【導讀】介紹開(kāi)關(guān)電源的書(shū)籍很多，但是大都過(guò)于繁雜，學(xué)習和消化完一本書(shū)需要大量的時(shí)間精力，而即便完成了這一艱巨的任務(wù)，設計者也不見(jiàn)得具備獨立設計一個(gè)完整電源系統的能力。這里筆者根據自己所學(xué)知識和實(shí)際經(jīng)驗談下反激式開(kāi)關(guān)電源的設計方法，并結合實(shí)例變壓器設計的詳細計算過(guò)程。
這是筆者去年做完第一個(gè)反激式電源后寫(xiě)的，內部有各個(gè)元器件選取的詳細計算公式。關(guān)于RCD鉗位的，目前還沒(méi)有非常好的計算方法，采取的是實(shí)驗為主的方法，所以大家有好的方法，歡迎補充修改。
開(kāi)關(guān)電源的出現使得使用市電的設備告別了笨重的變壓器和需要使用龐大散熱器的線(xiàn)性穩壓器，電子產(chǎn)品做到了更小的體積、更輕的重量和更高的效率。但是，開(kāi)關(guān)電源使得設計門(mén)檻大大提高，它要求設計者在電路和磁學(xué)上必須有深刻的理解。介紹開(kāi)關(guān)電源的書(shū)籍很多，但是大都過(guò)于繁雜，學(xué)習和消化完一本書(shū)需要大量的時(shí)間精力，而即便完成了這一艱巨的任務(wù)，設計者也不見(jiàn)得具備獨立設計一個(gè)完整電源系統的能力。
這里筆者根據自己所學(xué)知識和實(shí)際經(jīng)驗談下反激式開(kāi)關(guān)電源的設計方法，并結合實(shí)例變壓器設計的詳細計算過(guò)程。由于筆者接觸開(kāi)關(guān)電源時(shí)間不長(cháng)，文中疏漏與不當之處難免，還望讀者批評指正。
1.基本反激變換器原理
在討論具體的設計步驟之前，我們有必要介紹一下反激式開(kāi)關(guān)電源的原理。對于反激式開(kāi)關(guān)電源，在一個(gè)工作周期中，電源輸入端先把能量存儲在儲能元件(通常是電感)中，然后儲能元件再將能量傳遞給負載。這好比銀行的自動(dòng)取款系統，銀行工作人員每天在某一時(shí)間段向自動(dòng)取款機內部充入一定數目的錢(qián)(相當于電源輸入端向儲能元件存儲能量)，一天中剩下的時(shí)間里，銀行用戶(hù)從取款機中將錢(qián)取走(相當于負載從儲能元件中獲取能量)。在銀行工作人員向取款機充錢(qián)的時(shí)候，用戶(hù)不能從取款機中取錢(qián);客戶(hù)正在取錢(qián)的階段，銀行工作人員也不會(huì )向存款機里面充錢(qián)。這就是反激式開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)，任何時(shí)刻，負載不能直接從輸入電源處獲取能量，能量總是以?xún)δ茉槊浇樵谳斎腚娫春拓撦d間進(jìn)行傳遞的。
下面來(lái)看圖一，這是反激式變換器的最基本形式，也就是我們常說(shuō)的buck-boost(或者flyback)拓撲。當開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，輸入電源加在電感L上，流過(guò)電感的電流線(xiàn)性上升，上升斜率就是輸入電壓與電感量的比值(在這里以及以下討論中，我們忽略了開(kāi)關(guān)管的壓降，但是不忽略二極管的壓降，這將更符合后面關(guān)于離線(xiàn)式反激變換器的實(shí)際情況)，如下式：
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在之一過(guò)程中，電能轉換成磁場(chǎng)能量?jì)Υ嬖陔姼袃?，電感量一定時(shí)，時(shí)間越長(cháng)流過(guò)電感的電流越大，電感中儲存的能量也就越大，電感內部?jì)δ艽笮∪缦率剑?br />
開(kāi)關(guān)閉合期間，二極管D是反偏的，輸入到輸出端沒(méi)有通路，電源輸入端和電感都不向負載提供能量。
當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電感需要通過(guò)維持電流的恒定來(lái)阻止磁通量的突變，但此時(shí)電源輸入端和電感之間沒(méi)有通路，所以電感兩端的電壓必須反向(原來(lái)的上正下負變?yōu)樯县撓抡?，使得二極管D正偏導通，儲存在電感內部的能量一方面傳遞給負載，另一方面裝換成電場(chǎng)能儲存在輸出電容Co當中。電感中的電流線(xiàn)性下降，下降斜率為電感上電壓與電感量的比值，而此時(shí)電感上的電壓等于輸出電壓加上二極管的正向壓降，如下式：
以上討論了一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的情況，為了電路能夠持續穩定工作，必需滿(mǎn)足一定的條件，我們仍然以銀行自動(dòng)取款系統做比喻。試想，如果一天過(guò)去后，取款機里面的錢(qián)還有剩余，那么第二天銀行工作人員就必需減少充入的錢(qián)的數目，否則，取款機就肯定放不下這么多錢(qián)。電路中也是一樣，如果開(kāi)關(guān)關(guān)斷的時(shí)候，電感內部的能量沒(méi)有完全轉移出去(被負載消耗或者存入輸出電容中)，那么接下來(lái)開(kāi)關(guān)閉合的時(shí)間Ton就必需減小，否則周而復始的話(huà)，電感中的電流會(huì )不斷積累，最終使得電感飽和，換一句話(huà)說(shuō)，為了系統穩定工作，必須滿(mǎn)足的條件就是開(kāi)關(guān)閉合期間電感的電流增加量必須等于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)器件電流的減小量，即下式：
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以一個(gè)完整的周期分析，對上面的式子化簡(jiǎn)得到：
從上面的式子可以看出，系統維持穩定工作的條件就是開(kāi)關(guān)閉合時(shí)電感上的電壓與開(kāi)關(guān)閉合時(shí)間的乘積等于開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)電感上的電壓與開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)間的乘積相等，這也就是伏秒數數守恒，這兩個(gè)乘積其中的一個(gè)叫做電感的伏秒數。從上面的一系列式子可以看出，伏秒數描述了電感中電流的變化量，實(shí)際上對應著(zhù)電感中儲存的能夠被利用的能量。
下面給出基本反激變換器的電感電流波形。如圖二所示，以一個(gè)周期為例，從A點(diǎn)到C點(diǎn)間，開(kāi)關(guān)閉合，電感電流線(xiàn)性上升，在此期間電感電流即開(kāi)關(guān)管電流;從C點(diǎn)到B點(diǎn)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電感電流線(xiàn)性下降，在此期間電感電流即二極管電流。圖中可以看出，流過(guò)電感的平均電流等于電感的峰值電流和谷值電流的中間值。而流過(guò)開(kāi)關(guān)管和二極管的平均電流可以由下式確定：
這里引出了占空比D的概念，即開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)間與開(kāi)關(guān)周期的比值。從伏秒數守恒的關(guān)系式我們可以得到基本反激變換器中占空比的計算式如下：
從圖一中，我們看到電源輸入端只與開(kāi)關(guān)管相連，所以輸入電流即開(kāi)關(guān)管電流，也就是開(kāi)關(guān)閉合時(shí)的電感電流;輸出端只與二極管和電容相連，又因為電容器不可能流過(guò)直流，所以平均輸出電流等于平均二級管電流，即有下式成立：
最后我們給出一個(gè)很重要的定義，那就是紋波系數，在不同的書(shū)籍和文獻中，紋波系數的定義有一定的區別，為了方便我們接下來(lái)的討論和計算，在這里將紋波系數KRF定為電感電流變化量的一半比上電感平均電流，即：
圖二電路中，整個(gè)開(kāi)關(guān)周期內，流過(guò)電感的電流始終不為零。當輸出電流減小時(shí)，相應的電感平均電流也減小，如果開(kāi)關(guān)周期、電感量以及輸入輸出電壓不變的話(huà)，電感中電流的變化量保持不變，那么，就可能出現電感中變化的電流大小等于或者大于平均電流兩倍的情況。這個(gè)時(shí)候，每一個(gè)周期內，開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電感電流從零開(kāi)始上升，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，電感電流會(huì )下降到零。也就是說(shuō)，此時(shí)的KRF等于或者大于1，這就是我們說(shuō)的臨界工作模式和斷續工作模式。相對應的電感電流始終不為零的情況就是連續工作模式。
在反激式變換器中，電感量取值越大，電流的變化量(紋波電流)就越小，在相同輸出電流情況下，越不容易進(jìn)入斷續模式;反之，電感量取值越小，紋波電流越大，在相同的輸出電流情況下，越容易進(jìn)入斷續工作模式。
通常在設計過(guò)程中，我們可以設定在某一輸出電流(即輸出功率)時(shí)變換器進(jìn)入臨界模式，電流大于設定值時(shí)就進(jìn)入連續工作模式，小于這一值時(shí)進(jìn)入斷續工作模式(即KRF在0到1之間)。也可以將變換器設計為一直工作在臨界模式或者斷續模式(即KRF大于等于1)，特別是在單級PFC反激式變換器以及準諧振反激式變換器中，這種方式應用較多。本文以下的討論均以連續模式為例。
上面討論了基本反激變換器滿(mǎn)足的基本關(guān)系式，接下來(lái)一節我們開(kāi)始討論隔離輸出的反激變換器原理。
（待續...）
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