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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 S1S_1 闭合的时候,能量存储在变压器的磁芯中,而当开关 S1S_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 S1S_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 S1S_1 闭合(蓝色实线)
    • 此时变压器 T1T_1 的初级绕组侧形成环路,流经初级绕组电感的 LPL_P 的电流 IS1I_{S1}VinLP\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 LSL_S 流至负载,负载电流是由电容 C1C_1 提供的。
    • 此时变压器输入的能量为:VintonN\frac{V_{in}*t_{on}}{N}(N 为匝数比)
  2. 开关 S1S_1 断开(绿色虚线)
    • 此时由于变压器 T1T_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 VoutLS\frac{V_{out}}{L_S} 的速率下降,并给负载供电、给电容 C1C_1 充电。二极管 D1D_1 在这里充当峰值整流器。
    • 此时变压器输出的能量为:VouttoffV_{out}*t_{off}

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

Vout=1Nδ1δVinV_{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 S1S_1 闭合(蓝色实线)
    • 此时变压器 T1T_1 的初级绕组侧形成环路,流经初级绕组电感的 LPL_P 的电流 IS1I_{S1}VinLP\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 VinN\frac{V_{in}}{N}。次级绕组上的电流以 VinL1N\frac{V_{in}}{L_1 N} 的速率增长,通过整流二极管 D1D_1 和输出电感 L1L_1,最终给负载 RLR_L 与输出电容 C1C_1 供电。
    • 此时变压器输入的能量为:(VinNVout)ton(\frac{V_{in}}{N}-V_{out})\cdot t_{on}(N 为匝数比)
  2. 开关 S1S_1 断开(绿色虚线)
    • 当电容 C1C_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 S1S_1 断开,中断了源电流供应。此时复位绕组与二极管 D3D_3 共同保持变压器中的磁场不消失(但也将导致电流以 VinLP\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 VoutL1\frac{V_{out}}{L_1} 的速率下降,经过续流二极管 D2D_2 电感 L1L_1,为负载 RLR_L 与输出电容 C1C_1 供电。当 C1C_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 S1S_1 再次闭合,开始一个新的周期。
    • 此时变压器输出的能量为:VouttoffV_{out}\cdot t_{off}

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

Vout=δNVinV_{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

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推挽式 Push-Pull

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参考与致谢

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