构建反激变换器电路

在电子学中，调节器是一种能够不断调节输出功率的装置或机构。在电源领域有不同种类的稳压器。但主要是，在直流到直流转换的情况下，有两种类型的稳压器可用：线性或开关。

线性稳压器使用阻性电压降来调节输出。由于这种线性调节器提供较低的效率，并以热量的形式损失功率。开关稳压器使用电感、二极管和电源开关将能量从源转移到输出。

开关稳压器的类型

有三种类型的开关稳压器可用。

1. 升压变换器(升压调节器)

2. 降压变换器(Buck稳压器)

3. 反激变换器(隔离调节器)

我们已经解释了升压稳压器和降压稳压器电路。在本教程中，我们将描述反激调节器电路。

降压稳压器和升压稳压器的区别在于，在降压稳压器中电感、二极管和开关电路的放置与升压稳压器不同。此外，在升压稳压器的情况下，输出电压高于输入电压，但在降压稳压器中，输出电压将低于输入电压。降压拓扑或降压转换器是SMPS中最常用的基本拓扑之一。当我们需要将较高的电压转换为较低的输出电压时，这是一个普遍的选择。

除了这些稳压器之外，还有另一种稳压器存在，这是所有设计人员普遍选择的，这就是反激式稳压器或反激式变换器。这是一种通用的拓扑结构，可用于需要从单个输出电源获得多个输出的情况。不仅如此，反激拓扑允许设计者同时改变输出的极性。例如，我们可以从单个转换器模块创建+5V， +9V和-9V输出。两种情况下的转换效率都很高。

反激变换器的另一个特点是输入和输出的电气隔离。为什么我们需要隔离?在某些特殊情况下，为了最小化功率噪声和安全相关操作，我们需要隔离操作，其中输入源与输出源完全隔离。让我们来探索一下基本的单输出反激操作。

反激变换器的电路操作

如果我们看到基本的单输出反激设计，如下图所示，我们将确定构建一个反激设计所需的基本主要组件。

一个基本的反激变换器需要一个开关，它可以是场效应管或晶体管，变压器，输出二极管，电容器。

最主要的是变压器。在了解实际的电路操作之前，我们需要了解变压器的正确工作原理。

变压器至少由两个电感组成，称为次级线圈和初级线圈，绕组在线圈前，中间有铁芯。磁芯决定了磁通密度，这是将电能从一个绕组传递到另一个绕组的重要参数。另一个最重要的事情是变压器的相位，在初级和次级绕组中显示的点。

此外，正如我们所看到的，一个PWM信号通过晶体管开关连接。这是由于开关的关断频率和开断时间。PWM代表脉冲宽度调制技术。

在反激式稳压器中，有两种电路操作，一种是变压器初级绕组充电时的开断相，另一种是电能从初级绕组到次级绕组再到负载时的关断或变压器转移相。

如果我们假设开关已经关闭很长一段时间，电路中的电流为0，没有电压存在。

在这种情况下，如果开关打开，那么电流将增加，电感将产生电压降，这是点负的，因为电压在主点端更负。在这种情况下，由于核心产生的通量，能量流向次级。在次级线圈上，电压在相同的极性上产生，但电压与次级线圈与初级线圈的匝数比成正比。由于点负电压，二极管被关闭，没有电流将在二次流。如果电容在之前的开关- on周期中充电，输出电容将只向负载提供输出电流。

在下一阶段，当开关关闭时，流过初级的电流减少，从而使次级点端更积极。与先前的开关ON阶段相同，初级电压极性也在次级电压上产生相同的极性，而次级电压与初级和次级绕组比成正比。由于点正端，二极管被打开，变压器的二次电感为输出电容和负载提供电流。电容器在ON周期中失去了电荷，现在它再次被重新填充，并且能够在开关ON时间期间向负载提供充电电流。

在整个开关ON和OFF周期中，在输入电源和输出电源之间没有电连接。因此，变压器隔离了输入和输出。

有两种模式的操作取决于开关的接通和关闭时间。反激变换器可以工作在连续模式或不连续模式。

在连续模式下，在一次充电之前，电流变为零，循环重复。另一方面，在不连续模式下，下一个周期只有在初级电感电流为零时才开始。

反激变换器的效率

现在，如果我们研究效率，也就是输出功率与输入功率的比率：

由于能量不能产生也不能消灭，它只能被转换，所以大多数电能将未使用的电能转化为热能。在实际领域也没有理想的情况。效率是选择稳压器的一个重要因素。

开关稳压器的主要功率损耗因素之一是二极管。正向压降乘以电流(Vf x i)是未使用的瓦数，它被转换成热量，降低了开关稳压器电路的效率。此外，它是热/热管理技术的电路的额外成本，如使用散热器或风扇来冷却电路的散热。不仅正向电压下降，反向恢复对硅二极管也产生不必要的功率损失和降低整体效率。

避免标准恢复二极管的最好方法之一是使用肖特基二极管，它具有低正向压降和更好的反向恢复。另一方面，开关已改为现代MOSFET设计，在紧凑和更小的封装中提高了效率。

尽管开关稳压器具有效率高、设计技术平稳、元件体积小、噪声小等优点，但仍被广泛使用。

LM5160反激变换器的实例设计

我们将使用德州仪器的反激拓扑。电路可以在数据表中找到。

LM5160具有以下特点

•宽4.5V至65V输入电压范围

•集成高侧和低侧开关

○不需要外部肖特基二极管

•2-A最大负载电流

•自适应恒定准时控制

○无外环补偿

○快速瞬态响应

•可选择强制PWM或DCM操作

○FPWM支持多输出buck

•几乎恒定的开关频率

○电阻可调至1mhz

•程序软启动时间

•Prebiased启动

•±1%反馈电压基准

•LM5160A允许外部VCC偏置

•鲁棒设计的固有保护特性

○峰值限流保护

○可调输入UVLO和迟滞

○VCC和栅极驱动器UVLO保护

○具有滞后的热停机保护

•使用LM5160A和WEBENCH®电源设计器创建定制设计

它支持从4.5V到70V的宽输入电压范围，并提供2A的输出电流。我们还可以选择强制PWM或DCM操作。

LM5160的输出

该IC没有DIP封装或易于焊接的版本，尽管这是一个问题，但IC节省了大量PCB空间以及比PCB散热器更大的热性能。引脚图如图所示。

绝对最大评级

我们需要注意IC的绝对最大额定值。

SS和FB引脚具有低电压公差。

反激变换器电路图及工作原理

通过使用LM5160，我们将基于以下规格模拟12V隔离电源。我们选择电路是因为制造商网站上提供了所有信息。

该原理图使用了大量的组件，但理解起来并不复杂。输入端的C6、C7和C8用于输入电源的过滤。而R6和R10则用于欠压锁定相关目的。R7电阻器用于与接通时间相关的目的。这个引脚是可编程的使用一个简单的电阻。横跨SS引脚连接的C13电容器是软启动电容器。模拟地(AGND)和电源地(PGND)以及PAD与电源地连接。在右边，C5, 0.01 uF电容器是一个引导电容器，用于栅极驱动器的偏置。R4， C4和C9是纹波滤波器，其中R8和R9为LM5160的反馈引脚提供反馈电压。这两个电阻的比例决定了输出电压。C10和C11用于初级非隔离输出滤波。

一个主要的组成部分是T1。它是一个耦合电感器，两侧有一个60uH的电感器，初级和次级。我们可以选择任何其他的耦合电感或特定的电感与以下规格

•匝比SEC:PRI = 1.5: 1

•电感= 60uH

•饱和电流= 840mA

•直流电阻PRIMARY = 0.071欧姆

•直流电阻SECONDARY = 0.211欧姆

•频率= 150khz

C3用于EMI稳定性。D1是转换输出的正向二极管，C1、C2是滤波帽，R2是启动所需的最小负载。

那些想要定制电源规格并想要计算值的人，制造商提供了出色的Excel工具，您只需简单地放入数据，Excel将根据数据表中提供的公式计算组件值。

制造商还提供了spice模型以及完整的原理图，可以使用德州仪器自己的基于spice的仿真工具TINA-TI进行模拟。下图是使用厂商提供的TINA-TI工具绘制的原理图。

仿真结果如下图所示，图中显示了理想的负载电流和电压

本文编译自circuitdigest