【導(dǎo)讀】很多工程師都能回想起自己初學(xué)電源時(shí)的情景，從最基礎(chǔ)的理論基礎(chǔ)開始，大量的查閱資料。經(jīng)歷了迷茫和困惑，用時(shí)間一點(diǎn)點(diǎn)的積累。小編將為大家整理一系列有關(guān)開關(guān)電源設(shè)計(jì)的教程，幾乎包含了開關(guān)電源的所有拓?fù)?。這些教程由前工程師編寫，根據(jù)自身的自學(xué)經(jīng)驗(yàn)為大家量身打造，希望能夠幫助大家走出迷茫，盡快邁上正軌。
在本篇文章當(dāng)中將分享來(lái)自前工程師從開關(guān)電源到伏秒平衡的相關(guān)知識(shí)。
現(xiàn)在市面上的開關(guān)電源，總體來(lái)講，其實(shí)就兩類，一類是PWM類型的(也許有人會(huì)說還有PFM，RCC等等但是歸根結(jié)底這還是一類的)，包括Flyback、Buck、Boost、Buck-Boost、Flyback、正激、硬半橋、硬全橋、移相全橋、推挽等等。
這一系列開關(guān)電源的工作核心就是電感伏秒平衡原理。
下面就說說伏秒平衡，這個(gè)絕對(duì)是核心中的核心，容不得半點(diǎn)折扣。
先做一下基本的公式推倒：
其實(shí)所謂的伏秒平衡就是磁芯的勵(lì)磁、退磁的過程。電感在Ton時(shí)候勵(lì)磁，儲(chǔ)存能量，在Toff時(shí)候，退磁，釋放能量。
從上面的推倒可以看出，用(E*Ton)就直接可以表示磁芯的勵(lì)磁能量。
磁芯在每個(gè)工作周期，都要先勵(lì)磁，然后再?gòu)?fù)位。因?yàn)殡娫丛诜€(wěn)定工作狀態(tài)，磁芯每個(gè)周期儲(chǔ)存的能量必須等于釋放的能量，要不然磁芯就飽和了。
所以就可以推導(dǎo)出下面這個(gè)超級(jí)簡(jiǎn)單實(shí)用的公式：
E1*Ton= -E2*Toff
(特別指出，這個(gè)公式成立的充要條件是電感各個(gè)繞組都在同一個(gè)磁芯上，繞組可以是1~n個(gè))
E1、E2指的是同一個(gè)繞組兩端的電壓。Ton指的是E1持續(xù)的時(shí)間。Toff指的是E2持續(xù)的時(shí)間。
這個(gè)公式的主要作用在哪里呢?在推導(dǎo)各種PWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸入輸出關(guān)系的時(shí)候，上面那個(gè)公式就非常重要了。有了它，不管是什么拓?fù)?，只要是PWM的，輸入輸出關(guān)系就很容易清晰的證明出來(lái)，是非常重要的一個(gè)公式。
接下來(lái)就開始進(jìn)入正題，講一下反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)。
反激式開關(guān)電源大家再熟悉不過，其優(yōu)點(diǎn)不在少數(shù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本低廉。最重要的是適應(yīng)的功率范圍比較廣，幾瓦到200瓦，市電輸入，輸出電壓不超過63V，輸出電流不超過15A，在這個(gè)范圍內(nèi)，反激式到目前為止還是很有優(yōu)勢(shì)的。甚至有的產(chǎn)品為了對(duì)成本進(jìn)行節(jié)約，將反激做到了500W。
接下來(lái)我們就來(lái)講一下反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，上面說了伏秒平衡，那個(gè)是推導(dǎo)所有的PWN類型的開關(guān)電源的基礎(chǔ)。
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反激式
下面主要講反激式的主拓?fù)涔ぷ髟硪约白儔浩鞯挠?jì)算。反激式開關(guān)電源，其實(shí)是屬于Buck-Boost的變種。更多的詳細(xì)資料大家可以去網(wǎng)上查詢，這里就不多說了。
我們先從Buck-Boost開始來(lái)分析。
圖1
Mos關(guān)開通
電源電壓加到電感兩端，電感有電流流過，感應(yīng)電壓上正下負(fù)。
二極管反偏，次級(jí)電解電容沒有有效回路對(duì)電感勵(lì)磁，所以，電感儲(chǔ)存能量全部來(lái)自初級(jí)。
電感兩端伏秒積為Vin*Ton。
圖2
開關(guān)管關(guān)斷
電感感應(yīng)電壓反轉(zhuǎn)，變?yōu)橄抡县?fù)，電感對(duì)輸出釋放能量，電感磁芯復(fù)位。
次級(jí)電解電容對(duì)電感勵(lì)磁。
伏秒積為：Vout*Toff。
由同一個(gè)磁芯上伏秒平衡原理
Vin*Ton+Vout*Toff=0
得到：
Vout=-(Vin*Ton)/Toff=-Vin* (只對(duì)連續(xù)模式成立)
斷續(xù)模模式Toff還要減去死區(qū)，這樣推導(dǎo)的話，應(yīng)該比較容易讓大家理解。
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反激式設(shè)計(jì)
反激式開關(guān)電源是現(xiàn)在市面上電子消費(fèi)品中應(yīng)用最廣泛的拓?fù)洹７醇な介_關(guān)電源最適合的功率范圍在3-150W之間，可以做成CC模式或者CV模式。代表有適配器，輔助電源，LED驅(qū)動(dòng)等等。
接下來(lái)就說一下反激式主拓?fù)涞墓ぷ髟硪约霸O(shè)計(jì)中需要注意的要點(diǎn)。
圖3
如圖3所示，主回路關(guān)鍵元器件就那幾個(gè)：輸入主電解電容，變壓器，開關(guān)管，整流二極管，輸出電解電容。
下面分析一下反激式的基本工作原理。參照?qǐng)D3，開關(guān)管導(dǎo)通：變壓器初級(jí)電流上升，磁心儲(chǔ)存能量，次級(jí)線圈與初級(jí)同名端相反，二極管截至。
初級(jí)線圈上面的伏秒積：Vin*Ton。
圖4
開關(guān)管關(guān)，初級(jí)線圈沒有放電回路，因?yàn)殡姼须娏鞑荒芡蛔?，線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反轉(zhuǎn)，次級(jí)二極管導(dǎo)通，磁芯通過次級(jí)二極管放電，輸出點(diǎn)解電容對(duì)磁芯勵(lì)磁，磁芯復(fù)位。
開關(guān)管關(guān)斷，次級(jí)線圈上的伏秒積：n*Vout*Toff。
同一個(gè)磁芯上，由伏秒積平衡原理：
Vin*Ton=n*Vout*Toff
化簡(jiǎn) 得到反激式輸入輸出的關(guān)系式：
Vout=(1/n)*<(Vin*Ton)/Toff>
Ton=T*D
Voff=T*(1-D)
代入上式得
Vout=(1/n)
上面式子只是對(duì)連續(xù)模式反激成立，臨界或者斷續(xù)模式需要減去四區(qū)，四區(qū)時(shí)間，次級(jí)二極管截止，次級(jí)不對(duì)磁芯勵(lì)磁。觀察上面的輸入輸出關(guān)系，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，決定反激式變壓器輸入輸出關(guān)系的參數(shù)：
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1、占空比。其實(shí)占空比是反激式?jīng)Q定輸入輸出增益的核心。
我們暫且把變比n假設(shè)為1，則可以得到：
Vout=Vin*(D/1-D)
D<0.5的時(shí)候，Vout。
D>0.5的時(shí)候，Vout>Vin，工作在升壓區(qū)域。
2、變比n。變比n就不用多說，和常規(guī)的變壓器的邊比一樣的。
反激式開關(guān)電源，按照工作波形，有兩種工作模式：
圖5連續(xù)模式。
圖5是連續(xù)模式的主要工作波形，初級(jí)次級(jí)電流都有一部分是直流成分。
圖6
在相同的輸入電壓輸入功率條件下，Iavg一定，電流波形越連續(xù)，那么初級(jí)回路上的峰值電流就越小，特別是關(guān)斷電流Ipk1，Ipk1對(duì)于關(guān)斷損耗影響非常大。
平均電流跟峰值電流的關(guān)系
這個(gè)計(jì)算其實(shí)很簡(jiǎn)單，也就初中幾何就足夠了，計(jì)算電流波形的面積。
開關(guān)管開通階段，流過電感的電流：(1/2)*(Ipk1+Ipk2)*Ton (體形面積)
平均到整個(gè)周期就得到輸入的平均電流。
Iavg=<(1/2)*(Ipk1+Ipk2)*Ton>/(Ton+Toff)
設(shè)計(jì)時(shí)候我們是把上式倒過來(lái)用的，用平均電流求出峰值電流。一般習(xí)慣性的用一個(gè)字母K代表Ipk1/Ipk2，
這個(gè)K值，影響到初級(jí)電流的連續(xù)程度。連續(xù)模式適用于輸入電壓相對(duì)較低，功率相對(duì)較大的情況下。
關(guān)于什么時(shí)候使用連續(xù)模式，什么時(shí)候使用斷續(xù)模式，這個(gè)其實(shí)沒有絕對(duì)的，一般情況下，對(duì)于十幾瓦以下的東西，一半都使用斷續(xù)模式，現(xiàn)在PSR在小功率方面比較主流，PSR的充電器一般都是斷續(xù)模式，有些IC為了適應(yīng)新的能耗要求，又開始使用谷底導(dǎo)通技術(shù)，所以這一類只能工作在斷續(xù)模式。
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斷續(xù)模式的優(yōu)勢(shì)：
1、磁芯利用充分，線圈匝數(shù)少，變壓器比較小。
2、Mos管零電流開通，開通無(wú)損耗。
3、次級(jí)二極管零電流關(guān)斷，可以不需要使用肖特基二極管。
斷續(xù)模式的壞處：
1、功率大的情況下，Mos管關(guān)斷電流大，相同的平均電流情況下，電流有效值更大，變壓器初級(jí)需要更粗的銅線。
2、波形越陡峭，趨膚效應(yīng)會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，需要使用多股線或者更粗的銅線。
3、電解電容紋波電流大。
圖7 臨界模式Flyback的工作波形
本篇文章主要介紹了伏秒平衡和反激式的設(shè)計(jì)，希望大家能夠充分理解文章當(dāng)中的知識(shí)點(diǎn)。從事電源工程師行業(yè)，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的重要性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)，知識(shí)都是在問題的解決和實(shí)踐中學(xué)習(xí)到的，而不是對(duì)著書本死磕理論得來(lái)的。在下一篇教程當(dāng)中，將為大家梳理反激開關(guān)電源的設(shè)計(jì)流程。
