有源钳位的反激式转换器设计

在电子设备中，稳压器是一个用来持续调节电源输出的装置或机制。电源器件中稳压器有许多种。但最主要考虑到DC到DC的转换，有两种稳压器：线性或开关。

线性稳压器使用阻性压降来调节输出，但也因此效率低下且以热能损失能量。而开关稳压器使用电感，二极管和电源开关来从电源转移到输出。

开关稳压器的种类

开关稳压器有三种：

1.升压转化器(Boost稳压器)

2.降压转化器(Buck稳压器)

3.反激转换器(隔离稳压器)

Buck和Boost稳压器之间的区别在于电感，二极管以及开关电路的摆放不一样。同时，Boost稳压器中输出电压大于输入电压，但在Buck稳压器里，输出电压低于输入电压。Buck拓扑阔时buck转换器是SMPS中最常用的基础拓扑结构。在我们将高电压转换为低输出电压时会经常用到。

除了这两个稳压器之外，还有一种稳压器在设计者间也很流行，那就是反激式稳压器或反激式转换器。这是一个多功能的拓扑结构，可以从单输出中生成多个输出。不仅如此，反激式拓扑结构还可以让设计者同时改变输出的极性。比如，我们可以从单个转换器模块中生成+5V，+9V和-9V的输出。而且这两种运用下转换效率都很高。

反激式转换器还有一个特点就是输入和输出端的电隔离。为什么我们需要隔离呢?在某些特殊情况下，为了最小化电源噪声，或处于安全相关的操作中，我们需要隔离操作，让输入源与输出源完全隔离开来。让我们来看看单个输出的反激式变换是如何运作的。

简介

反激式变换器是用于医疗设备和笔记本电脑等应用的多功能电力电子器件。这种变换器也称为隔离式升降压变换器，其电路简单，可以调节系统的输出电压(VOUT)，同时最大限度地减少电磁干扰 (EMI)。

本文将介绍反激式变换器及其拓扑、有用参数和操作，还将讨论 MPS 的 AC/DC 反激式控制器(MPX2002和MPX2003)，它们同时具备原边调节 (PSR) 和副边调节 (SSR)的能力。

在反激式变换器中，电感被分割以形成耦合电感，它也被称为反激式变压器。耦合电感将变换器的输入与其输出隔离。为反激式变换器，其组成如下：

VIN：输入电压，即电路的电源。CIN和COUT：分别为输入和输出电容。电容用于存储和释放到稳压器VIN和输出电压(VOUT)的电荷。Control：来自IC 控制器的信号，用于导通原边MOSFET。它允许电流流过LP，并传输至输出。LP和LS：分别为原边和副边电感。耦合电感存储并释放能量，并根据各自绕组中的匝数确定VOUT。D：二极管，通过将交流电(AC) 转换为直流电(DC)对VOUT进行整流，使电流只能沿一个方向流动。RL：用于模拟反激式变换器功耗的负载。

反激式变换器注意事项

选择反激式变换器时，需要考虑一些重要的因素，其中包括确定一些基本参数，例如VIN、VOUT、LP和LS。下面列出了另外一些注意事项：

变压器匝数比NP:NS(NP为原边绕组匝数，NS为副边绕组匝数)直接影响VOUT。如果 NS增加，则 VOUT按比例增大;如果NS减小，VOUT也成比例减小。NP 与VOUT的关系则成反比，NP增加，VOUT 按比例减少;反之亦然。占空比是导通时间与总开关周期的比率(tON / τSW)。占空比根据 VOUT和变压器匝数比确定 VIN;占空比越高，VOUT越高。保护机制和隔离能力对于反激式变换器满足 UL 1577 和 IEC 62368 等安全标准至关重要。可针对 EMI 性能来优化保护功能，以确保设备不会在次优条件下运行。反激式变换器操作

反激式变换器工作的本质是存储和传输能量。其工作周期包括导通时间(tON)和关断时间(tOFF)，它们由 MOSFET 的开关状态来控制(见图 2)。tON期间，MOSFET处于导通状态，电流从输入端流经LP，为耦合电感充电;tOFF期间，MOSFET 处于关断状态，耦合电感通过二极管消磁，然后该电流为 COUT充电并为负载供电。这个过程可以简化为以下几个步骤：

这个周期不断循环，从而实现VOUT的调节。 尽管反激式变换器都遵循上述整体流程工作，但仍然可以选择一些其他流程和模式来提升效率。

连续导通模式 (CCM) 和断续导通模式 (DCM)

反激式变换器可以在连续导通模式 (CCM) 或断续导通模式 (DCM) 下运行。

在 CCM 模式下，MOSFET 在电感完全放电之前从 tOFF切换到tON，从而防止电感电流(IL)降至零。在 DCM 模式下，能量则被完全释放，这意味着有一段时间IL为零;当 IL为零时，二极管和 MOSFET 均处于关断状态。

由于 CCM 具有恒定电流，因此建议在负载变化的应用中采用此模式，因为它可以提供更稳定的 VOUT。对于中等或重载应用，CCM 也通常更加有利。

但对轻载而言，则建议采用DCM模式。在 DCM 模式下，轻载瞬态响应更快;而且，如果副边二极管/MOSFET 在tOFF期间具有零电流开关 (ZCS)，DCM的效率也更高。ZCS在电流一达到零时就立即关断开关器件，可降低开关器件的功耗。

AC/DC 转换器的设计通常涉及高电压和变压器的使用，给设计人员带来了越来越困难的挑战。

然而，市场上越来越多的集成控制电路的出现部分地促进了这项任务，这些控制电路能够简化高效 AC/DC 转换器的设计，减少外部组件的数量和电路的整体尺寸。

反激式转换器

所述回扫转换器中，如图1所示，是用于使电源和充电器最广泛使用的拓扑结构中的一个。该电路需要一个具有高开关频率的晶体管、一个变压器(能够确保输入和输出之间的电流隔离)和其他几个组件。工作原理是在晶体管Q 1导通时将磁能储存在变压器铁芯中，然后在晶体管关断时将其传递给负载。

图 1：反激式转换器的拓扑结构

开关频率越高，转换器越小。然而，开关频率受到一些因素的限制，首先是变压器漏电感。每次切换FET Q 1时，变压器寄生电感存储的能量由钳位电路耗散，钳位电路由 R 1、C 1和 D 1 组成。如果开关频率太高，功率损耗会变得太高，有可能对转换器造成无法修复的损坏。

为了克服这个问题，使用了称为有源钳位解决方案，它涉及使用一个第二晶体管，Q的2，以及电容器。有源钳位不会试图耗散电阻器中的泄漏能量，而是将其存储在钳位电容器中，然后将其回收到负载。通过应用有源钳位控制，还可以实现零电压开关 (ZVS)，这是一种显着提高转换器效率的条件。具有有源钳位的反激式转换器的示例如图 2 所示，在这种情况下，钳位晶体管 Q 2是 P 沟道 FET。

图 2：具有有源钳位的反激式转换器

此外，如果使用氮化镓 (GaN) 晶体管而不是普通的硅 FET 晶体管，则达到 ZVS 条件所需的能量将显着降低，从而允许更高的开关频率和更小的电路。

有源钳位需要一个智能控制电路，能够非常快速地动作。有源钳位电路允许通过回收否则耗散的泄漏能量和减少开关损耗来获得更高的效率。此外，由于有源钳位 FET 的软开关和较小的开关电压，它允许实现较低的 EMI。

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