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电源适配器反激变换器连续模式的基本工作原理

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电源适配器反激变换器连续模式的基本工作原理

   电源适配器反激拓扑广泛应用于高电压、小功率场合(电压不于500功率小于15W)。当直流输入电压较高(不小于160)、初级电流适当时,该拓扑也可以用在输出功率达到150W的电源适配器中。输出端可不接滤波电感的特性,使该拓扑在高压输出场合具有很大的优势。面前面讨论的正激变换器由于输出滤波电感必须承受高压而带来了许多问题。此外,电源适配器反激变换器不需要高压续流二极管,使它在高电压场合下应用更有利。
   补充:电源适配器反激变换器在高压应用场合还具有另一优势:相对于其他拓扑而言,电源适配器反激变换器利用较少的绕组匝数,就可获得较高电压。


    24V2A电源适配器反激拓扑非常适用于多路输出的变换器,由于不需要输出电感,输入电压和负载变化时电源适配器反激变换器的各输出端都能很好地跟随调整,比前面讨论的正激拓扑类型的变换器输出调整率要好得多所以在输出功率为50~150W,多路输出(最多可大于10组隔离输出)的变换器中常用电源适配器反激拓扑。
    虽然这种拓扑直流输入电压可低至5V,但一般更常见于采用经过115V交流电压整流而得到的160V直流电压作为输入。只要变压器匝比设计得当,则这种拓扑同时应用于由115V交流整流得到的160V和由220V交流整流得到的320V作为直流输入的场合,从而无需采用图所示的倍压整流方案。
    尽管倍压整流方案被广泛采用,却存在一个问题。若将电路从115V交流输入切换到220V时,必须将图中的转换开关置于电源适配器外部(这必然导致安全隐患),或者打开电源适配器机壳进行切换。这两种方法都有缺陷,4。7节将介绍另一种不需要开关切换的方案。两种工作模式下的电路拓扑相同,如图4。1所示。决定电路工作模式的参数只是变压器的励磁电感和电路的输出负载电流。励磁电感给定后,若负载电流超出规定范围,电路就会脱离原先设计的断续工作模式而进入连续模式。下面将对工作模式转变的原理及其后果进行详细讨论。


如图所示,断续模式的初级电流波形前端没有阶梯。而在开关管关断期间,次级电流是衰减的三角波,且在下一周期开始之前已衰减至零。开关管导通期间储存于初级的所有能量,在下个周期开始之前已完全由次级传送至负载。
电源适配器连续模式如图所示,初级电流有前沿阶梯且从前沿开始斜坡上升。在开关管关断期间,次级电流为阶梯上叠加衰减的三角波。当开关管在下个周期开始导通瞬间,次级仍然维持有电流(等于阶梯值)。很明显,在下个周期开关管开通时刻,变压器储存能量未完全释放,仍有能量剩余。
两种工作模式有完全不同的工作特性和应用场合。传递函数中不含右半平面零点的断续模式电路,其负载电流突变的瞬态响应更快且引起的输出电压尖峰更低。
但快速的瞬态响应带来了一个间题,从图可见,断续模式下次级蜂值电流为连续模式下的2~3倍。次级电流波形的平均值即为直流负载电流,若设两种模式下的关断时间基本相等,且波形平均值相同,则断续模式的三角波峰值会明显比连续模式下的梯形波峰值高很多。

电源适配器断续工作模式下的次级电流峰值大,将在开关管关断瞬间产生较大的输出电压尖峰,从而需要较大的LC滤波器。另外,断续工作模式下的开关管关断瞬间,较大的次级峰值电流会造成严重的RF问题。即使输出功率不是很大,关断瞬间次级有较大电流尖峰流入,在输出线电感产生较高的d/d,从而会在输出地线上产生严重的噪声。
补充:断续工作模式主要的优点是,次级整流二极管关断时电流应力很小,即在开关管Q1下一次导通时刻之前,二极管已经完全关断。所以在此模式中就不会存在二极管反向恢复的问题,而在高压应用场合中,这种优势更加明显。二极管反向恢复带来的电流尖峰很难去除,且会带来较严重的RFI问题。
因为较差的波形系数,断续模式下次级电流的有效值比连续模式下大得多。因此,断续模式要求更大的导线尺寸和耐高纹波的输出滤波电容。同时由于电源适配器次级有效值电流较大,断续模式下的整流二极管的温升也会更高。而且,断续模式下的初级电流峰值也会大于连续模式。若输出功率相同,则图所示的三角波电流峰值一定比图所示的梯形电流峰值高。而较大的初级电流峰值,就要求使用更大电流规格且可能更昂贵的开关管。另外,开关管关断时的初级电流越大就会导致越严重的RFI问题。

虽然电源适配器断续模式存在诸多缺点,但它比连续模式应用更加广泛。原因有两个:第一,如前所述,断续模式本身的变压器励磁电感小从而响应快,且输出负载电流和输入电压突变时,输出电压瞬态尖峰小:第二,由于连续模式本身的特性(其传递函数具有右半平面零点,这将在后面反馈环稳定性一章中讨论),必须大幅减小误差放大器带宽才能使反馈环稳定。
补充:现代的功率设备比如功率集成度很高的 Top Switch((开关模块)类产品,其中与散热片隔离的芯片中的开关管漏极,是很大的噪声源。这种产品连同集成的驱动和控制电路,通常使用断续工作模式的电源适配器反激拓扑来减少RF问题。


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| 发布时间:2019.01.17    来源:电源适配器厂家
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