的比较。

表1: CCM 和 DCM

  
原边调节 (PSR) 和副边调节 (SSR) 反激式变换器面临的最大难点之一是保持输入与输出之间的隔离，这种隔离将变换器分为原边和副边。 有了原边调节 (PSR)，变换器可以用很少的组件来调节输出。辅助绕组与输入电压共享相同的接地参考，因此无需外部光耦合器（见图 3）。而辅助变压器与VOUT相关，因此可以利用变压器的匝数比来控制系统。

 

 
图3: 原边调节

 

建议将 PSR 用于高压应用，因为它可以降低隔离电压要求，从而降低总成本。不过，PSR 在IL最低时对电压进行采样，因此不能提供持续的监控，这也意味着调节时间较长。

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副边调节（SSR）能够提供更精确的调节。在 SSR 中，VOUT被直接采样，并通过光耦合器，在不破坏隔离屏障的情况下将该信号发送到变换器（见图 4）。SSR 还允许设计人员利用其他方法来进一步优化调节，例如使用升级绕组或加权反馈。

 

 
图4: 副边调节

 

但是，SSR 需要额外的外部元件。这会增加解决方案的尺寸和成本，并且还会降低系统的可靠性，因为更多的组件意味着更多的故障可能性。 表 2 对PSR 和 SSR 进行了简要的比较。

表2: PSR 和 SSR

 

 

同步整流(SR)

 

同步整流器 (SR) 可代替二极管。由于同步整流采用有源控制开关，例如功率 MOSFET；而MOSFET 具有较低的导通电阻(RDS(ON))，因此压降比二极管更小。所以，采用同步整流可降低功耗并提高效率。

 

同步整流使用比较器来采样电压并在特定时间打开晶体管，以允许电流沿正确的方向流动。尽管增加外部组件会使系统变得更加复杂，但它提高了效率；而且，由于功耗较低，还可使PCB具有较低的整体温度。