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1、反激式開(kāi)關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)原理(FlybackTransformerDesignTheory)第一節(jié).概述. 反激式(Flyback)轉(zhuǎn)換器又稱單端反激式或"Buck-Boost"轉(zhuǎn)換器.因其輸出端在原邊繞組斷開(kāi)電源時(shí)獲得能量故而得名.離線型反激式轉(zhuǎn)換器原理圖如圖. 一、反激式轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)有: 1.電路簡(jiǎn)單,能高效提供多路直流輸出,因此適合多組輸出要求. 2.轉(zhuǎn)換效率高,損失小. 3.變壓器匝數(shù)比值較小. 4.輸入電壓在很大的范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí),仍可有較穩(wěn)定的輸出,目前已可實(shí)現(xiàn)交流輸入在85~265V間.無(wú)需切換而達(dá)到穩(wěn)定輸出的要求. 二、反激式轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)有: 1.輸出電壓中存在較大
2、的紋波,負(fù)載調(diào)整精度不高,因此輸出功率受到限制,通常應(yīng)用于150W以下. 2.轉(zhuǎn)換變壓器在電流連續(xù)(CCM)模式下工作時(shí),有較大的直流分量,易導(dǎo)致磁芯飽和,所以必須在磁路中加入氣隙,從而造成變壓器體積變大. 3.變壓器有直流電流成份,且同時(shí)會(huì)工作于CCM/DCM兩種模式,故變壓器在設(shè)計(jì)時(shí)較困難,反復(fù)調(diào)整次數(shù)較順向式多,迭代過(guò)程較復(fù)雜. 第二節(jié).工作原理在圖1所示隔離反馳式轉(zhuǎn)換器(Theisolatedflybackconverter)中,變壓器"T"有隔離與扼流之雙重作用.因此"T"又稱為Transformer-choke.電路的工作原理如下:當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體管Trton時(shí),變壓器初
3、級(jí)Np有電流Ip,并將能量?jī)?chǔ)存于其中(E=LpIp/2).由于Np與Ns極性相反,此時(shí)二極管D反向偏壓而截止,無(wú)能量傳送到負(fù)載.當(dāng)開(kāi)關(guān)Troff時(shí),由楞次定律:(e=-N△Φ/△T)可知,變壓器原邊繞組將產(chǎn)生一反向電勢(shì),此時(shí)二極管D正向?qū)?負(fù)載有電流IL流通.反激式轉(zhuǎn)換器之穩(wěn)態(tài)波形如圖2. ???由圖可知,導(dǎo)通時(shí)間ton的大小將決定Ip、Vce的幅值: ?????????Vcemax=VIN/1-Dmax ?????????VIN:輸入直流電壓;Dmax:最大工作周期 ?????????Dmax=ton/T???由此可知,想要得到低的集電極電壓,必須保持低的Dmax,也就是D
4、max＜0.5,在實(shí)際應(yīng)用中通常取Dmax=0.4,以限制Vcemax≦2.2VIN.???????開(kāi)關(guān)管Tron時(shí)的集電極工作電流Ie,也就是原邊峰值電流Ip為:Ic=Ip=IL/n.因IL=Io,故當(dāng)Io一定時(shí),匝比n的大小即決定了Ic的大小,上式是按功率守恒原則,原副邊安匝數(shù)相等NpIp=NsIs而導(dǎo)出.Ip亦可用下列方法表示:Ic=Ip=2Po/(η*VIN*Dmax)η:轉(zhuǎn)換器的效率公式導(dǎo)出如下:輸出功率:Po=LIp2η/2T輸入電壓:VIN=Ldi/dt設(shè)di=Ip,且1/dt=f/Dmax,則:VIN=LIpf/Dmax??或???Lp=VIN*Dmax/Ipf
5、則Po又可表示為:Po=ηVINfDmaxIp2/2fIp=1/2ηVINDmaxIp∴??Ip=2Po/ηVINDmax 上列公式中:VIN:最小直流輸入電壓(V)Dmax:最大導(dǎo)通占空比Lp:變壓器初級(jí)電感(mH)Ip:變壓器原邊峰值電流(A)f:轉(zhuǎn)換頻率(KHZ)圖2反激式轉(zhuǎn)換器波形圖??????由上述理論可知,轉(zhuǎn)換器的占空比與變壓器的匝數(shù)比受限于開(kāi)關(guān)晶體管耐壓與最大集電極電流,而此兩項(xiàng)是導(dǎo)致開(kāi)關(guān)晶體成本上升的關(guān)鍵因素,因此設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考量做取舍. ???????反激式變換器一般工作于兩種工作方式: ???????1.電感電流不連續(xù)模式DCM(DiscontinuousI
6、nductorCurrentMode)或稱"完全能量轉(zhuǎn)換":ton時(shí)儲(chǔ)存在變壓器中的所有能量在反激周期(toff)中都轉(zhuǎn)移到輸出端. ???????2.電感電流連續(xù)模式CCM(ContinuousInductorCurrentMode)或稱"不完全能量轉(zhuǎn)換":儲(chǔ)存在變壓器中的一部分能量在toff末保留到下一個(gè)ton周期的開(kāi)始. ?????DCM和CCM在小信號(hào)傳遞函數(shù)方面是極不相同的,其波形如圖3.實(shí)際上,當(dāng)變換器輸入電壓VIN???在一個(gè)較大范圍內(nèi)發(fā)生變化,或是負(fù)載電流IL在較大范圍內(nèi)變化時(shí),必然跨越著兩種工作方式.因此反激式轉(zhuǎn)換器要求在DCM/CCM都能穩(wěn)定工作.但在設(shè)計(jì)上
7、是比較困難的.通常我們可以以DCM/CCM臨界狀態(tài)作設(shè)計(jì)基準(zhǔn).,并配以電流模式控制PWM.此法可有效解決DCM時(shí)之各種問(wèn)題,但在CCM時(shí)無(wú)消除電路固有的不穩(wěn)定問(wèn)題.可用調(diào)節(jié)控制環(huán)增益編離低頻段和降低瞬態(tài)響應(yīng)速度來(lái)解決CCM時(shí)因傳遞函數(shù)"右半平面零點(diǎn)"引起的不穩(wěn)定.???????DCM和CCM在小信號(hào)傳遞函數(shù)方面是極不相同的,其波形如圖3.圖3DCM/CCM原副邊電流波形圖實(shí)際上,當(dāng)變換器輸入電壓VIN在一個(gè)較大范圍內(nèi)發(fā)生變化,或是負(fù)載電流IL在較大范圍內(nèi)變化時(shí),必然跨越著兩種工作方式.因此反
