一文解析反激式轉換器電路

在電子產品中，調節器是一種可以不斷調節功率輸出的設備或機制。在電源領域有不同種類的穩壓器可用。但主要是，在 DC 到 DC 轉換的情況下，有兩種類型的穩壓器可用：線性或開關。

線性穩壓器使用電阻壓降調節輸出。因此，線性穩壓器提供較低的效率并以熱量的形式損失功率。開關穩壓器使用電感器、二極管和電源開關將能量從其源傳輸到輸出。

開關穩壓器的類型

共有三種類型的開關穩壓器可用。

1. 升壓轉換器（升壓穩壓器）

2. 降壓轉換器（降壓穩壓器）

3. 反激式轉換器（隔離穩壓器）

我們已經解釋了升壓穩壓器和降壓穩壓器電路。在本教程中，我們將描述反激式穩壓器電路。

降壓穩壓器和升壓穩壓器的區別在于，降壓穩壓器中電感、二極管和開關電路的放置與升壓穩壓器不同。此外，在升壓穩壓器的情況下，輸出電壓高于輸入電壓，但在降壓穩壓器中，輸出電壓將低于輸入電壓。降壓拓撲或降壓轉換器是 SMPS 中最常用的基本拓撲之一。這是一種流行的選擇，我們需要將較高的電壓轉換為較低的輸出電壓。

除了這些穩壓器之外，還有另一種穩壓器是所有設計人員的熱門選擇，即反激式穩壓器或反激式轉換器。這是一種通用拓撲，可用于需要來自單個輸出電源的多個輸出的情況。不僅如此，反激式拓撲允許設計人員同時改變輸出的極性。例如，我們可以從單個轉換器模塊創建 +5V、+9V 和 -9V 輸出。兩種情況下的轉換效率都很高。

反激式轉換器的另一件事是輸入和輸出的電氣隔離。為什么我們需要隔離？在某些特殊情況下，為了最大限度地降低電源噪聲和安全相關操作，我們需要隔離操作，其中輸入源與輸出源完全隔離。讓我們探索基本的單輸出反激操作。

反激式轉換器的電路操作

如果我們看到如下圖所示的基本單輸出反激式設計，我們將確定構建一個所需的基本主要組件。

一個基本的反激式轉換器需要一個開關，它可以是一個 FET 或晶體管、一個變壓器、一個輸出二極管、一個電容器。

最主要的是變壓器。在了解實際電路操作之前，我們需要了解變壓器的正常工作。

變壓器由最少兩個電感器組成，稱為次級線圈和初級線圈，它們纏繞在一個線圈架中，中間有一個鐵芯。磁芯決定了磁通密度，這是將電能從一個繞組傳輸到另一個繞組的重要參數。另一個最重要的事情是變壓器相位，初級和次級繞組中顯示的點。

此外，正如我們所見，PWM 信號連接在晶體管開關上。這是由于開關的關閉頻率和開啟時間。

在反激式穩壓器中，有兩個電路操作，一個是變壓器初級繞組充電時的開啟階段，另一個是關閉或當電能從初級傳輸到次級時變壓器的傳輸階段，終于到負載了。

如果我們假設開關已經關閉了很長時間，那么電路中的電流為 0，并且沒有電壓存在。

在這種情況下，如果開關打開，則電流將增加，電感器將產生電壓降，該電壓降為點負，因為初級點端的電壓更負。在這種情況下，由于磁芯中產生的通量，能量會流向次級。在次級線圈上，會產生相同極性的電壓，但電壓與次級線圈與初級線圈的匝數比成正比。由于點負電壓，二極管被關閉，次級不會有電流流動。如果電容器在前一個開關-關閉-打開周期中充電，輸出電容器將只向負載提供輸出電流。

在下一個階段，當開關關閉時，流過初級的電流會減少，從而使次級點端更加積極。與之前的開關 ON 階段相同，初級電壓極性也在次級上產生相同的極性，而次級電壓與初級和次級繞組比成正比。由于點正端，二極管開啟，變壓器的次級電感為輸出電容和負載提供電流。電容器在導通周期中失去了電荷，現在它再次被重新填充，并能夠在開關導通期間為負載提供充電電流。

在整個開關打開和關閉周期中，輸入電源與輸出電源之間不存在電氣連接。因此，變壓器隔離輸入和輸出。

根據開啟和關閉時間的不同，有兩種操作模式。反激式轉換器可以在連續模式或非連續模式下工作。

在連續模式下，在初級充電之前，電流變為零，循環重復。另一方面，在非連續模式下，下一個周期僅在初級電感電流變為零時開始。

反激式轉換器的效率

現在，如果我們研究效率，即輸出與輸入功率之比：

（Pout / Pin） x 100%

由于能量不能被創造也不能被摧毀，它只能被轉換，大多數電能將未使用的能量釋放成熱能。而且，在實際領域也沒有理想的情況。效率是選擇穩壓器的一個重要因素。

開關穩壓器的主要功率損耗因素之一是二極管。正向壓降乘以電流（Vf xi）是未使用的功率，它會轉化為熱量并降低開關穩壓器電路的效率。此外，對于熱/熱管理技術（例如使用散熱器或風扇來冷卻電路的散熱），這是電路的額外成本。不僅正向壓降，硅二極管的反向恢復也會產生不必要的功率損耗和整體效率的降低。

避免使用標準恢復二極管的最佳方法之一是使用具有低正向壓降和更好反向恢復的肖特基二極管。另一方面，開關已改為現代 MOSFET 設計，在緊湊和更小的封裝中提高了效率。

盡管開關穩壓器具有更高的效率、固定設計技術、更小的組件，但它們比線性穩壓器噪聲大，但它們仍然廣受歡迎。

使用 LM5160 的反激式轉換器示例設計

我們將使用德州儀器（TI）的反激式拓撲。該電路可在數據表中獲得。

該LM5160包括以下特點-

4.5V 至 65V 寬輸入電壓范圍

集成高邊和低邊開關

無需外部肖特基二極管

2A 最大負載電流

自適應恒定導通時間控制

無外部環路補償

快速瞬態響應

可選的強制 PWM 或 DCM 操作

FPWM 支持多輸出 Fly-Buck

幾乎恒定的開關頻率

電阻可調高達 1 MHz

程序軟啟動時間

預偏置啟動

±1% 反饋電壓基準

LM5160A 允許外部 VCC 偏置

堅固設計的固有保護功能

峰值電流限制保護

可調輸入 UVLO 和遲滯

VCC 和柵極驅動 UVLO 保護

具有遲滯的熱關斷保護

使用 LM5160A 和 WEBENCH? 電源設計器創建定制設計

它支持 4.5V 至 70V 的寬輸入電壓范圍作為輸入，并提供 2A 的輸出電流。我們還可以選擇強制 PWM 或 DCM 操作。

LM5160的引腳排列

該 IC 不適用于 DIP 封裝或易于焊接的版本，雖然這是一個問題，但該 IC 節省了大量 PCB 空間，并且與 PCB 散熱器相比具有更好的熱性能。引腳圖如上圖所示。

絕對最大額定值

我們需要注意 IC 的絕對最大額定值。

SS 和 FB 引腳具有低電壓容差。

反激式轉換器電路圖和工作原理

通過使用此 LM5160，我們將根據以下規格模擬 12V 隔離電源。我們選擇了該電路，因為所有內容都可以在制造商網站上找到。

原理圖使用了大量的組件，但理解起來并不復雜。輸入端的 C6、C7 和 C8 用于過濾輸入電源。而 R6 和 R10 用于欠壓鎖定相關目的。R7 電阻器用于接通時間相關的目的。該引腳可使用一個簡單的電阻器進行編程。跨接在 SS 引腳上的 C13 電容是一個軟啟動電容。AGND（模擬地）和 PGND（電源地）和 PAD 與電源 GND 相連。在右側，C5，0.01 uF 電容是一個自舉電容，用于柵極驅動器的偏置。R4、C4 和 C9 是紋波濾波器，其中 R8 和 R9 為 LM5160 的反饋引腳提供反饋電壓。這兩個電阻的比例決定了輸出電壓。C10 和 C11 用于初級非隔離輸出濾波。

一個主要組件是T1。它是一個耦合電感，在初級和次級兩側都有一個 60uH 的電感。我們可以選擇具有以下規格的任何其他耦合電感器或sepic電感器-

匝數比 SEC:PRI = 1.5 ： 1

電感 = 60uH

飽和電流 = 840mA

初級直流電阻 = 0.071 歐姆

二次直流電阻 = 0.211 歐姆

頻率 = 150 kHz

C3 用于 EMI 穩定性。D1 是轉換輸出的正向二極管，C1、C2 是濾波電容，R2 是啟動所需的最小負載。

那些想要定制規格的電源并想要計算值的人，制造商提供了出色的Excel 工具，您只需在其中簡單地輸入數據，Excel 將根據數據表中提供的公式計算組件值。

制造商還提供了 spice 模型以及完整的原理圖，可以使用德州儀器自己的基于 SPICE 的仿真工具 TINA-TI 進行仿真。下面是使用制造商提供的 TINA-TI 工具繪制的原理圖。