隔离反激开关电源原理及应用分析

4.反激式开关电源的优点是电路比较简单， 体积比较小 ，在成本上比较有优势
反激式开关电源的优点是电路比较简单，二次 侧，比正激式开关电源少用了一个大的储能滤 波电感，以及一个续流二极管；一次侧，不需 要附加磁复位电路，在反激式开关电源中，在 开关管关断的时候，反激式变换器的变压器储 能向负载释放，磁芯自然复位，不需要加磁复 位措施。
隔离反激开关电源原理及应用分析
开关电源的产生与发展 原理介绍 应用分析
开关电源的产生与发展
随着大规模和超大规模集成电路的快速发展, 那种体积大而笨重的使用工频变压器的线性 调节稳压电源已经过时。取而代之的是小型 化、重量轻、效率高的隔离式开关电源。
隔离开关电源
隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换 电路，能高效率地稳定输出直流电压。
S关断后,电感L通过VD2续流,VD1关断.S关断后变压器的激磁电流经N3绕组和VD3流 回电源,以完成磁复位,所以S关断后承受的电压为 Us=Ui+Ui*N1/N3 变压器的磁心复位:开关S开通后,变压器的激磁电流由零开始,随着时间的增加而线性的 增长,直到S关断.为防止变压器的激磁电感饱和,必须设法使激磁电流在S关断后到下一次 再开通的一段时间内降回零,这一过程称为变压器的磁心复位. 变压器的磁心复位时间为: Tr=N3*Ton/N1 输出电压: Uo=(N2/N1)*Ui*D
烂，电流音和CE是跷跷板的两端，不能只顾CE或电流音，需要采取折中 的方法取个平衡点，这就需要不断try Y电容的大小了.
开关电源电流音的解决
3.变压器的参数会影响电流音的好坏，因为整个开关电源的回路, 初级与次级之间只是跨接了光耦，Y电容，变压器这三个器件，光 耦对AC hum noise是没有影响的， Y电容的大小，变压器的寄生电 容和材料会影响电流音的大小 变压器的寄生电容影响同Y电容的效果也是一样的，越大，电流音 越大，厂商在变压器设计绕制的时候需注意此参数 变压器磁芯的材料会影响电流音的大小，磁导率越高电流音越严 重，但是磁导率越低，磁损耗也会越大，这会增加变压器的发热 量，这需要厂商寻找较好的磁芯材料来解决磁问题
隔离反激开关电源的应用与分析
F420的功率在10W左右，所以选用的是12V/1.5A 18W的反激 开关电源，下面就该款电源在应用中遇到的一些问题就行讨论分 析，如遇到类似问题可以提供参考方向。 电路图如下
开关电源电流音问题
开关电源电流音：开关电源直流输出端的正极或负极对交流输入端的大地有个共模 交流电压，其交流频率是市电的两倍, 如50Hz市电, 共模交流电压频率即是 100Hz(因为电源供应器普遍使用全波整流电路的关系).如这种电源用于语音产品， 这个共模交流电压对产品的系统电路而言是看不到的, 但是会经由我们的产品进入 电话机, 依据电话机本身特性, 如听筒设计差异等, 会将共模电压转换成可听见的差 模信号, 经由听筒的receiver/speaker输出, 我们就听到了AC hum noise.
5.反激开关电源适用于多路输出的电路
因为反激开关电源次级不需要储能电感和续 流二极管，只要在变压器设计上，增加绕组 即可实现多路输出。
正激开关电源与反激开关电源总结
正激开关电源的输出稳定，纹波较小，适用 于较大功率的场合 反激开关电源的纹波较大，效率较低，但成 本较低，适用于100W以下的电源或者辅助 电源（效率较低的原因）。 正激开关电源的成本一般比反激高 选用哪种电源需根据实际情况考虑
2.反激（flyback）开关电源
反激开关电源的拓扑及工作波形
电路工作过程
电路结构
电路结构和正极相比，电路结构较简单，在初级少了磁 复位电路，因为在变换器反激(S关断)期间，二次绕组 和整流二极管构成电路回路，同时完成磁复位功能；在 次级少了续流二极管和储能电感。 S开通后,VD处于断态,N1绕组的电流线性增长,电感 储能增加; S关断后,N1绕组的电流被切断, VD处于正向导通， 变压器中的磁场能量通过N2绕组向输出端释放. S关断后的电压为:us=Ui+N1*Uo/N2
输出电压关系:Uo=(N2/N1)*Ui*D/（1-D）
正激开关电源与反激开关电源的特性比较
1.反激式开关电源的电压和电流的输出特性要比正激式开关电源的差。
用电压或电流的幅值与其平均值之比，称为脉动系数S ，S的值越小，表 示输出电压和电流越稳定，电压和电流的纹波也越小。
由于正激式变压器开关电源一般都是选取变压器输出电压的一周 平均值，储能电感在控制开关接通和关断期间都向负载提供电流 输出，因此，正激式变压器开关电源的负载能力相对来说比较强， 输出电压的纹波比较小。在正常负载的情况下，控制开关的占空 比最好选取在0.5左右，或稍大于0.5，此时流过储能滤波电感的 电流才是连续电流。此种情况下，负载能力相对来说比较强。 观察反激开关电源的次级二极管的电流情况可知，在开关管导通 期间，二极管反偏没有电流，负载的电流只有依靠输出电容提供， 只有在开关S断开后，二极管正向导通给输出电容充电 如果开关周期及占空比相同的情况下，反激输出的能量只有正激 的一半
正激动开关电源拓扑及工作波形
电路的工作过程


电路结构
由逆变器（DC-AC）,高频变压器（N1,N2,N3绕组），整流二极管，续流二极管，储能电感， 反馈控制PWM的电路及输出电容C组成。
开关S开通后,变压器绕组N1两端的电压为上正下负,与其耦合的N2绕组两端的电压也是 上正下负.因此VD1处于通态,VD2为断态,电感L的电流逐渐增长;
整流二极管吸收RC
并接在二极管两端的阻容串联元件在二极管开通或关断过程中, 电压发生突变时,通过电阻对电容的充电将明显减 缓电压变化率 整流二极管加入RC滤波以后，电压尖峰降低了，振铃震荡也抑 制住了.选择合适的RC对电源可靠性及EMI/EMC很重要。
反激开关电源变压器
变压器是反激开关电源的核心。 反激式电源变换器设计的关键因素之一 是变压器的设计。 变压器的设计涉的知识面比较多，因为反激变压器是在开关管 导通的时候需要储存能量，需要考虑磁饱漏感等问题，这里就 不做介绍了
3.反激式开关电源变压器初级和次级线圈的漏感 都比较大，开关电源变压器的工作效率低。
反激式开关电源变压器的铁芯一般需要留一定的气隙， 一方面是为了防止变压器的铁芯因流过变压器的初级线 圈的电流过大，容易产生磁饱和。 另一方面是因为变压器的输出功率（伏秒积）小，需要 通过调整电压器的气隙和初级线圈的匝数，来调整变压 器初级线圈的电感量的大小。电感量增大漏感也增大 增加气隙会增大磁阻，增加变压器的热损耗，从而会降 低开关电源变压器的工作效率，并且漏感还会产生反电 动势，容易把开关管击穿。
开关电源电流音的解决
4.采用线性电源可以解决电流音问题，但是 现在的电源都要求满足宽范围输入电压 100—240V，线性电源不能符合，而且一 般线性电源的效率较低
电源可靠度分析
F420在杭州某郊区出现电源有个别被烧毁，其他地区没有此情况，分析 原因基本是器件由于高压被烧毁，电压偏高,下午电压从230多伏到250 多伏不定的在变动，以下是分析的原因 1. 測試D8 燒毀,當工作電壓輸入電壓為AC264V, D8兩端電壓為107V Over Spec, 電流Irms為927mA. (D8的Spec:100V/3A). D8 電壓 Derating 不足. 供應商設計問題. 开关管导通瞬间，整流二极管承受的反向电压=Vo+VIN(N2/N1), VIN 输入端整流过后的直流电压,Vo是输出电压，N1\N2分别为初次级变压器 的线圈数。二极管的反向耐压需要谨慎选择。 2. Q1 MOS 管炸毀, 取下燒毀Adaptor 電變壓器2pcs, 量測變壓器漏 感為 43, 44uH, 將變壓器放置新品Adaptor 量測Q1 Vds 約為620V, Q1電壓Derating 不足, 供應商設計問題（VT=VIN/(1-D)）VT是开关 管承受的应力电压，VIN输入端整流过后的直流电压，D为开关占空比。 假如输入交流电压为264V，占空比D=0.5,则 VT=264*1.414/0.5=747V，这个值超出了SPEC
开关电源电流音的解决
AC hum Noise的存在使我们在通话中电话总能听到一些杂讯， 一般我们要求在10V以内，一般话机就不易听得到杂讯了。这个 电压越小越好，由于开关电源的机理决定了不可能完全消除，但 是我们可以在设计中尽量减小此杂讯 减小电流音的方法，就我目前了解的一些，做个介绍 1.在输入端，将全波整流改为半波整流， AC hum Noise会降低 一半，因为220V的市电整流由全波变为半波，能量减少50%， 这样在输出端表现出来的结果，会在全波整流的水平降低50%.此 种方式会加大输出电压纹波和降低效率. 2.将Y电容减小或者拿掉不用，拿掉这种方式很管用，一般会降低 到10V以内，但是一般直接这样改掉会使Conduction Emission很
2.反激式开关电源的瞬态控制特性相对来 说比较差。
由于反激式开关电源仅在开关关断期间才向负载提供能 量输出，当负载电流出现变化时，开关电源不能立即对 输出电压或电流产生反应，而需要等到下一个周期，通 过输出电压取样和占空比电路的作用，开关电源才开始 对已经过去了的事情进行反应，即改变占空比，因此， 反激式开关电源的瞬态控制特性相对来说比较差。

这种共模交流电压在过去使用Linear adaptor的时代是不明显的. 但因为 switching adaptor 通常具备连接一二次侧的安规电容, 以解决EMI中的 Conduction Emission问题, 以致一次侧信号会couple至二次侧, 故二次 侧共模交流电压相对变高许多. 实际量测, 30~90Vrms是很常见的 .
整流滤波
设计次级主要是整流二极管选择，滤波电容选择 滤波电容选择只需要考虑耐压值，纹波，温升即可。 一般滤波电容使用电解电容，但是电解电容ESR比 较大，会造成纹波大，如果纹波不合要求可以使用 多个电解电容并联减小ESR，较小ESR的电容 电解电容温升会影响寿命，一般Irms不要超过电 容额定值即可。 电解电容工作电压最好在额定电压值得80%一下MS寄生参数模型：包含有寄生电容，寄 生二极管，其中Cgd与Cgs对开关速度影响 较大，Cds对关断损耗影响较大。
开关MOS管的选择
正常速度关断，电压跟电流会有交叉，所以 开关速度对关断损耗影响。
*I U*I
I
U
开关MOS管的选择
NMOS耐压值选择(降额80%)： Udss>=(Uinmax+Uinmin)/80%， 一般开关有电压尖峰，可靠点选择可以按照： Udss>1.5*Uinmax NMOS电流选择 Id>4*sqrt(1/3)*Pin/Vinmin.
开关电源的工作过程： 把220V交流电经整流， 滤波后为300V左右的直流电压， 再由开关管 斩成交流方波，交流方波通过变压器一次侧， 再由变压器二次侧输出，再经整流获得需要的 电压。 按能量传输过程可分：正激（forward）开关
电源和反激（flyback）开关电源
1.正激（forward）开关电源