【導讀】很多工程師都能回想起自己初學電源時的情景，從最基礎(chǔ)的理論基礎(chǔ)開始，大量的查閱資料。經(jīng)歷了迷茫和困惑，用時間一點點的積累。小編將為大家整理一系列有關(guān)開關(guān)電源設計的教程，幾乎包含了開關(guān)電源的所有拓撲。這些教程由前工程師編寫，根據(jù)自身的自學經(jīng)驗為大家量身打造，希望能夠幫助大家走出迷茫，盡快邁上正軌。
在本篇文章當中將分享來自前工程師從開關(guān)電源到伏秒平衡的相關(guān)知識。
現(xiàn)在市面上的開關(guān)電源，總體來講，其實就兩類，一類是PWM類型的(也許有人會說還有PFM，RCC等等但是歸根結(jié)底這還是一類的)，包括Flyback、Buck、Boost、Buck-Boost、Flyback、正激、硬半橋、硬全橋、移相全橋、推挽等等。
這一系列開關(guān)電源的工作核心就是電感伏秒平衡原理。
下面就說說伏秒平衡，這個絕對是核心中的核心，容不得半點折扣。
先做一下基本的公式推倒：
其實所謂的伏秒平衡就是磁芯的勵磁、退磁的過程。電感在Ton時候勵磁，儲存能量，在Toff時候，退磁，釋放能量。
從上面的推倒可以看出，用(E*Ton)就直接可以表示磁芯的勵磁能量。
磁芯在每個工作周期，都要先勵磁，然后再復位。因為電源在穩(wěn)定工作狀態(tài)，磁芯每個周期儲存的能量必須等于釋放的能量，要不然磁芯就飽和了。
所以就可以推導出下面這個超級簡單實用的公式：
E1*Ton= -E2*Toff
(特別指出，這個公式成立的充要條件是電感各個繞組都在同一個磁芯上，繞組可以是1~n個)
E1、E2指的是同一個繞組兩端的電壓。Ton指的是E1持續(xù)的時間。Toff指的是E2持續(xù)的時間。
這個公式的主要作用在哪里呢?在推導各種PWM拓撲結(jié)構(gòu)的輸入輸出關(guān)系的時候，上面那個公式就非常重要了。有了它，不管是什么拓撲，只要是PWM的，輸入輸出關(guān)系就很容易清晰的證明出來，是非常重要的一個公式。
接下來就開始進入正題，講一下反激式開關(guān)電源的設計。
反激式開關(guān)電源大家再熟悉不過，其優(yōu)點不在少數(shù)，結(jié)構(gòu)簡單且成本低廉。最重要的是適應的功率范圍比較廣，幾瓦到200瓦，市電輸入，輸出電壓不超過63V，輸出電流不超過15A，在這個范圍內(nèi)，反激式到目前為止還是很有優(yōu)勢的。甚至有的產(chǎn)品為了對成本進行節(jié)約，將反激做到了500W。
接下來我們就來講一下反激式開關(guān)電源的設計，上面說了伏秒平衡，那個是推導所有的PWN類型的開關(guān)電源的基礎(chǔ)。
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反激式
下面主要講反激式的主拓撲工作原理以及變壓器的計算。反激式開關(guān)電源，其實是屬于Buck-Boost的變種。更多的詳細資料大家可以去網(wǎng)上查詢，這里就不多說了。
我們先從Buck-Boost開始來分析。
圖1
Mos關(guān)開通
電源電壓加到電感兩端，電感有電流流過，感應電壓上正下負。
二極管反偏，次級電解電容沒有有效回路對電感勵磁，所以，電感儲存能量全部來自初級。
電感兩端伏秒積為Vin*Ton。
圖2
開關(guān)管關(guān)斷
電感感應電壓反轉(zhuǎn)，變?yōu)橄抡县摚姼袑敵鲠尫拍芰浚姼写判緩臀弧?/p>
次級電解電容對電感勵磁。
伏秒積為：Vout*Toff。
由同一個磁芯上伏秒平衡原理
Vin*Ton+Vout*Toff=0
得到：
Vout=-(Vin*Ton)/Toff=-Vin* (只對連續(xù)模式成立)
斷續(xù)模模式Toff還要減去死區(qū)，這樣推導的話，應該比較容易讓大家理解。
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反激式設計
反激式開關(guān)電源是現(xiàn)在市面上電子消費品中應用最廣泛的拓撲。反激式開關(guān)電源最適合的功率范圍在3-150W之間，可以做成CC模式或者CV模式。代表有適配器，輔助電源，LED驅(qū)動等等。
接下來就說一下反激式主拓撲的工作原理以及設計中需要注意的要點。
圖3
如圖3所示，主回路關(guān)鍵元器件就那幾個：輸入主電解電容，變壓器，開關(guān)管，整流二極管，輸出電解電容。
下面分析一下反激式的基本工作原理。參照圖3，開關(guān)管導通：變壓器初級電流上升，磁心儲存能量，次級線圈與初級同名端相反，二極管截至。
初級線圈上面的伏秒積：Vin*Ton。
圖4
開關(guān)管關(guān)，初級線圈沒有放電回路，因為電感電流不能突變，線圈感應電動勢反轉(zhuǎn)，次級二極管導通，磁芯通過次級二極管放電，輸出點解電容對磁芯勵磁，磁芯復位。
開關(guān)管關(guān)斷，次級線圈上的伏秒積：n*Vout*Toff。
同一個磁芯上，由伏秒積平衡原理：
Vin*Ton=n*Vout*Toff
化簡 得到反激式輸入輸出的關(guān)系式：
Vout=(1/n)*
Ton=T*D
Voff=T*(1-D)
代入上式得
Vout=(1/n)
上面式子只是對連續(xù)模式反激成立，臨界或者斷續(xù)模式需要減去四區(qū)，四區(qū)時間，次級二極管截止，次級不對磁芯勵磁。觀察上面的輸入輸出關(guān)系，我們會發(fā)現(xiàn)，決定反激式變壓器輸入輸出關(guān)系的參數(shù)：
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1、占空比。其實占空比是反激式?jīng)Q定輸入輸出增益的核心。
我們暫且把變比n假設為1，則可以得到：
Vout=Vin*(D/1-D)
D<0.5的時候，Vout。
D>0.5的時候，Vout>Vin，工作在升壓區(qū)域。
2、變比n。變比n就不用多說，和常規(guī)的變壓器的邊比一樣的。
反激式開關(guān)電源，按照工作波形，有兩種工作模式：
圖5連續(xù)模式。
圖5是連續(xù)模式的主要工作波形，初級次級電流都有一部分是直流成分。
圖6
在相同的輸入電壓輸入功率條件下，Iavg一定，電流波形越連續(xù)，那么初級回路上的峰值電流就越小，特別是關(guān)斷電流Ipk1，Ipk1對于關(guān)斷損耗影響非常大。
平均電流跟峰值電流的關(guān)系
這個計算其實很簡單，也就初中幾何就足夠了，計算電流波形的面積。
開關(guān)管開通階段，流過電感的電流：(1/2)*(Ipk1+Ipk2)*Ton (體形面積)
平均到整個周期就得到輸入的平均電流。
Iavg=
設計時候我們是把上式倒過來用的，用平均電流求出峰值電流。一般習慣性的用一個字母K代表Ipk1/Ipk2，
這個K值，影響到初級電流的連續(xù)程度。連續(xù)模式適用于輸入電壓相對較低，功率相對較大的情況下。
關(guān)于什么時候使用連續(xù)模式，什么時候使用斷續(xù)模式，這個其實沒有絕對的，一般情況下，對于十幾瓦以下的東西，一半都使用斷續(xù)模式，現(xiàn)在PSR在小功率方面比較主流，PSR的充電器一般都是斷續(xù)模式，有些IC為了適應新的能耗要求，又開始使用谷底導通技術(shù)，所以這一類只能工作在斷續(xù)模式。
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斷續(xù)模式的優(yōu)勢：
1、磁芯利用充分，線圈匝數(shù)少，變壓器比較小。
2、Mos管零電流開通，開通無損耗。
3、次級二極管零電流關(guān)斷，可以不需要使用肖特基二極管。
斷續(xù)模式的壞處：
1、功率大的情況下，Mos管關(guān)斷電流大，相同的平均電流情況下，電流有效值更大，變壓器初級需要更粗的銅線。
2、波形越陡峭，趨膚效應會越來越嚴重，需要使用多股線或者更粗的銅線。
3、電解電容紋波電流大。
圖7 臨界模式Flyback的工作波形
本篇文章主要介紹了伏秒平衡和反激式的設計，希望大家能夠充分理解文章當中的知識點。從事電源工程師行業(yè)，實踐經(jīng)驗的重要性要遠遠大于基礎(chǔ)理論的學習，知識都是在問題的解決和實踐中學習到的，而不是對著書本死磕理論得來的。在下一篇教程當中，將為大家梳理反激開關(guān)電源的設計流程。
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