【導讀】反激式電源變換器是目前最常見的變換器拓撲之一。 其優(yōu)勢在于簡單的設(shè)計和極具競爭力的尺寸/成本/效率比，尤其是在中等功率范圍（2W 至 100W）應(yīng)用中。
與任意變換器拓撲一樣，反激式變換器由電源路徑和控制路徑組成。電源路徑負責將電源從一種類型變換為另一種類型；與其他開關(guān)電源變換器相同，其組成元件包括：兩個開關(guān)（一個 MOSFET 和一個二極管）、一個電容器和一個電感器。與其他變換器拓撲不同的是，反激式變換器的電感實際上是一對耦合電感。除了為變換過程存儲電力之外，這些電感還實現(xiàn)變換器原邊與副邊之間的隔離（見圖 1）。
圖1: 反激式變換器的電路原理圖
本文將以變換器控制路徑為重點進行介紹，但也會包含電源路徑操作的簡要描述。反激式變換器有兩個操作階段， tON和tOFF，它們以 MOSFET 的開關(guān)狀態(tài)命名并通過MOSFET控制。
在tON期間，MOSFET 導通，電流從輸入流過原邊電感，對耦合電感線性充電并在其周圍產(chǎn)生磁場（見圖 2.b）。在副邊電感中，整流二極管反向偏置，這意味著變壓器與輸出斷開（見圖 2.a）。
圖 2：a) MOSFET 和二極管中的電壓 b) 原邊和副邊線圈中的電流
存儲在輸出電容器中的電荷負責保持負載上穩(wěn)定的電壓（見圖 3）。
圖3: 反激式變換器的電流示意圖
在tOFF期間, MOSFET斷開，耦合電感開始通過二極管去磁，二極管也同時直接極化。然后，來自電感器的電流為輸出電容器充電并為負載供電。
盡管電源路徑掌管了整個變換過程，但變換器設(shè)計中還有一個要素也需要考慮，即控制回路。由于系統(tǒng)中存在電源波動或負載變化等擾動，因此控制路徑對確保系統(tǒng)不受擾動影響而穩(wěn)定的運行十分必要。
與大多數(shù)開關(guān)變換器一樣，反激式變換器的輸出電壓通過 MOSFET 占空比來控制。通過觀察等式 (1) 中的反激控制器傳遞函數(shù)，我們可以輕松理解這一點：
等式 (1) 表明，隨著 D（占空比）值的增加，變換器增益也會增加，從而增大輸出電壓。因此，控制器會修改它發(fā)送到 MOSFET 柵極的信號，以補償它在變換器輸出中檢測到的任何變化。
變換器必須首先檢測輸出電壓的這些變化，正確處理該電壓，然后相應(yīng)地調(diào)節(jié)晶體管的柵極電壓。為了實現(xiàn)更精確的控制，許多控制路徑都包含一個電流控制環(huán)路，它通過檢測流經(jīng)原邊電感器的電流來幫助改善調(diào)節(jié)和功率因數(shù)。這就是最常用的反激式變換器控制技術(shù)：峰值電流控制模式（見圖 4）。
圖4: 峰值電流控制模式原理圖
原邊和副邊調(diào)節(jié)
反激式變換器中最主要的問題是保持隔離。如前文所述，反激式變換器的主要優(yōu)點之一是在輸入和輸出之間提供了磁隔離。隔離將電路分為兩半，稱為原邊和副邊。隔離對保護連接到輸出的任意設(shè)備至關(guān)重要，它避免了設(shè)備因電流泄漏而損壞，甚至傷害到最終用戶。
也因此，隔離必須保持，這意味著原邊電路和副邊電路之間不能有傳導路徑。但是，這也不是絕對的。電壓源變壓器通常允許最大10mA的漏電流，并需要至少3kV 的隔離。但原邊與副邊之間的漏電流仍然需要盡可能地最小化。
這其中還包含了控制器，因此，設(shè)計人員必須找到一種方法，無需繞過隔離屏障即可檢測變換器輸出電壓。這可以通過兩種調(diào)節(jié)方法來實現(xiàn)：原邊調(diào)節(jié)和副邊調(diào)節(jié)。
原邊調(diào)節(jié)
在實際應(yīng)用中，控制器 IC 需要來自變壓器的輔助輸出來為 IC 電路供電（見圖 5）。由于變壓器的特性，這個輔助變壓器輸出與變換器的輸出電壓直接相關(guān)。因此，通過了解變壓器的匝數(shù)比，可以通過該輸出電壓來調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 這稱為原邊調(diào)節(jié) (PSR)，這種方法通過很少的組件對輸出進行了粗略的調(diào)節(jié)。大多數(shù) PSR 控制 IC 還包括補償電路，這樣更是極大地縮短設(shè)計時間。
圖5: 原邊調(diào)節(jié)電路原理圖
原邊調(diào)節(jié)的另一個好處是它最大限度地減少了穿過隔離屏障的路徑數(shù)量。這在高壓應(yīng)用中尤其有益，因為它降低了組件的隔離電壓要求，從而降低了總成本。
但是，原邊調(diào)節(jié)也有一些缺點。例如，輔助繞組上的反射輸出電壓采樣僅在每個 PWM 周期發(fā)生一次。PSR 調(diào)節(jié)系統(tǒng)通常采用拐點采樣，這是一種在電感電流處于最低值時對電壓進行采樣的方法。這種方法顯著減少了電路中的振鈴，但也意味著在開關(guān)周期之間不會監(jiān)測電壓值。因此，其瞬態(tài)調(diào)節(jié)要比在副邊系統(tǒng)中調(diào)節(jié)慢，在副邊系統(tǒng)中，輸出電壓始終受到監(jiān)測。
此外，原邊調(diào)節(jié)在多個輸出時調(diào)節(jié)性能較差，特別是當連接到每個繞組的負載變化很大時。這是因為系統(tǒng)通常會選擇最重負載來實現(xiàn)反饋，所以最重負載單獨決定了控制回路的響應(yīng)。
副邊調(diào)節(jié)
如果需要更精確的調(diào)節(jié)，則采用副邊調(diào)節(jié)（SSR，見圖 6）。這種方法直接檢測輸出電壓，并通過光耦合器將信號發(fā)送到變換器，從而在不破壞原副邊之間隔離屏障的情況下傳輸信號。即使副邊有一個或多個輸出，副邊調(diào)節(jié)也是更精確的方法。這主要是因為各個副邊繞組之間的交叉調(diào)節(jié)比原邊與副邊繞組之間的交叉調(diào)節(jié)好得多。副邊調(diào)節(jié)還允許采用不同的技術(shù)來優(yōu)化調(diào)節(jié)性能，例如在變壓器中使用升級繞組或加權(quán)反饋技術(shù)。
圖6：副邊調(diào)節(jié)電路原理圖
不過，副邊調(diào)節(jié)也有其自身的一系列缺點。例如，SSR 控制回路需要更多組件，特別是當電壓在發(fā)送到位于變換器原邊的控制器之前需要在副邊進行補償時，更是如此。 這增加了變換器的尺寸和成本，同時由于光耦合器隨時間性能下降而降低了可靠性。
總結(jié)
在變換器設(shè)計中有兩種不同的方法實現(xiàn)控制環(huán)路：原邊調(diào)節(jié)與副邊調(diào)節(jié)（PSR 和 SSR）。如上文所述，每種方法都有其優(yōu)缺點，現(xiàn)總結(jié)如下（見表 1）。
MPS 提供了種類繁多的反激式變換器，可提供原邊調(diào)節(jié)和副邊調(diào)節(jié)。部分SSR 控制器（例如MPX2001）甚至包括集成隔離，占板空間更少，設(shè)計過程也更加簡單。要了解更多信息，請瀏覽 MPS 網(wǎng)站上提供的參考設(shè)計、工具、網(wǎng)絡(luò)研討會和其他文章，這些文章將為您提供有關(guān)反激控制電路的更深入的實用信息。
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