反激式开关电源设计详解(下)
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• 外围元件由ZD2、R6、R15、R17、R10、R16组成。
• ZD2为43V稳压管，因电流很小，工作在反向导通区。选43V是因为TL431最 大的可调节电压是36V，为了能使用这个精密可调器件，我们必须把电压降低 到TL431可正常工作的范围内。
• R6为保证TL431死区电流的大小，输出电压大于7.5V时TL431死区电流可以 通过光耦发光二极管的导通提供，因此可以不加，低于7.5V时，R6=[Vout(Vref-Vb)]/1mA
• TL431 是开关电源次级反馈最常用的基准和误差 放大器件，其供电方式不同对它的传递函数有很 大的影响，很多分析资料常常忽略这一点。
• 关于补偿回路会作为一节课单独讲解。
输出过压保护
• 电路的过压保护分两级 • 1、反馈回路的保护，当电压超出设定电压
值反馈回路会将信息反馈到PWM控制IC， 来调节占空比限制输出电压。 • 2、若反馈回路失效，输出末端加稳压二极 管，当输出远高出设定电压，稳压二极管 反向击穿，使输出正负极形成短路，使初 级启动短路保护或熔断保险保护。
Vout表示输出电压；Vref表示基准电压2.5V；Vb表示管压降0.7V。
• TL431中的总偏置就接近 5mA，而经验显示这 5mA 的电流可实现足够的性 能，而不会牺牲待机能耗。R15=Vout/5mA.
减小光耦LED串联电阻 R15并不会改变TL431的电流，因为 TL431 的电流由 初级端反馈电流 IC 施加，通过光耦合器电流传输比(CTR)反射在 LED 中。改 变 R15 值会影响中带增益，而非 TL431 偏置，因为系统采用闭环形式工作。
• R17、 R10、R16组成的分压器在输出电压达到目的值时。R10与R17的节点 电压刚好等于431内部参考电压。
反馈补偿回路
• C8、C4、R19组成了431所需的回收回路补偿，以 便稳定控制回路。
• 稳定的反馈环路对开关电源来说是非常重要的， 如果没有足够的相位裕度和幅值裕度，电源的动 态性能就会很差或者出现输出振荡。
限流电路
• 限流电路由R18、U5、C17、R9、R20、R21 组成。 • 工作原理：R18为回路的电流检测电阻，为了降低损耗，此
电阻选择时尽量的小。U5为运算放大器LM358，358内部由 两个运放，我们将两个运放一个做放大器，一个做比较器， 将检测电阻上的电压值放大32.4倍后与基准电压做比较。 当运放值低于基准值时，比较器输出高电平（358VCC电 压），当运放值高于基准电压值时，比较器输出低电平 （相对于接地）。
• Tj=Rthjc*Vf*Id_rms+Ta Ta为工作的环境温度 Tj为二极管工作温度理论值 Vf表示二极管的正向导通压降 Id_rms表示通过二极管的平均电流
吸收回路
• 吸收的本质 ，什么是吸收？ • 在拓扑电路的原型上是没有吸收回路的，实际电
路中都有吸收，由此可以看出吸收是工程上的需 要，不是拓扑需要。 • 吸收一般都是和电感有关，这个电感不是指拓扑 中的感性元件，而是指诸如变压器漏感、布线杂 散电感。 • 吸收是针对电压尖峰而言，电压尖峰从何而来？ 电压尖峰的本质是什么？ • 电压尖峰的本质是一个对结电容的dv/dt充放电过 程，而dv/dt是由电感电流的瞬变（di/dt）引起的， 所以，降低di/dt或者dv/dt的任何措施都可以降低 电压尖峰，这就是吸收。
（下）
电子科技大学 杨忠孝
反激开关电源特点
优点 成本低，外围元件少，低耗能，可设置多组 输出。 缺点 输出纹波比较大。 弥补缺陷的方法 输出加低内阻滤波电容或加LC噪声滤波器 可以改善
电动自行车电源电路原理图
次级侧电路原理图
次级整流二极管的选型
• 为了降低输出整流损耗，次级整流二极管一般选用肖特基 二极管，肖特基二极管有较低的正向导通压降Vf，能通过 较大的电流。
吸收回路
• 吸收的作用？ • 1、降低尖峰电压 • 2、缓冲尖峰电流 • 3、降低di/dt和dv/dt，即改善EMI品质 • 4、减低开关损耗，即实现某种程度的软开关。 • 5、提高效率。提高效率是相对而言的，若取值不
合理不但不能提高效率，弄不好还可能降低效率。
吸收回路
• RC吸收的特点：
• 1、双向吸收。一个典型的被吸收电压波形中包括上升沿、上 升沿过冲、下降沿这三部分，RC吸收回路在这三各过程中都 会产生吸收功率。通常情况下我们只希望对上升沿过冲实施 吸收。因此这意味着RC吸收效率不高。
限流电路
• 比较器的输出为低电平后，光耦和 431的节点电压会经过二极管导通 到地，从而改变光耦发光管的回路 电流，光耦光电管根据电流的大小 反馈信息到PWM芯片，PWM芯片 通过反馈信息调节占空比，降低输 出电压来维持输出电流的大小，以 此起到限流的目的。由于占空比调 节的宽度有限，过低的电压超出了 变压器正常工作的频点，实际应用 中会出现变压器啸叫的情况，此状 况可以调节补偿环路及变压器参数 可以解决。
一个效率最高点。 • 2、吸收电容C的大小与吸收功率（R的损耗）
呈正比关系。即：吸收功率基本上由吸收 电容决定。
吸收回路
• 二、吸收电阻R的影响 • 1、吸收电阻的阻值对吸收效果干系重大，影响明显。 • 2、吸收电阻的阻值对吸收功率影响不大，即：吸收
功率主要由吸收电容决定。 • 3、当吸收电容确定后，一个适中的吸收电阻才能达
吸收回路
• 2、测出原始震荡频率后, 可以试着在二极 管上面加电容,直到震荡频率变为原来的1/2. 则原来震荡的C值为所加电容的1/3,知道了C 就可以算R值了, R=2∏fL=1/(2∏fC)。把R 加到所加C上,震荡就可以大大衰减。这时再 适当调整C值的大小,直到震荡基本被抑制。
吸收回路
• 吸收电路测试经验总结： • 一、吸收电容C的影响 • 1、并非吸收越多损耗越大，适当的吸收有
关于隔离器件—光耦
• 光耦全称是光电耦合器，英文名字是：optical coupler，英文缩写为 OC，亦称光电隔离器，简称光耦。 光耦隔离就是采用光电耦合器进行隔离，光耦合器的结构相当于 把发光二极管和光敏(三极)管封装在一起。 发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管转换为电信 号输出，由于没有直接的电气连接，这样既耦合传输了信号，又有隔 离干扰的作用。
• 隔离电压：发光管和光敏三极管的隔离电压的最小值 集电极－发射极电压：集电极－发射极之间的耐压值的最小值
最后总结
• 反激电源是生活中用到最多的电源，作为 电子工程师来说熟悉和了解反激电源的组 成结构和设计是非常必要的。
• 反激电源的设计难点在于变压器及反馈补 偿环路。
• 反馈补偿环路的牵扯的内容太复杂，下次 课针对此部分会和大家做详细的探讨。
输出整流二极管的耐压值
二极管的平均电流值 二极管的峰值电流值
次级整流管的热设计
• 二极管的热损耗包括正向导通损耗、反向漏电流 损耗及恢复损耗。因为选用的是肖特基二极管， 反向恢复时间短和漏电流比较小，可忽略不记。
• 二极管的PN结对环境的热阻可以通过 DATASHEET查得Rthjc=1.2°C/W
wenku.baidu.com
吸收回路
• 吸收的误区 • 1、Buck续流二极管反压尖峰超标，就拼命的在二极管两端加
RC吸收。 这个方法却是错误的。为什么？因为这个反压尖峰并不是二极 管引起的，尽管表现是在这里。这时只要加强MOS管的吸收或 者采取其他适当的措施，这个尖峰就会消失或者削弱。 • 2、副边二极管反压尖峰超标，就在这个二极管上拼命吸收。 这种方法也是错误的，原因很清楚，副边二极管反压尖峰超标 都是漏感惹的祸，正确的方法是处理漏感能量。 • 3、反激MOS反压超标，就在MOS上拼命吸收。 这种方法也是错误的。如果是漏感尖峰，或许吸收能够解决问 题。如果是反射电压引起的，吸收不但不能能够解决问题的， 效率还会低得一塌糊涂，因为你改变了拓扑。
输出电感的计算
• IL=Iout/(1-Dmax) • 先计算出电感上电流 • L=(Vdcmin*Dmax)/(Fs*IL*r) • L为电感量 • Vdcmin为最小的输入直流电压 • Dmax为最大占空比 • Fs为开关频率 • IL为流经电感的电流 • r为系数取值0.4
反馈分压回路
• 反馈回路采用最常用的TL431加光耦电路。
吸收回路
• 吸收的计算 • 书上网络上都有关于吸收回路的计算方法的介绍,但由
于寄生参数的影响,这些公式几乎没有实际意义,实际 上大部分的RC参数是靠实验来调整的,但RC的组合理 论上有无穷多,怎么来初选这个值是很关键的,下面来 介绍一些实用的理论和方法 。 • 1、先不加RC,用容抗比较低的电压探头测出原始的震 荡频率.此震荡是有LC 形成的,L主要是变压器次级漏 感和布线的电感和输出电容, C主要是二极管结电容和 变压器次级的杂散电容。
到最好的吸收效果。 • 4、当吸收电容确定后，最好的吸收效果发生在发生
最大吸收功率处。换言之，哪个电阻发热最厉害就最 合适。 • 5、当吸收电容确定后，吸收程度对效率的影响可以 忽略。
吸收回路
• 软件仿真不同阻值时的波形曲线图
次级滤波电容的计算
次级输出电容损耗的计算
Tan(ó) 代表电容的 损失角正切值 ESR1代表电容的内阻 Pcout代表电容的输出损耗
• 光耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降VF、正向电流IF、电 流传输比CTR、输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极-发射极反向 击穿电压V(BR)CEO、集电极-发射极饱和压降VCE(sat)。
• 光耦的参数都是什么含义？ CTR：发光管的电流和光敏三极管的电流比的最小值 CTR=IC/ IF×100% （输出电流/输入电流*100%）
• 2、不能完全吸收。这并不是说RC吸收不能完全吸收掉上升 沿过冲，只是说这样做付出的代价太大。因此RC吸收最好给 定一个合适的吸收指标，不要指望它能够把尖峰完全吸收掉。
• 3、RC吸收是能量的单向转移，就地将吸收的能量转变为热 能。尽管如此，这并不能说损耗增加了，在很多情况下，吸 收电阻的发热增加了，与电路中另外某个器件的发热减少是 相对应的，总效率不一定下降。设计得当的RC吸收，在降低 电压尖峰的同时也有可能提高效率。
• ZD2为43V稳压管，因电流很小，工作在反向导通区。选43V是因为TL431最 大的可调节电压是36V，为了能使用这个精密可调器件，我们必须把电压降低 到TL431可正常工作的范围内。
• R6为保证TL431死区电流的大小，输出电压大于7.5V时TL431死区电流可以 通过光耦发光二极管的导通提供，因此可以不加，低于7.5V时，R6=[Vout(Vref-Vb)]/1mA
• TL431 是开关电源次级反馈最常用的基准和误差 放大器件，其供电方式不同对它的传递函数有很 大的影响，很多分析资料常常忽略这一点。
• 关于补偿回路会作为一节课单独讲解。
输出过压保护
• 电路的过压保护分两级 • 1、反馈回路的保护，当电压超出设定电压
值反馈回路会将信息反馈到PWM控制IC， 来调节占空比限制输出电压。 • 2、若反馈回路失效，输出末端加稳压二极 管，当输出远高出设定电压，稳压二极管 反向击穿，使输出正负极形成短路，使初 级启动短路保护或熔断保险保护。
Vout表示输出电压；Vref表示基准电压2.5V；Vb表示管压降0.7V。
• TL431中的总偏置就接近 5mA，而经验显示这 5mA 的电流可实现足够的性 能，而不会牺牲待机能耗。R15=Vout/5mA.
减小光耦LED串联电阻 R15并不会改变TL431的电流，因为 TL431 的电流由 初级端反馈电流 IC 施加，通过光耦合器电流传输比(CTR)反射在 LED 中。改 变 R15 值会影响中带增益，而非 TL431 偏置，因为系统采用闭环形式工作。
• R17、 R10、R16组成的分压器在输出电压达到目的值时。R10与R17的节点 电压刚好等于431内部参考电压。
反馈补偿回路
• C8、C4、R19组成了431所需的回收回路补偿，以 便稳定控制回路。
• 稳定的反馈环路对开关电源来说是非常重要的， 如果没有足够的相位裕度和幅值裕度，电源的动 态性能就会很差或者出现输出振荡。
限流电路
• 限流电路由R18、U5、C17、R9、R20、R21 组成。 • 工作原理：R18为回路的电流检测电阻，为了降低损耗，此
电阻选择时尽量的小。U5为运算放大器LM358，358内部由 两个运放，我们将两个运放一个做放大器，一个做比较器， 将检测电阻上的电压值放大32.4倍后与基准电压做比较。 当运放值低于基准值时，比较器输出高电平（358VCC电 压），当运放值高于基准电压值时，比较器输出低电平 （相对于接地）。
• Tj=Rthjc*Vf*Id_rms+Ta Ta为工作的环境温度 Tj为二极管工作温度理论值 Vf表示二极管的正向导通压降 Id_rms表示通过二极管的平均电流
吸收回路
• 吸收的本质 ，什么是吸收？ • 在拓扑电路的原型上是没有吸收回路的，实际电
路中都有吸收，由此可以看出吸收是工程上的需 要，不是拓扑需要。 • 吸收一般都是和电感有关，这个电感不是指拓扑 中的感性元件，而是指诸如变压器漏感、布线杂 散电感。 • 吸收是针对电压尖峰而言，电压尖峰从何而来？ 电压尖峰的本质是什么？ • 电压尖峰的本质是一个对结电容的dv/dt充放电过 程，而dv/dt是由电感电流的瞬变（di/dt）引起的， 所以，降低di/dt或者dv/dt的任何措施都可以降低 电压尖峰，这就是吸收。
（下）
电子科技大学 杨忠孝
反激开关电源特点
优点 成本低，外围元件少，低耗能，可设置多组 输出。 缺点 输出纹波比较大。 弥补缺陷的方法 输出加低内阻滤波电容或加LC噪声滤波器 可以改善
电动自行车电源电路原理图
次级侧电路原理图
次级整流二极管的选型
• 为了降低输出整流损耗，次级整流二极管一般选用肖特基 二极管，肖特基二极管有较低的正向导通压降Vf，能通过 较大的电流。
吸收回路
• 吸收的作用？ • 1、降低尖峰电压 • 2、缓冲尖峰电流 • 3、降低di/dt和dv/dt，即改善EMI品质 • 4、减低开关损耗，即实现某种程度的软开关。 • 5、提高效率。提高效率是相对而言的，若取值不
合理不但不能提高效率，弄不好还可能降低效率。
吸收回路
• RC吸收的特点：
• 1、双向吸收。一个典型的被吸收电压波形中包括上升沿、上 升沿过冲、下降沿这三部分，RC吸收回路在这三各过程中都 会产生吸收功率。通常情况下我们只希望对上升沿过冲实施 吸收。因此这意味着RC吸收效率不高。
限流电路
• 比较器的输出为低电平后，光耦和 431的节点电压会经过二极管导通 到地，从而改变光耦发光管的回路 电流，光耦光电管根据电流的大小 反馈信息到PWM芯片，PWM芯片 通过反馈信息调节占空比，降低输 出电压来维持输出电流的大小，以 此起到限流的目的。由于占空比调 节的宽度有限，过低的电压超出了 变压器正常工作的频点，实际应用 中会出现变压器啸叫的情况，此状 况可以调节补偿环路及变压器参数 可以解决。
一个效率最高点。 • 2、吸收电容C的大小与吸收功率（R的损耗）
呈正比关系。即：吸收功率基本上由吸收 电容决定。
吸收回路
• 二、吸收电阻R的影响 • 1、吸收电阻的阻值对吸收效果干系重大，影响明显。 • 2、吸收电阻的阻值对吸收功率影响不大，即：吸收
功率主要由吸收电容决定。 • 3、当吸收电容确定后，一个适中的吸收电阻才能达
吸收回路
• 2、测出原始震荡频率后, 可以试着在二极 管上面加电容,直到震荡频率变为原来的1/2. 则原来震荡的C值为所加电容的1/3,知道了C 就可以算R值了, R=2∏fL=1/(2∏fC)。把R 加到所加C上,震荡就可以大大衰减。这时再 适当调整C值的大小,直到震荡基本被抑制。
吸收回路
• 吸收电路测试经验总结： • 一、吸收电容C的影响 • 1、并非吸收越多损耗越大，适当的吸收有
关于隔离器件—光耦
• 光耦全称是光电耦合器，英文名字是：optical coupler，英文缩写为 OC，亦称光电隔离器，简称光耦。 光耦隔离就是采用光电耦合器进行隔离，光耦合器的结构相当于 把发光二极管和光敏(三极)管封装在一起。 发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管转换为电信 号输出，由于没有直接的电气连接，这样既耦合传输了信号，又有隔 离干扰的作用。
• 隔离电压：发光管和光敏三极管的隔离电压的最小值 集电极－发射极电压：集电极－发射极之间的耐压值的最小值
最后总结
• 反激电源是生活中用到最多的电源，作为 电子工程师来说熟悉和了解反激电源的组 成结构和设计是非常必要的。
• 反激电源的设计难点在于变压器及反馈补 偿环路。
• 反馈补偿环路的牵扯的内容太复杂，下次 课针对此部分会和大家做详细的探讨。
输出整流二极管的耐压值
二极管的平均电流值 二极管的峰值电流值
次级整流管的热设计
• 二极管的热损耗包括正向导通损耗、反向漏电流 损耗及恢复损耗。因为选用的是肖特基二极管， 反向恢复时间短和漏电流比较小，可忽略不记。
• 二极管的PN结对环境的热阻可以通过 DATASHEET查得Rthjc=1.2°C/W
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吸收回路
• 吸收的误区 • 1、Buck续流二极管反压尖峰超标，就拼命的在二极管两端加
RC吸收。 这个方法却是错误的。为什么？因为这个反压尖峰并不是二极 管引起的，尽管表现是在这里。这时只要加强MOS管的吸收或 者采取其他适当的措施，这个尖峰就会消失或者削弱。 • 2、副边二极管反压尖峰超标，就在这个二极管上拼命吸收。 这种方法也是错误的，原因很清楚，副边二极管反压尖峰超标 都是漏感惹的祸，正确的方法是处理漏感能量。 • 3、反激MOS反压超标，就在MOS上拼命吸收。 这种方法也是错误的。如果是漏感尖峰，或许吸收能够解决问 题。如果是反射电压引起的，吸收不但不能能够解决问题的， 效率还会低得一塌糊涂，因为你改变了拓扑。
输出电感的计算
• IL=Iout/(1-Dmax) • 先计算出电感上电流 • L=(Vdcmin*Dmax)/(Fs*IL*r) • L为电感量 • Vdcmin为最小的输入直流电压 • Dmax为最大占空比 • Fs为开关频率 • IL为流经电感的电流 • r为系数取值0.4
反馈分压回路
• 反馈回路采用最常用的TL431加光耦电路。
吸收回路
• 吸收的计算 • 书上网络上都有关于吸收回路的计算方法的介绍,但由
于寄生参数的影响,这些公式几乎没有实际意义,实际 上大部分的RC参数是靠实验来调整的,但RC的组合理 论上有无穷多,怎么来初选这个值是很关键的,下面来 介绍一些实用的理论和方法 。 • 1、先不加RC,用容抗比较低的电压探头测出原始的震 荡频率.此震荡是有LC 形成的,L主要是变压器次级漏 感和布线的电感和输出电容, C主要是二极管结电容和 变压器次级的杂散电容。
到最好的吸收效果。 • 4、当吸收电容确定后，最好的吸收效果发生在发生
最大吸收功率处。换言之，哪个电阻发热最厉害就最 合适。 • 5、当吸收电容确定后，吸收程度对效率的影响可以 忽略。
吸收回路
• 软件仿真不同阻值时的波形曲线图
次级滤波电容的计算
次级输出电容损耗的计算
Tan(ó) 代表电容的 损失角正切值 ESR1代表电容的内阻 Pcout代表电容的输出损耗
• 光耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降VF、正向电流IF、电 流传输比CTR、输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极-发射极反向 击穿电压V(BR)CEO、集电极-发射极饱和压降VCE(sat)。
• 光耦的参数都是什么含义？ CTR：发光管的电流和光敏三极管的电流比的最小值 CTR=IC/ IF×100% （输出电流/输入电流*100%）
• 2、不能完全吸收。这并不是说RC吸收不能完全吸收掉上升 沿过冲，只是说这样做付出的代价太大。因此RC吸收最好给 定一个合适的吸收指标，不要指望它能够把尖峰完全吸收掉。
• 3、RC吸收是能量的单向转移，就地将吸收的能量转变为热 能。尽管如此，这并不能说损耗增加了，在很多情况下，吸 收电阻的发热增加了，与电路中另外某个器件的发热减少是 相对应的，总效率不一定下降。设计得当的RC吸收，在降低 电压尖峰的同时也有可能提高效率。