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反激电源适配器

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反激电源适配器

在设计反激式电源适配器时,我发现有很多工程师和学生,存在很大的困难。实际上这种拓扑非常实用,而且设计也并不难。
问题并不在于电源适配器设计本身的难处,或是学生的能力,而是与传统设计的教学方式有关。
从反激变压器设计的第一步开始,就定下了错误的思维定势,设计者常常把“反激变压器”当成真正的变压器来设计,这正是问题所在。
对于变压,我们已经非常熟悉,它是一种非常简单的设备——初级绕组上施加一定的电压,次级绕组上就可以得到相应的电压。电压比率与匝比相同,与输出(负载)电流无关。换句话讲,变压器保证初次级电压的转换比率(初级绕组为1V/匝,从而使次级绕组电压也为IV/匝。如果需要得到10V电压,用10匝次级绕组即可实现,原理非常简单。)但是,需要注意变压器的一个很重要的特性,初级与次级同时导通。即电流从初级绕组的正极性流进,则同时从次级绕组的正极性流出。
反激电源适配器的基本电路图如图所示。

值得注意的是,在开关管Q1导通期间,电流流进变压器T1的初级绕组,而此时次级二极管不导通故次级无电流流过。当开关管Q1关断时,初级电流停止,所有绕组电压反向。这种反激电压使得输出二极管及次级绕组导通,并流过电流。所以“反激变压器”的初级与次级绕组在不同的时刻导通并流过电流,这种差异很明显地改变了“反激变压器”的工作原理。
让我们分析“反激笔记本电脑充电器”工作模式。当开关管Q1导通时,只有初级绕组导通(其他绕组因未导通,可暂不考虑其对初级电压的影响),此时,开关管可认为只是给电感储存能量。当开关管Q1关断时,只有次级绕组导通,分析时可暂不考虑初级绕组对次级的影响(此时,次级可认为只是电感放电过程)。所以,“反激变压器”与真正变压器有什么样的不同,就显而易见了。所谓的“反激变压器”,从功能上考虑,实际上只是有着若干绕组的电感而已。
这种不止一个绕组的电感工作原理是,初级与次级的安匝比守恒(而不是像真正的变压器一样,电压比守恒)。例如,初级绕组100匝,开关管Q1关断时的峰值电流为1A,存储在初级的安匝数为100安匝。这个数值必须等于次级的安匝数,若次级绕组为10匝,则电流应为10A(10T×10A=100安匝)。同样,1匝次级绕组将会有100A的峰值电流,1000匝次级绕组对应于0.1A的峰值电流。
这种情况下,电压方面的关系又如何呢?首先需要说明的是,初次级绕组电压并不相关次级绕组电压只与负载有关。假设次级绕组安匝数为100,匝数为10,则峰值电流为10A,如上节例子所述。如果将次级绕组与19负载相连则可得到10V的次级电压。如果将这样的次级绕组与1009的负载相连,则可以在次级得到不可思议的1000电压,这就是之所以反激拓扑在高压应用场所得到普遍应用的原因(不得将次级开路,会导致半导体元件损坏)。当次级有几个绕组同时导通时,则所有次级绕组的安重数之和与初级安匝数守恒。

根据以上所述可知,“反激变压器”实际上是以电感的特性工作,所以就需要采用电感的设计原理进行设计(因为磁心同时需要承载电流的直流和交流成分,故第7章中名词采用扼流圈代替电感)。所以说,假若最初“反激变压器”可以根据其功能正确命名为“反激扼流圈”,那现在就不会有那么多的疑惑了。
但是我们都知道,初级与次级绕组就算是不同时导通,它们之间也会存在电压转换关系。还是采用上面的实例,10匝的次级绕组加在100负载之上,次级绕组上电压为1000V。这1000V电压将会折射到初级绕组,其折射电压值为1000,加上输入电压100V,开关管在关断期间将会承受10100V的电压(耐压11000V的开关管,超过现有的工艺水平)。所以在现实中很难实现,但是理论上可行。
所以,当我们在设计“反激变压器”时,需要注意以下几点。
①记住你不是在设计一个变压器,而是有着多绕组的扼流圈。
②初级绕组匝数需要满足AC电压应力(伏秒数)和磁心饱和特性


其中,N,是最小的初级匝数,V是最大的初级直流电压(V),7是开关管Q1的最大导通时间(μs),B是AC磁通密度变化的峰一峰值(特斯拉),铁氧体典型值为200mT,A为磁心中心柱的有效面积(mm2)。
③次级绕组可灵活选择。如果次级绕组每匝电压值与初级相同,则开关管Q上的反激电压为输入电压的两倍。
④当使用带有磁隙的铁氧体磁心时,最小的磁隙长度必须保证在流过交流和直流励磁电流和时,磁心不能饱和。而在更多的情况下,磁隙长度的选择是为了满足能量转换的要求,这样经常会导致磁隙长度超过了其需求的最小长度。初级绕组储存的能量为
E(焦耳)=1/2LI2
这是摄像机电源适配器初级能够传送到次级的最大能量,而且只是在断续(完全能量传递)的工作模式。在连续的工作模式,只有部分能量被传送。
注意:减小电感值L,看上去可以减少初级储在的能量,但是在电感减小的同时,电流/会以相同的比例增太。又因为能量与电流/的平方值成正比,所以减小电感值,其实初级储存的能量实际上是增加的。
⑤不推荐一味地设计出某一固定的电感值,而最好是电感值能够在磁隙长度或是磁心材料(磁导率)改变时可以有相应的变化裕量。


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| 发布时间:2019.01.14    来源:电源适配器厂家
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