【电源设计】06正激式开关电源

前言

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1.正激工作机制分析

1.1简介

• 正激式开关电源是指使用正激高频变压器隔离耦合能量的开关电源，正激式开关电源中结构比较复杂，输出功率高，适用于低压，大电流（100W－300W）的开关电源，应用广泛。
• 正激的变压器只有变压功能，单端正激(Forward)变换器是在buck的基础上加入变压器隔离，单端 —— 变压器磁通仅在单方向变化；正激 —— 开关管导通时电源将能量直接传送给负载。整体可以看成一个带变压器的buck电路。

1.2原理

• 基本拓扑（单端）：
  
  
  双管正激拓扑：
  

• 变换过程类似下图：

第1步∶加入隔离变压器;
第2步︰加入磁复位电路;
第3步︰加入阻断二极管。

• 单端正激由于加入隔离变压器导致要考虑磁芯磁通的问题，如上图，如果没有磁复位电路,每次开关管导通Up都会给磁芯充磁，且整个周期没有退磁的过程，这样变压器的磁芯磁通肯定会饱和，
  
• 因此，必须加入磁复位电路。

• 开关管导通的时：N1绕组电压、电流都是上正下负，同时次级N2电压也是上正下负，向负载供电，而N3绕组电压下正上负，由于二极管D3的单向导电性，N3绕组无电流。这个阶段N1绕组给磁芯充磁。
• 当开关管关断时：各绕组电压极性都反转，N1、N2绕组都无电流，而N3绕组（电压上正下负）通过电源和DR形成回路，绕组电流下正上负，给磁芯退磁，同时把能量回存到电源中（给电源滤波电容充电），也防止N1组产生过高的反峰电压将开关管击穿，一举三得。磁芯磁通在每个开关管截至期间被释放掉。
  

1.3原理总结

缺点：

• 防止变压器初级线圈产生的反电动势把开关管击穿，需要增加反电动势绕组
• 次级多加1个电感进行储能滤波，成本较高
• 正激式开关电源变压器的体积要比反激式开关电源变压器的体积大。

• 正激是初级工作次级也工作，次级不工作有续流电感续流，一般是CCM模式。功率因数一般不高，而且输入输出和变比占空比成比例。
• 正激变压器是理想的，不储能，但是由于励磁电感是有限值，励磁电流使得磁芯会大，为避免磁通饱和，变压需要辅助绕组进行磁通复位。

2.反激开关电源设计关键与元器件选型分析

• 选择合理电源IC，若开管集成在IC内部的话，输出电流能力有限。
• 环路合理设计，反馈电阻原理高压部分，不以防止高压部分干扰耦合近反馈回路。
• 其他要点与反激以及三种基本拓扑要点一致。

3.设计案例

以下完全搬自链接: CCM模式下电路参数的设计
CCM模式下电路参数的设计
Q：设计一正激式变换器，要求工作于电感电流连续状态，技术指标要求如下：
1、输入直流电压：100~150V；
2、输出直流电压：5V；
3、最大输出电流：5A；
4、最小输出电流：0.1Ａ；
5、输出电压纹波峰峰值：100ｍＶ；
6、开关频率：100ｋＨｚ。

主电路参数设计目标
1、变压器设计：需求得变压器匝数比、变压器额定功率两个参数。
2、电感参数设计：求得电感量与最大有效值电流、最大峰值电流三个参数。
3、电容参数设计：需得到电容量与额定电压两个参数。
4、开关管选择：需得到额定电流、额定电压两个参数。
5、二极管选择：需得到额定电流、额定电压两个参数

3.1变压器参数计算

开关管导通时：

开关管关断：

同时由于一个周期内磁芯磁通的增量一定得小于减量，所以单端正激对开关管D也有要求：

3.2电感参数设计

电感电流连续的临界条件同BUCK电路，

3.3电容参数设计

3.4输出整流二极管参数计算

阻断二极管D2有效电流可以参考BUCK的MOS：

续流二极管D1电流参数计算参考BUCK电路二极管：

二极管D１和D２承受最大电压是一样的，都是变压器副边电压 = Us max*N2/N1 =15V，故其承受的最大电压为１５V，其额定电压取30V以上（取两倍的安全裕量）。D2的额定电流取５A以上，D1的额定电流取６A以上，都可选择快速恢复二极管或肖特基二极管。

3.5MOS管参数计算

MOS管额定电流一般要求取MOS管最大有效值电流的２～３倍.

3.6磁通复位绕组N3续流二极管D3参数计算

由于N1=N3，D3续流电流为变压器的励磁电流，励磁电流的详细计算需要先确定磁芯，一般可以粗略考虑复位绕组的额定电流（D3的额定电流）为主绕组额定电流（MOS管额定电流）的10%~30%，因此，D3额定电流为ID3 =

4.正激反激对比

工作原理不同：

• 正激是初级工作次级也工作，次级不工作有续流电感续流，一般是CCM模式。功率因数一般不高，而且输入输出和变比占空比成比例。
• 反激是初级工作，次级不工作，两边独立开来,一般DCM模式下，但是变压器的电感会比较小，而且需要加气隙,所以一般适合中小功率情况。

• 正激变压器是理想的，不储能，但是由于励磁电感是有限值，励磁电流使得磁芯会大，为避免磁通饱和，变压需要辅助绕组进行磁通复位。
• 反激变压器工作形式可以看做耦合电感;电感先储能，再放能，由于反激变压器的输入、输出电压极性相反，固当开关管断开之后，次级可以提供磁芯一个复位电压，因而反激变压器不需额外增加磁通复位绕组。

结束语

• 以上就是正激式开关电源的内容。
• 推荐牛客网刷题(点击可以跳转)的硬件刷题板块。
  

参考资料：
链接1: 正激与反激—电路分析、设计要点与参数选择
链接2: 链接: 单端正激(Forward)变换器的工作原理&CCM模式下电路设计参数计算
链接3: 什么是电源正激和反激？ 正激和反激有什么区别特点？如何快速区分文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-816878.html

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