構建反激變換器電路

在電子學中，調節(jié)器是一種能夠不斷調節(jié)輸出功率的裝置或機構。在電源領域有不同種類的穩(wěn)壓器。但主要是，在直流到直流轉換的情況下，有兩種類型的穩(wěn)壓器可用：線性或開關。

線性穩(wěn)壓器使用阻性電壓降來調節(jié)輸出。由于這種線性調節(jié)器提供較低的效率，并以熱量的形式損失功率。開關穩(wěn)壓器使用電感、二極管和電源開關將能量從源轉移到輸出。

開關穩(wěn)壓器的類型

有三種類型的開關穩(wěn)壓器可用。

1. 升壓變換器(升壓調節(jié)器)

2. 降壓變換器(Buck穩(wěn)壓器)

3. 反激變換器(隔離調節(jié)器)

我們已經解釋了升壓穩(wěn)壓器和降壓穩(wěn)壓器電路。在本教程中，我們將描述反激調節(jié)器電路。

降壓穩(wěn)壓器和升壓穩(wěn)壓器的區(qū)別在于，在降壓穩(wěn)壓器中電感、二極管和開關電路的放置與升壓穩(wěn)壓器不同。此外，在升壓穩(wěn)壓器的情況下，輸出電壓高于輸入電壓，但在降壓穩(wěn)壓器中，輸出電壓將低于輸入電壓。降壓拓撲或降壓轉換器是SMPS中最常用的基本拓撲之一。當我們需要將較高的電壓轉換為較低的輸出電壓時，這是一個普遍的選擇。

除了這些穩(wěn)壓器之外，還有另一種穩(wěn)壓器存在，這是所有設計人員普遍選擇的，這就是反激式穩(wěn)壓器或反激式變換器。這是一種通用的拓撲結構，可用于需要從單個輸出電源獲得多個輸出的情況。不僅如此，反激拓撲允許設計者同時改變輸出的極性。例如，我們可以從單個轉換器模塊創(chuàng)建+5V， +9V和-9V輸出。兩種情況下的轉換效率都很高。

反激變換器的另一個特點是輸入和輸出的電氣隔離。為什么我們需要隔離?在某些特殊情況下，為了最小化功率噪聲和安全相關操作，我們需要隔離操作，其中輸入源與輸出源完全隔離。讓我們來探索一下基本的單輸出反激操作。

反激變換器的電路操作

如果我們看到基本的單輸出反激設計，如下圖所示，我們將確定構建一個反激設計所需的基本主要組件。

一個基本的反激變換器需要一個開關，它可以是場效應管或晶體管，變壓器，輸出二極管，電容器。

最主要的是變壓器。在了解實際的電路操作之前，我們需要了解變壓器的正確工作原理。

變壓器至少由兩個電感組成，稱為次級線圈和初級線圈，繞組在線圈前，中間有鐵芯。磁芯決定了磁通密度，這是將電能從一個繞組傳遞到另一個繞組的重要參數(shù)。另一個最重要的事情是變壓器的相位，在初級和次級繞組中顯示的點。

此外，正如我們所看到的，一個PWM信號通過晶體管開關連接。這是由于開關的關斷頻率和開斷時間。PWM代表脈沖寬度調制技術。

在反激式穩(wěn)壓器中，有兩種電路操作，一種是變壓器初級繞組充電時的開斷相，另一種是電能從初級繞組到次級繞組再到負載時的關斷或變壓器轉移相。

如果我們假設開關已經關閉很長一段時間，電路中的電流為0，沒有電壓存在。

在這種情況下，如果開關打開，那么電流將增加，電感將產生電壓降，這是點負的，因為電壓在主點端更負。在這種情況下，由于核心產生的通量，能量流向次級。在次級線圈上，電壓在相同的極性上產生，但電壓與次級線圈與初級線圈的匝數(shù)比成正比。由于點負電壓，二極管被關閉，沒有電流將在二次流。如果電容在之前的開關- on周期中充電，輸出電容將只向負載提供輸出電流。

在下一階段，當開關關閉時，流過初級的電流減少，從而使次級點端更積極。與先前的開關ON階段相同，初級電壓極性也在次級電壓上產生相同的極性，而次級電壓與初級和次級繞組比成正比。由于點正端，二極管被打開，變壓器的二次電感為輸出電容和負載提供電流。電容器在ON周期中失去了電荷，現(xiàn)在它再次被重新填充，并且能夠在開關ON時間期間向負載提供充電電流。

在整個開關ON和OFF周期中，在輸入電源和輸出電源之間沒有電連接。因此，變壓器隔離了輸入和輸出。

有兩種模式的操作取決于開關的接通和關閉時間。反激變換器可以工作在連續(xù)模式或不連續(xù)模式。

在連續(xù)模式下，在一次充電之前，電流變?yōu)榱?，循環(huán)重復。另一方面，在不連續(xù)模式下，下一個周期只有在初級電感電流為零時才開始。

反激變換器的效率

現(xiàn)在，如果我們研究效率，也就是輸出功率與輸入功率的比率：

由于能量不能產生也不能消滅，它只能被轉換，所以大多數(shù)電能將未使用的電能轉化為熱能。在實際領域也沒有理想的情況。效率是選擇穩(wěn)壓器的一個重要因素。

開關穩(wěn)壓器的主要功率損耗因素之一是二極管。正向壓降乘以電流(Vf x i)是未使用的瓦數(shù)，它被轉換成熱量，降低了開關穩(wěn)壓器電路的效率。此外，它是熱/熱管理技術的電路的額外成本，如使用散熱器或風扇來冷卻電路的散熱。不僅正向電壓下降，反向恢復對硅二極管也產生不必要的功率損失和降低整體效率。

避免標準恢復二極管的最好方法之一是使用肖特基二極管，它具有低正向壓降和更好的反向恢復。另一方面，開關已改為現(xiàn)代MOSFET設計，在緊湊和更小的封裝中提高了效率。

盡管開關穩(wěn)壓器具有效率高、設計技術平穩(wěn)、元件體積小、噪聲小等優(yōu)點，但仍被廣泛使用。

LM5160反激變換器的實例設計

我們將使用德州儀器的反激拓撲。電路可以在數(shù)據(jù)表中找到。

LM5160具有以下特點

?寬4.5V至65V輸入電壓范圍

?集成高側和低側開關

○不需要外部肖特基二極管

?2-A最大負載電流

?自適應恒定準時控制

○無外環(huán)補償

○快速瞬態(tài)響應

?可選擇強制PWM或DCM操作

○FPWM支持多輸出buck

?幾乎恒定的開關頻率

○電阻可調至1mhz

?程序軟啟動時間

?Prebiased啟動

?±1%反饋電壓基準

?LM5160A允許外部VCC偏置

?魯棒設計的固有保護特性

○峰值限流保護

○可調輸入UVLO和遲滯

○VCC和柵極驅動器UVLO保護

○具有滯后的熱停機保護

?使用LM5160A和WEBENCH®電源設計器創(chuàng)建定制設計

它支持從4.5V到70V的寬輸入電壓范圍，并提供2A的輸出電流。我們還可以選擇強制PWM或DCM操作。

LM5160的輸出

該IC沒有DIP封裝或易于焊接的版本，盡管這是一個問題，但IC節(jié)省了大量PCB空間以及比PCB散熱器更大的熱性能。引腳圖如圖所示。

絕對最大評級

我們需要注意IC的絕對最大額定值。

SS和FB引腳具有低電壓公差。

反激變換器電路圖及工作原理

通過使用LM5160，我們將基于以下規(guī)格模擬12V隔離電源。我們選擇電路是因為制造商網站上提供了所有信息。

該原理圖使用了大量的組件，但理解起來并不復雜。輸入端的C6、C7和C8用于輸入電源的過濾。而R6和R10則用于欠壓鎖定相關目的。R7電阻器用于與接通時間相關的目的。這個引腳是可編程的使用一個簡單的電阻。橫跨SS引腳連接的C13電容器是軟啟動電容器。模擬地(AGND)和電源地(PGND)以及PAD與電源地連接。在右邊，C5, 0.01 uF電容器是一個引導電容器，用于柵極驅動器的偏置。R4， C4和C9是紋波濾波器，其中R8和R9為LM5160的反饋引腳提供反饋電壓。這兩個電阻的比例決定了輸出電壓。C10和C11用于初級非隔離輸出濾波。

一個主要的組成部分是T1。它是一個耦合電感器，兩側有一個60uH的電感器，初級和次級。我們可以選擇任何其他的耦合電感或特定的電感與以下規(guī)格

?匝比SEC:PRI = 1.5: 1

?電感= 60uH

?飽和電流= 840mA

?直流電阻PRIMARY = 0.071歐姆

?直流電阻SECONDARY = 0.211歐姆

?頻率= 150khz

C3用于EMI穩(wěn)定性。D1是轉換輸出的正向二極管，C1、C2是濾波帽，R2是啟動所需的最小負載。

那些想要定制電源規(guī)格并想要計算值的人，制造商提供了出色的Excel工具，您只需簡單地放入數(shù)據(jù)，Excel將根據(jù)數(shù)據(jù)表中提供的公式計算組件值。

制造商還提供了spice模型以及完整的原理圖，可以使用德州儀器自己的基于spice的仿真工具TINA-TI進行模擬。下圖是使用廠商提供的TINA-TI工具繪制的原理圖。

仿真結果如下圖所示，圖中顯示了理想的負載電流和電壓

本文編譯自circuitdigest