电源拓扑 - 开关稳压（隔离型）

区别于非隔离型开关稳压，在隔离型开关稳压拓扑中，能量是通过相互耦合的磁场元件（变压器）传递，源极与负载仅仅是通过磁场耦合的，所以在输入与输出之间有电隔离。

隔离型 DC-DC 拓扑结构

对隔离型 DC-DC 转换器而言，常用拓扑一般是反激式（Flyback），正激式（For-ward）和推挽式（Push-pull）这三种。

在这些隔离型转换器中，从输入到输出的能量传递是通过变压器完成的。能量通过相互耦合的磁场元件（变压器）传递，源极与负载仅仅是通过磁场耦合的，所以形成了输入与输出之间的电隔离。与非隔离型转换器一样，稳压的过程是通过 PWM 控制器在反馈回路中调节输出电压实现。

反激式 Flyback

反激式（Flyback）转换器可以把一个较高的输入电压，转换为一个较低的稳定输出电压。当开关 $S_1$ 闭合的时候，能量存储在变压器的磁芯中，而当开关 $S_1$ 断开的时候，再把能量传递到次级端。其拓扑图如下：

注：图中的开关 $S_1$ 实际为电子开关（可为功率 MOS 管），此处为了易于理解，简化为普通的开关。

基本原理：

1. 开关 $S_1$ 闭合（蓝色实线）
   • 此时变压器 $T_1$ 的初级绕组侧形成环路，流经初级绕组电感的 $L_P$ 的电流 $I_{S1}$ 以 $\frac{V_{in}}{L_P}$ 的速率增长。此时不会有电流通过次级绕组电感 $L_S$ 流至负载，负载电流是由电容 $C_1$ 提供的。
   • 此时变压器输入的能量为：$\frac{V_{in}*t_{on}}{N}$（N 为匝数比）
2. 开关 $S_1$ 断开（绿色虚线）
   • 此时由于变压器 $T_1$ 中的磁场崩塌，导致初级与次级绕组中的电压反相，初级绕组中储存的能量被传递到次级绕组，传递过程中次级绕组的电压迅速上升，并且伴有一个脉冲电流，这个电流以 $\frac{V_{out}}{L_S}$ 的速率下降，并给负载供电、给电容 $C_1$ 充电。二极管 $D_1$ 在这里充当峰值整流器。
   • 此时变压器输出的能量为：$V_{out}*t_{off}$

因为变压器的能量传递守恒（即能量守恒），$\frac{V_{in}*t_{on}}{N}=V_{out}*t_{off}$，可得到：

$$V_{out}=\frac{1}{N}\cdot\frac{δ}{1-δ} \cdot V_{in}$$

各节点的波形曲线：

可以发现，Flyback 与 Buck-Boost 传递公式只相差了 1/N 这个系数。Flyback 的优点在占空比很小的情况下，输出电压可以调得很高，所以很适用于输出高电压的电源。其次，也可以添加多个次级绕组，实现多个输出，且极性可以各不相同，适用于低成本设计。

Flyback 的缺点是，需要谨慎选择变压器气隙磁芯，不应使其进入饱和状态，因为如果磁滞现象很严重的话，会使变压器的效率大幅降低。另外，因峰值电流很高，绕组中的涡电流损耗也是一个问题。这两个问题限制了 Flyback 的实际可操作频率范围。最后当 S1 打开的瞬间，初级绕组上会出现一个很大的感性尖峰，这会对开关场效应管造成很大的压力。

正激式 Forward

正激式 Forward 可根据关于匝数比的函数，生成一个稳定的输出电压。其拓扑图如下：

基本原理：

1. 开关 $S_1$ 闭合（蓝色实线）
   • 此时变压器 $T_1$ 的初级绕组侧形成环路，流经初级绕组电感的 $L_P$ 的电流 $I_{S1}$ 以 $\frac{V_{in}}{L_P}$ 的速率增长。由于初级与次级绕组是互相耦合的，所以初级绕组中电流增大，会导致次级绕组上产生感应电流，次级绕组两端感应电压为 $\frac{V_{in}}{N}$。次级绕组上的电流以 $\frac{V_{in}}{L_1 N}$ 的速率增长，通过整流二极管 $D_1$ 和输出电感 $L_1$，最终给负载 $R_L$ 与输出电容 $C_1$ 供电。
   • 此时变压器输入的能量为：$(\frac{V_{in}}{N}-V_{out})\cdot t_{on}$（N 为匝数比）
2. 开关 $S_1$ 断开（绿色虚线）
   • 当电容 $C_1$ 两端的电压逐渐上升到上限阈值时，会产生一个「关断」的反馈信号（一般由光耦器件实现），使得开关 $S_1$ 断开，中断了源电流供应。此时复位绕组与二极管 $D_3$ 共同保持变压器中的磁场不消失（但也将导致电流以 $\frac{V_{in}}{L_P}$ 的速率下降）。次级绕组两端电压会出现极性反转，反向电流以 $\frac{V_{out}}{L_1}$ 的速率下降，经过续流二极管 $D_2$ 电感 $L_1$，为负载 $R_L$ 与输出电容 $C_1$ 供电。当 $C_1$ 两端的电压下降到阈值时，将产生一个「开启」的反馈信号，让 $S_1$ 再次闭合，开始一个新的周期。
   • 此时变压器输出的能量为：$V_{out}\cdot t_{off}$

根据变压器的能量传递守恒（即能量守恒），$(\frac{V_{in}}{N}-V_{out})*t_{on}=V_{out}\cdot t_{off}$，可得：

$$V_{out}=\frac{δ}{N} \cdot V_{in}$$

各节点的波形曲线：

相比 Flyback 的区别是，Forward 是连续将能量通过变压器从初级传递到次级的，而不需要将能量储存在变压器的气隙磁芯中。这样一来磁芯不再需要气隙，相应地也不会带来损耗和 EMI 辐射。因为磁滞损耗在 Forward 中不再是哥严重的问题，所以磁芯的电感可以很大，峰值电流可以因此降低，这一来又进一步减小了绕组和二极管中的损耗，也降低了输入输出的纹波电流。

所以，在相同输出功率下，Forward 比 Flyback 效率高，但缺点是成本也相对高，且需要设置一个最小负载以保持不会进入非连续模式，因为在非连续模式下，能量传递的方式是完全不同的。

有源钳位正激式 Active Clamp

🚧

推挽式 Push-Pull

🚧

参考与致谢

• 《开关电源基础知识》
• 升压型、降压型和升降压型转换器简介
• 《开关电源原理与设计》
• 《DC-DC 转换器知识手册及用户实用技巧》

本篇文章受 CC BY-NC-SA 4.0 协议保护，转载请注明出处。