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技术资料

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隔离式与非隔离式

非隔离式拓扑结构 

在电源中电源的拓扑结构有着不同的形式,这里图 1 所给出的图形示出了三种基础的DC-DC电源转换拓扑它们分别是,Buck、Boost、Buck-Boost 。 
优点:结构简单、体积小、成本较低;输出电压调节范围宽。 
缺点:前后不隔离,如果用市电供电,人接触电源的输出端或地端可能有触电危险,还有就是在下雨天打雷的时候,由于没有隔离很有可能就会把整个电路的都会烧坏:只能升压或降压或极性转换,输出电压不能与输入电压相等。
 
隔离式拓扑结构 
    由于许多应用中都需要输入/输出隔离,所以基于 Buck、Boost、Buck-Boost 这三种拓扑,推导出了其他的常用拓扑:反激式,正激式, 推挽式,半桥式, 全桥式 
优点: 
保护人员、设备免遭感应在隔离另一端的危险瞬态电压损害  去除隔离电路之间的接地环路以改善抗噪声能力。  在系统中轻松完成输出接线,而不与主接地发生冲突。 
缺点: 
体积较大,或同等体积的功率较小 
 
正激变换器 
单端正激变换器是由 BUCK 变换器派生而来的。图 2 上图为 BUCK 变换器的原理图,将开关管右边插入一个隔离变压器,就可以得到图 2 下图的单端正激变换器 
 
 反激变换器 
反激变换器是由 BUCK-BOOST 变换器推演而来的。图 2 上图为 BUCK-BOOST 变换器的原理图,将电感变换一个隔离变压器,就可以得到图 2 下图的反激变换器。 
 
 
 
正激式/ 反激式拓扑比较 
 
原理图上的区别,在上图的比较中可以看到黄色部分,正激变换器在加入隔离变压器器的同时也加入了一个辅助电感 Nr,它是一个磁复位的电感。但是由 Buck-boost 改造出来的反激变换器去没有这个复位绕组,为什么呢,因为反激变换器的变压器它既是电感又是变压器,所以电感的特性来讲,它是不需要复位绕组的,电感就是一个储能的器件,它在 MOS开通时储存能量,MOS 关断时释放能量,所以一直在平衡的状态,它是不会到达饱和。 
 
正激变换器,它的 VIN 一直都是加在上面的,当 mos 不断的开通,它的能量也不停的加在原边,所以它的磁芯就会容易饱和,所以这个时候我们就需要加一个复位的电感,释放它原边电感的能量。 
下面再对比一下正激和反激的其他特性: 
 
 
 
 反激式转换器特性 
优点: 
采用一个耦合电感器来充当隔离变压器并用于储能。
输入和输出地是隔离的。
利用占空比和匝数比来实现电压的降低或提升。
易于实现多个输出。
不需要采用一个单独的输出电感器。
最适合较低的功率级别。 
缺点: 
高输出纹波电流。
高输入纹波电流。
环路带宽可能受限于右半平面(RHP) 零点。 
 反激式的优点及应用 
采用最简单的隔离式拓扑,因而具有最低的成本
使用了数量最少的功率组件:4  个
最为人们所了解、实现的数量最多而且得到最广泛支持的拓扑之一 
由于上述原因,对于功率范围<150W 的应用而言反激式转换器是一种上佳的选择。 
 
反激的重要波形 
 
当开关管开通,电感的电流上升,可以看出它的电流的图形和 BUCK-BOOST 的图形是非常的相似的,它的区别就是在一个原副边的匝比上面而已,这里也可以看出其变压器的就是一个电感的作用。 
 
反激的稳态分析 
 
 
 上图是开关管的开通电流波形和续流二极管导通的波形,由波形我们也可以看出,开关管的波形加上续流二极管的电流波形就是电感的电流波形。 
 
反激变换器的设计问题 
必须选择合适的反激式转换器组件,以便能够处理必要的电流和电压应力。这些应力由前一章节里给出的公式确定。所有这些应力均与变压器有关:匝数比、电感。 
 
占空比、匝比这些都是要工程师来设计的,在输入的有最小电压,最大电压,它都有对应的占空比,中间还有一个稳态的工作电压,你要优化在这个点上的效率,当然很少有工程师想的那么多,因为一般反激的应用都是在小功率的场合,对应效率的要求也不是那么苛刻。
而且对于尺寸大小要求很高,所以频率要做得很高,应用的功率也不是很大,效率低一点,这个做出来的损耗也不是很大。 
下图所示说明了针对反激式变压器的基本要求: 
请注意,
由于集肤效应的原因,在高开关频率变压器中需要采用多股细导线。
为使操作在较宽的负载范围内保持于连续导通模式,需要高电感。
由于使用了较高的电感,初级和次级电路中的纹波电流都将较低。 
 
实例–设计规范 
一项设计总是从制定设计规范开始的,包括输入电压范围、功率级别、输出电压等等。
占空比和开关频率一般都是预先确定的。通常而言,采用一个介于 200 kHz 和 300 kHz 之间的开关频率可以很好地兼顾开关损耗与滤波器要求。事实上在 65kHz-300 kHz 都有人用,要知道我们的频率和开关损耗是成正比的,和体积是成反比的,当你的设计体积不是很严格的时候,可以用 65 kHz 来做,那样它的效率可以达到更好的效果。如果用 200 kHz 和 300 kHz 之间那么磁芯就可以做小,电源的体积就可以做得更小,纹波也可以做得更好。 
 
 
反激式电路实例 
(1)隔离型 
 
 
上图是国半 LM5020 的做的反激变换器,这是一个隔离型的反激变换器,大家可以看到它上面有个光耦,光耦一定要把 CTR(电流传输比)设置在线性区域,如果不在线性区域当控制环路在调整的时候,CTR 就会变,那么它就会影响到反馈的环路,影响到整个电路的稳定性。这里大家可以参考一下啊,这个电路无论是光耦的供电还是型号的传输都是隔离的,它真正的起到了电气隔离和型号的隔离。 
(2)非隔离型 
 
对于这种非隔离的反激变换器我们可以认为它是优化DC-DC里面BUCK-BOOST效率的时候,加入了变压器的匝比那么它可以更加优化占空比工作范围。对于这个电路信号不是隔离的,所以对于 EMI 的优化起到了一定的难度。 
 
结论 
反激式拓扑是适合隔离式电源的最简单拓扑。大多数应用是在通信和以太网供电(PoE) 领域,这里的功率级别低于 50W, 现在,802.11 AF, AT 之外的 POE 电源标准还未发布。
讨论了反激式工作原理并介绍了稳态分析,旨在提供设计指引。  主要的设计问题是反激式电源变压器。
采用一个实例来演示设计。  环路补偿简单,比例积分即可。 
 
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