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电源拓扑 - 开关稳压(隔离型) 🚧

隔离型 DC-DC 拓扑结构

隔离型 DC-DC 转换器一般常用的是反激式(Flyback),正激式(For-ward)和推挽式(Push-pull)这三种拓扑。

在这些隔离型转换器中,从输入到输出的能量传递是通过变压器完成的。能量通过相互耦合的磁场元件(变压器)传递,源极与负载仅仅是通过磁场耦合的,所以形成了输入与输出之间的电隔离。与非隔离型转换器一样,稳压的过程是通过 PWM 控制器在反馈回路中调节输出电压实现。

在隔离型转换器中,PWM 驱动可以只做为单纯的能量包控制器,它根据输入电压和输出负载的要求,调节从输入端传递到输出端的能量包?

使用变压器的缺点,是当能量从初级绕组传递到次级绕组的过程中,会产生额外的功耗。所以假设一个降压稳压器可以达到 97% 的效率,那么以变压器为基础的转换器的效率只能努力超过 90%。

反激式 Flyback

反激式(Flyback)转换器的功能是把一个较高的输入电压转换为一个较低的稳定输出电压。电子开关闭合的时候,转换器把能量存储在变压器的磁芯中,而当开关断开的时候,再把能量传递到次级端。其拓扑如下:

注:图中的开关 S1S_1 实际为电子开关(可为功率 MOS 管),此处为了易于理解,简化为普通的开关。

基本原理:

  1. 开关 S1S_1 闭合(蓝色实线)
    • 此时变压器 T1T_1 的初级绕组侧形成环路,流经初级绕组电感的 LPL_P 的电流 IS1I_{S1}Vin/LPV_{in}/L_P 的速率增长。此时没有电流通过次级绕组电感 LSL_S 流至负载,电容 C1C_1 为负载提供电流。
    • 此时变压器的能量传递公式为:VintonN\frac{V_{in}*t_{on}}{N}(N 为匝数比)
  2. 开关 S1S_1 断开(绿色虚线)
    • 此时由于变压器 T1T_1 中的磁场崩塌,导致初级和次级绕组中的电压反相,初级绕组中储存的能量被传递到次级绕组,传递过程中次级绕组的电压迅速上升,并且伴有一个脉冲电流,这个电流以 Vout/LSV_{out}/L_S 的速率下降,并给负载供电、给电容 C1C_1 充电。二极管 D1D_1 在这里充当峰值整流器。
    • 此时变压器的能量传递公式为:VouttoffV_{out}*t_{off}

因为变压器的能量传递守恒(即能量守恒),VintonN=Vouttoff\frac{V_{in}*t_{on}}{N}=V_{out}*t_{off},可得到:

VoutVin=1Nδ1δ\frac{V_{out}}{V_{in}}=\frac{1}{N}*\frac{δ}{1-δ}

各节点的波形曲线:

可以发现,Flyback 和 Buck-Boost 传递公式只相差了 1/N 这个系数。Flyback 的优点在占空比很小的情况下,输出电压可以变得很高,所以很适用于生成该输出电压的电源

参考与致谢

文章作者:Power Lin
原文地址:https://wiki-power.com
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