反激式開關(guān)電源特點情況分析研究
開關(guān)電源分為,隔離與非隔離兩種形式,在這里主要談一談隔離式開關(guān)電源的拓撲形式,隔離電源按照結(jié)構(gòu)形式不同,可分 為兩大類:正激式和反激式。反激式指在變壓器原邊導通時副邊截止,變壓器儲能。原邊截止時,副邊導通,能量釋放到負載的工作狀態(tài),一般常規(guī)反激式電源單管 多,雙管的不常見。正激式指在變壓器原邊導通同時副邊感應(yīng)出對應(yīng)電壓輸出到負載,能量通過變壓器直接傳遞。按規(guī)格又可分為常規(guī)正激,包括單管正激,雙管正 激。半橋、橋式電路都屬于正激電路。
正激和反激電路各有其特點,在設(shè)計電路的過程中為達到最優(yōu)性價比,可以靈活運用。一般在小功率場合可選用反激式。稍微大一些可采用單管正激電路,中等功 率可采用雙管正激電路或半橋電路,低電壓時采用推挽電路,與半橋工作狀態(tài)相同。大功率輸出,一般采用橋式電路,低壓也可采用推挽電路。
反激式電源因其結(jié)構(gòu)簡單,省掉了一個和變壓器體積大小差不多的電感,而在中小功率電源中得到廣泛的應(yīng)用。在有些介紹中講到反激式電源功率只能做到幾十瓦, 輸出功率超過100瓦就沒有優(yōu)勢,實現(xiàn)起來有難度。本人認為一般情況下是這樣的,但也不能一概而論,PI公司的TOP芯片就可做到300瓦,有文章介紹反 激電源可做到上千瓦,但沒見過實物。輸出功率大小與輸出電壓高低有關(guān)。
反激電源變壓器漏感是一個非常關(guān)鍵的參數(shù),由于反激電源需要變壓器儲存能量,要 使變壓器鐵芯得到充分利用,一般都要在磁路中開氣隙,其目的是改變鐵芯磁滯回線的斜率,使變壓器能夠承受大的脈沖電流沖擊,而不至于鐵芯進入飽和非線形狀 態(tài),磁路中氣隙處于高磁阻狀態(tài),在磁路中產(chǎn)生漏磁遠大于完全閉合磁路。
變壓器初次極間的偶合,也是確定漏感的關(guān)鍵因素,要盡量使初次極線圈靠近,可采用三明治繞法,但這樣會使變壓器分布電容增大。選用鐵芯盡量用窗口比較長的磁芯,可減小漏感,如用EE、EF、EER、PQ型磁芯效果要比EI型的好。
關(guān)于反激電源的占空比,原則上反激電源的最大占空比應(yīng)該小于0.5,否則環(huán)路不容易補償,有可能不穩(wěn)定,但有一些例外,如美國PI公司推出的 TOP系列芯片是可以工作在占空比大于0.5的條件下。
占空比由變壓器原副邊匝數(shù)比確定,本人對做反激的看法是,先確定反射電壓(輸出電壓通過變壓器耦合反映到原邊的電壓值),在一定電壓范圍內(nèi)反射電壓提高則 工作占空比增大,開關(guān)管損耗降低。反射電壓降低則工作占空比減小,開關(guān)管損耗增大。當然這也是有前提條件,當占空比增大,則意味著輸出二極管導通時間縮 短,為保持輸出穩(wěn)定,更多的時候?qū)⒂奢敵鲭娙莘烹婋娏鱽肀WC,輸出電容將承受更大的高頻紋波電流沖刷,而使其發(fā)熱加劇,這在許多條件下是不允許的。
占空比增大,改變變壓器匝數(shù)比,會使變壓器漏感加大,使其整體性能變,當漏感能量大到一定程度,可充分抵消掉開關(guān)管大占空帶來的低損耗,時就沒有再增大占 空比的意義了,甚至可能會因為漏感反峰值電壓過高而擊穿開關(guān)管。由于漏感大,可能使輸出紋波,及其他一些電磁指標變差。當占空比小時,開關(guān)管通過電流有效 值高,變壓器初級電流有效值大,降低變換器效率,但可改善輸出電容的工作條件,降低發(fā)熱。如何確定變壓器反射電壓(即占空比)
今天接著談關(guān)于反激電源的占空比(本人關(guān)注反射電壓,與占空比一致),占空比還與選擇開關(guān)管的耐壓有關(guān),有一些早期的反激電源使用比較低耐壓開關(guān)管,如 600V或650V作為交流220V 輸入電源的開關(guān)管,也許與當時生產(chǎn)工藝有關(guān),高耐壓管子,不易制造,或者低耐壓管子有更合理的導通損耗及開關(guān)特性,像這種線路反射電壓不能太高,否則為使 開關(guān)管工作在安全范圍內(nèi),吸收電路損耗的功率也是相當可觀的。
實踐證明600V管子反射電壓不要大于100V,650V管子反射電壓不要大于120V,把漏感尖峰電壓值鉗位在50V時管子還有50V的工作余量。現(xiàn)在 由于MOS管制造工藝水平的提高,一般反激電源都采用700V或750V甚至 800-900V的開關(guān)管。像這種電路,抗過壓的能力強一些開關(guān)變壓器反射電壓也可以做得比較高一些,最大反射電壓在150V比較合適,能夠獲得較好的綜 合性能。
PI公司的TOP芯片推薦為135V采用瞬變電壓抑制二極管鉗位。但他的評估板一般反射電壓都要低于這個數(shù)值在110V左右。這兩種類型各有優(yōu)缺點:
第一類:缺點抗過壓能力弱,占空比小,變壓器初級脈沖電流大。優(yōu)點:變壓器漏感小,電磁輻射低,紋波指標高,開關(guān)管損耗小,轉(zhuǎn)換效率不一定比第二類低。
第二類:缺點開關(guān)管損耗大一些,變壓器漏感大一些,紋波差一些。優(yōu)點:抗過壓能力強一些,占空比大,變壓器損耗低一些,效率高一些。
反激電源反射電壓還有一個確定因素
反激電源的反射電壓還與一個參數(shù)有關(guān),那就是輸出電壓,輸出電壓越低則變壓器匝數(shù)比越大,變壓器漏感越大,開關(guān)管承受電壓越高,有可能擊穿開關(guān)管、吸收電 路消耗功率越大,有可能使吸收回路功率器件永久失效(特別是采用瞬變電壓抑制二極管的電路)。在設(shè)計低壓輸出小功率反激電源的優(yōu)化過程中必須小心處理,其 處理方法有幾個:
1、 采用大一個功率等級的磁芯降低漏感,這樣可提高低壓反激電源的轉(zhuǎn)換效率,降低損耗,減小輸出紋波,提高多路輸出電源的交差調(diào)整率,一般常見于家電用開關(guān)電源,如光碟機、DVB機頂盒等。
2、如果條件不允許加大磁芯,只能降低反射電壓,減小占空比。
降低反射電壓可減小漏感但 有可能使電源轉(zhuǎn)換效率降低,這兩者是一個矛盾,必須要有一個替代過程才能找到一個合適的點,在變壓器替代實驗過程中,可以檢測變壓器原邊的反峰電壓,盡量 降低反峰電壓脈沖的寬度,和幅度,可增加變換器的工作安全裕度。一般反射電壓在110V時比較合適。
3、增強耦合,降低損耗,采用新的技術(shù),和繞線工藝,變壓器為滿足安全規(guī)范會在原邊和副 邊間采取絕緣措施,如墊絕緣膠帶、加絕緣端空膠帶。這些將影響變壓器漏感性能,現(xiàn)實生產(chǎn)中可采用初級繞組包繞次級的繞法;蛘叽渭売萌亟^緣線繞制,取消 初次級間的絕緣物,可以增強耦合,甚至可采用寬銅皮繞制。
文中低壓輸出指小于或等于5V的輸出,像這一類小功率電源,本人的經(jīng)驗是,功率輸出大于20W輸出可采用正激式,可獲得最佳性價比,當然這也不是決對的, 與個人的習慣,應(yīng)用的環(huán)境有關(guān)系,下次談一談反激電源用磁性芯,磁路開氣隙的一些認識,希望各位高人指點。
反激電源變壓器磁芯在工作在單向磁化狀態(tài),所以磁路需要開氣隙,類似于脈動直流電感器。部分磁路通過空氣縫隙耦合。為什么開氣隙的原理本人理解為:由于功 率鐵氧體也具有近似于矩形的工作特性曲線(磁滯回線),在工作特性曲線上Y軸表示磁感應(yīng)強度(B),現(xiàn)在的生產(chǎn)工藝一般飽和點在400mT以上,一般此值 在設(shè)計中取值應(yīng)該在200-300mT比較合適、X軸表示磁場強度(H)此值與磁化電流強度成比例關(guān)系。磁路開氣隙相當于把磁體磁滯回線向X 軸向傾斜,在同樣的磁感應(yīng)強度下,可承受更大的磁化電流,則相當于磁心儲存更多的能量,此能量在開關(guān)管截止時通過變壓器次級瀉放到負載電路,反激電源磁芯 開氣隙有兩個作用。其一是傳遞更多能量,其二防止磁芯進入飽和狀態(tài)。
反激電源的變壓器工作在單向磁化狀態(tài),不僅要通過磁耦合傳遞能量,還擔負電壓變換輸入輸出隔離的多重作用。所以氣隙的處理需要非常小心,氣隙太大可使漏感 變大,磁滯損耗增加,鐵損、銅損增大,影響電源的整機性能。氣隙太小有可能使變壓器磁芯飽和,導致電源損壞
所謂反激電源的連續(xù)與斷續(xù)模式是指變壓器的工作狀態(tài),在滿載狀態(tài)變壓器工作于能量完全傳遞,或不完全傳遞的工作模式。一般要根據(jù)工作環(huán)境進行設(shè)計,常規(guī)反 激電源應(yīng)該工作在連續(xù)模式,這樣開關(guān)管、線路的損耗都比較小,而且可以減輕輸入輸出電容的工作應(yīng)力,但是這也有一些例外。
需要在這里特別指出:由于反激電源的特點也比較適合設(shè)計成高壓電源,而高壓電源變壓器一般工作在斷續(xù)模式,本人理解為由于高壓電源輸出需要采用高耐壓的整 流二極管。由于制造工藝特點,高反壓二極管,反向恢復(fù)時間長,速度低,在電流連續(xù)狀態(tài),二極管是在有正向偏壓時恢復(fù),反向恢復(fù)時的能量損耗非常大,不利于 變換器性能的提高,輕則降低轉(zhuǎn)換效率,整流管嚴重發(fā)熱,重則甚至燒毀整流管。由于在斷續(xù)模式下,二極管是在零偏壓情況下反向偏置,損耗可以降到一個比較低 的水平。所以高壓電源工作在斷續(xù)模式,并且工作頻率不能太高。
還有一類反激式電源工作在臨界狀態(tài),一般這類電源工作在調(diào)頻模式,或調(diào)頻調(diào)寬雙模式,一些低成本的自激電源(RCC)常采用這種形式,為保證輸出穩(wěn)定,變 壓器工作頻率隨著,輸出電流或輸入電壓而改變,接近滿載時變壓器始終保持在連續(xù)與斷續(xù)之間,這種電源只適合于小功率輸出,否則電磁兼容特性的處理會很讓人 頭痛
反激開關(guān)電源變壓器應(yīng)工作在連續(xù)模式,那就要求比較大的繞組電感量,當然連續(xù)也是有一定程度的,過分追求絕對連續(xù)是不現(xiàn)實的,有可能需要很大的磁芯,非常 多的線圈匝數(shù),同時伴隨著大的漏感和分布電容,可能得不償失。那么如何確定這個參數(shù)呢,通過多次實踐,及分析同行的設(shè)計,本人認為,在標稱電壓輸入時,輸 出達到50%~60%變壓器從斷續(xù),過渡到連續(xù)狀態(tài)比較合適。或者在最高輸入電壓狀態(tài)時,滿載輸出時,變壓器能夠過渡到連續(xù)狀態(tài)就可以了。
反激式開關(guān)電源占空比Dmax:
Dmax=e/(e+Vmin)*100%,e是指開關(guān)管截止時,初級線圈上的自感電動勢,有人稱之為反射電壓。
e的取值,由Vmin及Dmax決定,一般Dmax取0.4-0.45(為保證磁通復(fù)位,Dmax要小于0.5,實際應(yīng)用要留裕量。
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