典型返馳式拓撲設(shè)計——實現(xiàn)最佳化電源

　　返馳式（flyback）拓樸是最常見的隔離式電源拓樸結(jié)構(gòu)，因為它可以用一個低邊開關(guān)電晶體和有限的外部元件數(shù)提供多個隔離輸出。不過，返馳式電源也存在一些特殊性，如果設(shè)計人員沒有充分理解并對其進行分析，就可能限制它的整體表現(xiàn)。

　　針對這種拓樸結(jié)構(gòu)，本文將以非常簡單的數(shù)學(xué)方法揭開所有返馳式電源設(shè)計神秘面紗，指導(dǎo)設(shè)計人員完成一個最佳化的設(shè)計。

　　返馳式轉(zhuǎn)換器

　　根據(jù)應(yīng)用的不同，直流-直流應(yīng)用（DC/DC應(yīng)用）可能需要多個輸出，而且需要輸出隔離。此外，輸入與輸出的隔離可能必須符合安全標準或提供阻抗匹配。

　　隔離式電源不僅能防止用戶接觸到潛在的致命電壓和電流，而且還有性能方面的優(yōu)勢。利用中斷接地迴路，隔離式電源可以保持儀器精密度，并能在不犧牲匯流排優(yōu)點的條件下順利地透過負電源匯流排提供正穩(wěn)壓電壓。

　　對設(shè)計人員來說，返馳式拓樸結(jié)構(gòu)歷來是輸出功率100W以下的電源隔離式轉(zhuǎn)換器的首選。這種拓樸結(jié)構(gòu)只需要一個磁性元件和一個輸出整流管，因而具有簡單和低成本的優(yōu)勢，同時它也可以輕鬆實現(xiàn)多工輸出。

　　但返馳式拓樸結(jié)構(gòu)的缺點是需要一個高容值的輸出電容器，功率開關(guān)管和輸出二極體的電流應(yīng)力較高，氣隙區(qū)渦流損耗較高，變壓器鐵芯較大以及可能存在的EMI問題。

　　返馳式轉(zhuǎn)換器源于降壓-升壓拓樸結(jié)構(gòu)，其主要缺點是只在開關(guān)MOSFET導(dǎo)通時間內(nèi)才從源極收集能量。在后來的切斷期間，來自一次側(cè)繞組的這種能量從電感傳遞到輸出端。這是返馳式和降壓-升壓拓樸結(jié)構(gòu)的特點。（圖1）

　　圖1：執(zhí)行在連續(xù)導(dǎo)通模式下的典型返馳式電源。

　　一次側(cè)電流和二次側(cè)電流同時流過時，返馳式變壓器并不像傳統(tǒng)變壓器那樣正常工作，實際上只有一小部份能量（磁化能量）被儲存在變壓器中。返馳式變壓器更像是同一鐵芯上的多個電感器，而非一個典型的變壓器。理想的情況是，變壓器并不儲存能量，所有的能量都在瞬間從一次側(cè)轉(zhuǎn)移到二次側(cè)。

　　返馳式變壓器可作為儲能裝置，能量儲存在鐵芯的氣隙或坡莫合金粉芯的分佈式氣隙當中。

　　電感變壓器的設(shè)計應(yīng)盡量減少漏電感、交流繞組損耗和磁芯損耗。

　　漏電感（Leakage inductance）是一次側(cè)電感的一部份，未與二次側(cè)電感相互耦合。保持盡可能低的漏電感十分重要，因為它會降低變壓器的效率，還會導(dǎo)致開關(guān)元件的漏極出現(xiàn)尖峰。漏電感可被看作為儲存在變壓器中的部份能量，它不會轉(zhuǎn)移到二次側(cè)和負載。這種能量需要通過一個外部緩衝器在一次側(cè)耗散掉。緩衝器的配置將在后面予以討論。

　　當MOSFET開啟且電壓施加在一次側(cè)繞組時，一次側(cè)電流線性上升。輸入電流的變化是由輸入電壓、變壓器一次側(cè)電感和導(dǎo)通時間決定的。在這段時間內(nèi)，能量被儲存在變壓器鐵芯中，輸出二極體D1被反向偏置，能量不會轉(zhuǎn)移到輸出負載。當MOSFET關(guān)閉時，磁場開始下降，顛倒了一次側(cè)和二次側(cè)繞組之間的極性。D1被正向偏置，能量轉(zhuǎn)移到負載。

　　斷續(xù)傳導(dǎo)模式與連續(xù)傳導(dǎo)模式：

　　返馳式轉(zhuǎn)換器像任何其他的拓樸結(jié)構(gòu)一樣有兩種不同的工作模式──斷續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）和連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）。當輸出電流的增加超過一定值時，斷續(xù)模式設(shè)計電路將轉(zhuǎn)為連續(xù)模式。在斷續(xù)模式時，導(dǎo)通時間內(nèi)儲存在一次側(cè)的所有能量都會于下一週期開始之前完全轉(zhuǎn)移到二次側(cè)和負載；而且，在二次電流達到零值和下一個週期開始間的瞬間還會有死區(qū)時間。在連續(xù)模式下，當下一個週期開始時，仍會有一些能量留在二次側(cè)。返馳式轉(zhuǎn)換器可以在兩種模式下執(zhí)行，但它具有不同的特徵。

　　斷續(xù)導(dǎo)通模式 一方面具有較高的峰值電流，因此在切斷時有較高的輸出電壓尖峰。另一方面，它具有更快的負載瞬態(tài)響應(yīng)，一次側(cè)電感較低，因此變壓器尺寸可以較小。二極體的反向恢復(fù)時間并不重要，因為在反向電壓施加之前正向電流為零。在斷續(xù)導(dǎo)通模式下，電晶體的開啟隨零集電極電流出現(xiàn)，降低了傳導(dǎo)EMI的噪音。

　　連續(xù)導(dǎo)通模式 具有較低的峰值電流，并因此降低了輸出電壓尖峰。但由于它的右半平面（RHP）零點迫使轉(zhuǎn)換器的總頻寬降低，所以其控制迴路比較復(fù)雜。由于連續(xù)導(dǎo)通模式對大多數(shù)應(yīng)用而言是更加的選擇，因此以上僅對該模式進行了更多的細節(jié)分析。

　　確定返馳式變壓器：繞組匝數(shù)比及其電感

　　設(shè)計人員不得不處理的第一個難題就是確定返馳式變壓器。通常他們可以從返馳式電源變壓器標準目錄中進行選擇，而無需更昂貴的定製變壓器。許多供應(yīng)商都可以針對不同應(yīng)用和功率大小提供完整系列的變壓器，但重要的是要了解如何選擇最合適的變壓器。除了二次側(cè)繞組的功率大小和匝數(shù)，變壓器還可根據(jù)一次側(cè)/二次側(cè)繞組匝數(shù)比，以及一次側(cè)或二次側(cè)電感來分類。

　　如果忽略開關(guān)MOSFET和輸出整流二極體兩端壓降的影響，在穩(wěn)態(tài)執(zhí)行條件下，導(dǎo)通時間（）的電壓*秒應(yīng)該等于切斷期間（）電壓*秒：

　　（1）

　　公式中：

　　是輸入電壓

　　是輸出電壓

　　是返馳式變壓器的一次側(cè)匝數(shù)/二次側(cè)匝數(shù)匝比

　　那么，最大佔空比的數(shù)匝比和最小輸入輸出電壓之間的直接關(guān)係是：

　　（2）

　　其中D為佔空比：/開關(guān)週期。

　　在許多情況下，選定的最大佔空比為50%，但是在寬輸入電壓範圍的應(yīng)用中，重要的是要了解如何最佳化以下關(guān)係：最大佔空比、變壓器匝比、峰值電流和額定電壓。

　　返馳式拓樸結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點之一是可以在佔空比大于50%的條件下工作。最大佔空比的增加降低了變壓器一次側(cè)的峰值電流，因而達到一次側(cè)銅變壓器更高利用係數(shù)的效果，并降低輸入源的紋波。同時，最大佔空比的提高可增加主開關(guān)MOSFET漏源極之間的最大應(yīng)力電壓，并增加二次側(cè)的峰值電流。

　　在開始設(shè)計轉(zhuǎn)換器之前，重要的是要了解最大佔空比、變壓器一次側(cè)/二次側(cè)匝數(shù)比（Np/Ns）、一次側(cè)MOSFET的最大電壓應(yīng)力、一次側(cè)和二次側(cè)最大電流之間的關(guān)係。

　　公式（2）顯示輸出電壓Vo和輸入電壓Vi（因為其簡單性沒有考慮Q1和二次側(cè)整流管Q2兩端的壓降）之間的主要關(guān)係。為了確保在整個輸入電壓範圍Vo的穩(wěn)壓，最大佔空比可以任意選定一個《1的理論值。

　　然后可以計算Np/Ns：

　　（3）

　　此處表示主MOSFET的漏源極之間的最大電壓，可由公式（4）及公式（5）和（6）得知，分別表示了變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的平均電流。

　　公式中：

　　是二次側(cè)整流二極體的正向壓降

　　是傳導(dǎo)期間開關(guān)MOSFET的壓降

　　是整體電源效率

　　是最大輸出電流

　　透過最大化佔空比的利用係數(shù)U（D）函數(shù)可以得到最佳佔空比：

　　利用係數(shù)（Ui）是用輸出功率除以二次側(cè)開關(guān)MOSFET和整流二極體的總最大應(yīng)力之和得出的。

　　圖2：典型返馳式轉(zhuǎn)換器的利用係數(shù)與佔空比的關(guān)係，最大化利用係數(shù)的佔空比為30-40%。

　　圖中的兩條曲線顯示只考慮開關(guān)MOSFET應(yīng)力（藍色虛線）計算出來的利用係數(shù)，以及考慮二次側(cè)開關(guān)MOSFET和整流二極體（紅色虛線）的利用係數(shù)。

　　如果要最佳化額定輸入電壓的電源效率，一次側(cè)/二次側(cè)變壓器匝數(shù)比就得利用佔空比來計算，以使利用係數(shù)最大化，其典型值在30-40%之間。

　　上面的曲線考慮的是主動元件上的理論應(yīng)力電壓。在實際進行時，更重要的是評估MOSFET最大應(yīng)力電壓和變壓器數(shù)匝數(shù)比如何隨所選擇的最大佔空比而變化，并選擇一個可在開關(guān)MOSFET的一定最大擊穿電壓內(nèi)給出‘圓形’（round）匝數(shù)比值。

　　確定一次側(cè)電感

　　選擇一次側(cè)和二次側(cè)電感有幾個標準。

　　第一，選擇可確保從滿載到某些最小負載均在連續(xù)模式執(zhí)行的一次側(cè)電感。

　　第二，透過確定最大二次側(cè)紋波