開關(guān)穩(wěn)壓器-反激轉(zhuǎn)換器電路圖及工作原理-KIA MOS管

在電子設(shè)備中，穩(wěn)壓器是一個(gè)用來持續(xù)調(diào)節(jié)電源輸出的裝置或機(jī)制。電源器件中穩(wěn)壓器有許多種。但最主要考慮到 DC 到 DC 的轉(zhuǎn)換，有兩種穩(wěn)壓器：線性或開關(guān)。

線性穩(wěn)壓器使用阻性壓降來調(diào)節(jié)輸出，但也因此效率低下且以熱能損失能量。而開關(guān)穩(wěn)壓器使用電感，二極管和電源開關(guān)來從電源轉(zhuǎn)移到輸出。

開關(guān)穩(wěn)壓器的種類

開關(guān)穩(wěn)壓器有三種：

1. 升壓轉(zhuǎn)化器（Boost 穩(wěn)壓器）

2. 降壓轉(zhuǎn)化器（Buck 穩(wěn)壓器）

3. 反激轉(zhuǎn)換器（隔離穩(wěn)壓器）

Buck 和 Boost 穩(wěn)壓器之間的區(qū)別在于電感，二極管以及開關(guān)電路的擺放不一樣。同時(shí)，Boost 穩(wěn)壓器中輸出電壓大于輸入電壓，但在 Buck 穩(wěn)壓器里，輸出電壓低于輸入電壓。Buck 拓?fù)溟煏r(shí) buck 轉(zhuǎn)換器是 SMPS 中最常用的基礎(chǔ)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在我們將高電壓轉(zhuǎn)換為低輸出電壓時(shí)會(huì)經(jīng)常用到。

除了這兩個(gè)穩(wěn)壓器之外，還有一種穩(wěn)壓器在設(shè)計(jì)者間也很流行，那就是反激式穩(wěn)壓器或反激式轉(zhuǎn)換器。這是一個(gè)多功能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以從單輸出中生成多個(gè)輸出。

不僅如此，反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以讓設(shè)計(jì)者同時(shí)改變輸出的極性。比如，我們可以從單個(gè)轉(zhuǎn)換器模塊中生成+5V，+9V 和 -9V 的輸出。而且這兩種運(yùn)用下轉(zhuǎn)換效率都很高。

反激式轉(zhuǎn)換器還有一個(gè)特點(diǎn)就是輸入和輸出端的電隔離。為什么我們需要隔離呢？在某些特殊情況下，為了最小化電源噪聲，或處于安全相關(guān)的操作中，我們需要隔離操作，讓輸入源與輸出源完全隔離開來。讓我們來看看單個(gè)輸出的反激式變換是如何運(yùn)作的。

反激式變換器的基本電路

我們看了下圖的單輸出反激設(shè)計(jì)后，就知道如何自己搭建一個(gè)類似的電路了。

一個(gè)基礎(chǔ)的反激式轉(zhuǎn)換器需要一個(gè)開關(guān)，可以是一個(gè) FET 或是一個(gè)晶體管，一個(gè)變壓器，一個(gè)輸出二極管，一個(gè)電容。

其中最主要的部分就是變壓器。我們需要了解變壓器的原理才能理解該電路的原理。

變壓器最少由兩個(gè)電感組成，一般被稱為次級(jí)線圈和初級(jí)線圈，都是用線圈環(huán)繞在磁芯上的。磁芯決定了磁通量密度，對(duì)于兩線圈間的電能傳輸至關(guān)重要。還有一個(gè)比較關(guān)鍵的就是變壓器的相位，也就是初級(jí)線圈和次級(jí)線圈上面的點(diǎn)。

我們還可以看出 PWM 信號(hào)與三極管開關(guān)相連。這是基于開關(guān)關(guān)斷的頻率以及打開的時(shí)間。

在反激式穩(wěn)壓器中，一共有兩種電路活動(dòng)。一是開關(guān)打開階段，其中變壓器的初級(jí)充電，二是開關(guān)關(guān)斷或是傳輸階段，其中電能由初級(jí)轉(zhuǎn)換到次級(jí)再到負(fù)載上。

如果我們假設(shè)開關(guān)已經(jīng)被關(guān)斷很長一段時(shí)間了，那么電流為 0，也沒有電壓。

在這個(gè)時(shí)候，如果開關(guān)打開，那么電流會(huì)增加，而電感會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓降。該狀態(tài)下，因?yàn)榇判鹃g通過的磁通量，電流會(huì)向次級(jí)線圈傳輸。

在次級(jí)線圈上，電壓與初級(jí)線圈上的電壓極性相同，但電壓值成比例，比例恰好是兩線圈的匝數(shù)比。因?yàn)槭欠聪螂妷海远O管關(guān)斷，而沒有電流流經(jīng)次級(jí)。如果電容在上個(gè)開關(guān)周期內(nèi)充上了電的話，就會(huì)為負(fù)載提供輸出電流。

下一階段，開關(guān)斷開，流經(jīng)初級(jí)的電流減小。與之前階段相同，初級(jí)電壓會(huì)在次級(jí)生成相同極性的電壓，電壓值也成匝數(shù)比。因?yàn)槭钦螂妷海裕O管導(dǎo)通，次級(jí)線圈將輸出電流給電容和負(fù)載。電容在開關(guān)打開的階段已經(jīng)失去了所有的電荷，但此時(shí)又會(huì)重新充電。

在整個(gè)開關(guān)過程中，輸入電源和輸出電源之間沒有任何電路連接，因此我們可以看出是變壓器隔離了輸入與輸出。

根據(jù)開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間可以分為兩種模式。連續(xù)模式和非連續(xù)模式。

在連續(xù)模式下，初級(jí)充電之前，電流先歸零，再如此往復(fù)。而在非連續(xù)模式下，下一周期在初級(jí)電感的電流歸零時(shí)開始。

反激式轉(zhuǎn)換器的效率

現(xiàn)在我們來看一下效率，也就是輸出與輸出功率的比值。

（Pout/Pin）x 100%

因?yàn)槟芰坎荒軕{空生成也無法抹去，只能轉(zhuǎn)換過來，大多數(shù)電能都以熱能的形式消耗掉的。所以實(shí)際運(yùn)用中并不存在理想情況。因此在選擇穩(wěn)壓器的時(shí)候，效率也是一個(gè)關(guān)鍵因素。

而能量損耗的關(guān)鍵因素之一就是二極管。正向壓降乘以電流都轉(zhuǎn)換為了熱能，因此降低了穩(wěn)壓電路的效率。與此同時(shí)，硅二極管的反向恢復(fù)損耗也會(huì)降低整體效率。

而解決這一問題最好的方法之一就是避免標(biāo)準(zhǔn)的恢復(fù)二極管，而使用肖特基二極管，因?yàn)楹笳哂兄艿偷恼驂航担灿兄玫姆聪蚧謴?fù)損耗。從另一角度來說，如果將開關(guān)轉(zhuǎn)換成 MOSFET 的話，能在更小封裝的情況下提升效率。

反激式變換器電路圖以及工作原理

我們將使用 LM5160 來生成 12V 的隔離電壓。

這是該電路的詳細(xì)參數(shù)說明：

輸入電壓范圍：18V-32V

隔離輸出：12V

隔離負(fù)載電流范圍：0mA-400mA

標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)頻率：300kHz

最大效率：88%

該原理圖中使用了許多元件，但都不難理解。其中輸入端的 C6，C7 和 C8 用于輸入電源的濾波。而 R6 和 R10 則用于欠壓鎖定。R7 電阻用于開關(guān)導(dǎo)通。C13 為軟啟動(dòng)電容。C5 為自舉電容，用于柵極驅(qū)動(dòng)的偏壓。

R4，C4 和 C9 用于紋波過濾，而 R8 和 R9 則為 LM5160 的反饋引腳提供反饋電壓，這兩個(gè)電阻的值決定了輸出電壓。C10 和 C11 則用于初級(jí)的非隔離輸出濾波。

而最關(guān)鍵的元器件是變壓器 T1。這是一個(gè)兩端都有一個(gè) 60uH 電感的耦合電感。

其參數(shù)如下：

匝數(shù)比：次級(jí)：初級(jí)=1.5:1

電感：60uH

飽和電流：840mA

初級(jí)直流電阻：0.071Ω

次級(jí)直流電阻：0.211Ω

頻率：150kHz

C3 用于 EMI 穩(wěn)定性。D1 為轉(zhuǎn)換輸出的正向二極管，C1 和 C2 是濾波電容，R2 則是最小啟動(dòng)負(fù)載。

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