電源技巧：為Fly-Buck轉(zhuǎn)換器選擇正確的匝數(shù)比

　　有時(shí)候，您會(huì)遇到需要從寬泛輸入電源獲得簡單、低功耗隔離式輸出電壓的情況。這時(shí)，穩(wěn)壓可能并不重要，重要的是成本和電路板空間。滿足這些需求的良好解決方案是Fly-Buck電源，這只是一款帶耦合繞組的降壓穩(wěn)壓器。

　　穩(wěn)壓的實(shí)現(xiàn)方法是在低側(cè)一次開關(guān)開啟時(shí)對耦合電感器的二次繞組進(jìn)行整流。這可將一個(gè)電壓反射給二次繞組，計(jì)算方法是用降壓輸出電壓乘以耦合電感器匝數(shù)比。

　　圖1展示了Fly-Buck電路的簡單程度。在該設(shè)計(jì)中，同步降壓電源開關(guān)包含在控制IC內(nèi)，只需幾個(gè)分立部件和一個(gè)變壓器就可完成設(shè)計(jì)。成功設(shè)計(jì)的真正訣竅在于耦合電感器的規(guī)范或選擇。尤其需要構(gòu)建對匝數(shù)、漏電感和磁化電感的要求。

　　圖1：Fly-Buck是提供穩(wěn)壓、隔離式輸出的簡單方法。

　　在圖1所示電路中，變壓器的匝數(shù)比由一次及二次輸出電壓確定。它將只是一二次電壓之比與二極管(D1)電壓限值及任何繞組電阻壓降限值之和。在這種情況下，需要了解一次輸出電壓與最小輸入電壓之間的關(guān)系。顯然，該降壓無法提供比輸入高的輸出電壓。如果這兩個(gè)值太接近了，電路可能就沒有正常工作。您可能會(huì)受到最大控制占空比限制，因?yàn)檩敵鲭妷捍蟾啪褪钦伎毡扰c輸入的乘積。

　　第二個(gè)挑戰(zhàn)是極高占空系數(shù)下的電路工作問題，此時(shí)電流會(huì)變得非常高。這些高電流可能由電荷守恒及基本電路工作所致。從電荷守恒來看，輸出電容器只在開關(guān)節(jié)點(diǎn)為低時(shí)充電。在該周期剩余的時(shí)間里，它會(huì)提供負(fù)載電流。電荷平均儲(chǔ)存公式為：

　　其中Icharge/Iout與D對比標(biāo)繪。在占空系數(shù)大于75%時(shí)，該比值大于3，并隨占空系數(shù)的增大而迅速攀升。高電流可對二次輸出穩(wěn)壓產(chǎn)生影響。二極管導(dǎo)電時(shí)，耦合電感器可將一個(gè)反射的一次輸出電壓提供給耦合電感器漏電感、串聯(lián)寄生電阻以及輸出濾波器電容器的串聯(lián)組合。

　　漏電感會(huì)對圖3底部線跡所示的二次電流波形產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，這將影響穩(wěn)壓。漏電感可決定二次繞組中電流上升的速度。如果只有少量漏電感，電流會(huì)快速上升到較高值，快速為輸出電容器充電。隨著電感增加，電流上升速度會(huì)減慢，這不僅會(huì)導(dǎo)致提供給輸出電容器的電荷減少，而且還會(huì)導(dǎo)致輸出電壓降低。[!--empirenews.page--]

　　圖3：漏電感會(huì)對充電電流波形產(chǎn)生強(qiáng)烈影響(綠色=10nH，紅色=100nH，藍(lán)色=1uH)。

　　圖4是通過仿真得到的漏電感對二次輸出穩(wěn)壓的影響。該圖是基于占空系數(shù)與漏電感標(biāo)繪出的一次輸出電壓與二次輸出電壓曲線。這里采用的是1:1變壓器，支持2.5uH的一次電感和總量變化的漏電感。輸入電壓是5V。一次電流為1A，二次電流為0.2A。

　　圖4：漏電感是穩(wěn)壓殺手。

　　第一條曲線是一次輸出電壓，占空系數(shù)與輸出電壓呈線性關(guān)系。其它曲線顯示，二次輸出電壓并非呈線性。

　　有兩個(gè)因素可降低二次穩(wěn)壓性能。在左側(cè)占空系數(shù)較低的地方，二次輸出電壓大約比一次電壓小一個(gè)二極管壓降。這可通過同步整流改善。在右側(cè)占空系數(shù)較高的地方，較短的傳導(dǎo)時(shí)間會(huì)增大峰值電流，而且漏電感的影響也會(huì)顯著增大。

　　如果有大量的漏電感，在占空系數(shù)高于50%或者輸入輸出比為2:1時(shí)，該電路可能無法使用。如果漏電感很少，那在占空系數(shù)高達(dá)75%或輸入輸出比為1.33:1時(shí)，電路仍能良好工作。如果漏電感極小，該電路則可良好支持高達(dá)83%的占空系數(shù)或1.2:1的電壓比。應(yīng)該注意，高占空系數(shù)的峰值和RMS可能都會(huì)非常高，如圖2所示。寄生現(xiàn)象會(huì)對這些值產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，了解它們的最簡單方法是仿真。

　　總之，F(xiàn)ly-Buck是實(shí)現(xiàn)簡單隔離式偏置電壓的便捷之選，但在考慮高占空比運(yùn)行時(shí)需要謹(jǐn)慎。峰值電流可能會(huì)變得非常高。您可通過控制漏電感來增加占空系數(shù)，但是任何高于80%的情況很可能都不切實(shí)際。請關(guān)注下一個(gè)《電源技巧》，屆時(shí)我們將探討開關(guān)電源中的電磁干擾(EMI)注意事項(xiàng)。