單端反激式開關電源研究與設計

1 引言

反激式(Flyback)電路拓撲是最基本的功率變換電路結構之一。因結構簡單、元器件數量少和設計方便等優點而廣泛應用于電視機、DVD和充電器等小功率電器的電源中。反激變換器工作原理與Boost電路相似，可以看作隔離式Boost電路，在開關管導通時變壓器原邊電感儲能，關斷時能量經副邊整流輸出傳遞給負載。

2 Flyback拓撲介紹

2.1 連續導電模式

連續模式(CCM)下，在下一次開關導通時，變壓器副邊電流尚未降低到零，變壓器總有一個繞組是有電流流過的，其原邊電流Ip和副邊電流Is如圖1所示。由于二次電流維持時間長，在傳遞相同功率條件下，尖峰電流約為斷續模式的一半。連續導電模式的缺點是控制環有一個右半平面零點，使閉環補償困難。

圖1 連續模式變壓器原副邊電流波形

2.2 斷續導電模式

斷續模式(DCM)是變壓器能量完全傳遞的工作模式，這樣原副邊有更大的尖峰電流，理想狀況下電流波形如圖2所示。開關管開通時，電流已經降到零，因此開關管實現零電流導通，減少了開通損耗。開關管導通時沒有二極管反向恢復問題，而且由于沒有右半平面零點，控制環路的設計更加容易，也不需要斜率補償。與連續工作模式相比，DCM模式在低功率應用場合更加普遍。

圖2 斷續模式變壓器原副邊電流波形

3 設計方法

反激電路拓撲與正激電路結構相似，但工作原理上卻有很大區別。常用設計方法有能量守恒法和類似正激變換器的設計方法，具體見相關文獻。雖然按照正激變換器的計算公式

(1)

(2)

(其中，Np為變壓器原邊匝數，Ns為二次側匝數，UR為變壓器一次側反沖電壓。)

也可以計算出電路參數進行設計，但這種方法是將反激電路等效為一個Boost電路和隔離變壓器共同構成的開關電源系統，UR相當于Boost電路的輸出電壓。采用這種方法不利于理解反激變換器的本質。因此，我們提出一個實例，從電路工作原理入手，介紹基于變壓器電感特性的設計方法。

要求：開關頻率50kHz;輸入功率100W;輸入電壓：85V~265V;

輸出額定電壓20V，輸出電流5A。

電路圖如圖3所示，要求電路工作在斷續工作模式。

圖3 反激式開關電源電路圖

開關管Q1導通時間為一個周期的40%，即8μs，關斷時間為12μs，留有2μs的裕量以保障死區時間。這樣可以承受一些負載和應力擾動，但同時將增加峰值電流，40%占空比發生在最小輸入電壓100V和重載時。使用加有氣隙的鐵氧體磁芯，中心柱面積為100mm2。輸入電壓為100V時，初級平均輸入電流為1A。開關管和變壓器初級在40%導通時間里的平均電流為2.5A。則峰值輸入電流是兩倍的平均電流，即5A。由下式可計算電感的值：

(4)

把di=5A，dt=8μs，V=100V代入，計算出為L為160μH。

最小初級匝數由需要提供的伏秒

而不是電感確定，伏秒數與B/H回線上的參數

相等。選擇最大磁通密度為0.2特斯拉，相比0.35特斯拉的飽和磁密仍有很大裕量(高磁通密度將增加磁芯損耗，但相反因為需要更少匝數會減少銅損)。最佳選擇是磁芯損耗與銅損相同。這是一個反復試驗的過程，只有在最后的設計階段才能完全確定。下面的公式可以計算出最小初級匝數：

(5)

代入數值，計算出初級匝數為40。

同樣的，次級線圈匝數由所需的次級電流決定。雖然它是次級電壓的決定因素，但不像正激變換器一樣是由變壓器行為計算的。因為

，所以匝比和電感的比值關系為