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单端反激式开关电源几种工作方式的分析

来源:机房360 作者:李永刚 更新时间:2013-8-22 14:56:38

摘要:电子设备的供电往往采用高频开关电源来实现。单端反激式隔离开关电源常常用于消耗功率不超过100W的电子设备。虽然这类开关电源的电路形式有所不同,但是电源的基本结构和工作原理是类似的,其中的脉冲变压器在开关电源中起着能量储存、传递、释放的重要作用,正确的设计、制作和调试是电路能够正常工作的基础。对于提高电磁兼容性、提高效率、增强可靠性和稳定性等方面都是极其重要的。

        如果输出平均电流大于IOB,则电源工作在连续方式;如果输出平均电流小于IOB,则电源工作在非连续方式。因为连续工作方式与非连续工作方式输出直流电压的表达式截然不同,开关电源电路的各个元器件参数是确定的,在交流电源电压波动以及负载大小变化时,很难保证电源在整个工作期间准确地工作在临界工作方式下。因此,在设计开关型稳压电源时一般不采用临界工作方式。

  3 不同工作方式下反激式开关电源的比较

  非连续工作方式和连续工作方式的单端反激式开关电源,有着不同的特点,工作过程不一样,下面分别进行分析。

  3.1 连续工作方式的特点

  在连续工作方式下,稳定的直流输出电压调整方便,VT导通的初始电流不为零,电流变化的斜率di/dt较小,相应充磁结束时的峰值电流也小,因此VT导通时的损耗就小,降低了对VT的要求,这就需要TR初、次级绕组的电感量相对大一些,其结果会使各个绕组的圈数较多,变压器体积较大,分布电容和漏感也相对大一些。特别是由于PN结存在反向恢复时间trr,这种连续工作方式下,在toff结束时刻,次级整流二极管放电电流不为零,它由正向导通不会立即变为反向截止,所以会有功率开关管VT与次级整流二极管VD同时导通的现象,电流在TR的初、次级流动,形成一个电流交叉区,增加了额外损耗;同样在toff结束时刻,功率开关管的栅极激励已经消失,VT由导通转为关断,同时次级整流二极管由截止变为导通,这也会形成一个短暂期间的电流交叉区,也会增加损耗。最严重的是这种工作方式下,TR存在剩磁,理论上应该保证每一个周期结束时磁通都恢复为常量Φ1,但是实际由于磁芯存在铁损,线圈铜线绕组存在铜损,不可避免会由于温度的升高可能使得Φ1发生偏移,其结果可能使磁通不能复位,很快就会使磁通变化(往往是增大)进入非线性区域,脉冲变压器的初级电感量Lp减小,电流值增大,形成恶性循环,最终导致开关电源损坏。当利用拉普拉斯变换确定系统传递函数时,s复平面的右半平面有一个零点,很容易造成系统不稳定。因此作为一般的单端反激式隔离开关电源,很少有人采用这种连续工作方式。

  3.2 非连续工作方式的特点

  非连续工作方式下,在VT开始导通时由于变压器剩磁已经提前变为零,因此初级绕组充磁起始电流为零,电流di/dt变化的斜率较大,同样峰值电流相应较大,因此VT的损耗就大,但是TR初、次级绕组的电感量相对小一些,线圈的圈数较少,变压器体积、分布电容和漏感就小。这种工作方式的优点比较多,最突出的是在toff结束之前次级整流二极管已经截止,VT重新导通的瞬间不会形成电流交叉区,因此损耗明显减小。其次,由于在每个周期结束时,磁芯的剩磁为零即磁通也为零,绝对保证了磁通复位,磁通变化呈现重复性,也适合长时间在温度波动的恶劣环境下工作。

  虽然这种方式直流输出电压U的大小与输入电压Ei及负载RL的变化有关,但是只要保证在直流输出端不开路,利用负载电路本身或假负载电路对输入电压或负载电流的突然变化反映迅速的特点,采用稳定性很好的双环路反馈,输出直流电压隔离取样反馈外环路与初级绕组充磁峰值电流取样反馈内环路控制系统,就可以在每一个周期时间内对前一个周期对应的直流输出电压值和初级绕组充磁峰值电流值,通过开关电源的PWM脉冲宽度调制器,迅速地调整脉冲占空比δ,达到使输出的直流电压稳定的目的。同样利用拉普拉斯变换确定系统传递函数时,使系统的零、极点全部在s复平面的左半平面内,系统十分稳定。但是这种方式的开关电源对各个元器件的参数要求较高,VT允许的峰值电流应该是前者的2~3倍,耐压值也要比前者高许多,为了防止出现磁通饱和还需要对TR的磁芯进行精细的气隙研磨处理,由于功率开关管关断的瞬间会有一个较大的瞬态峰值电压脉冲,需要一个DLC网络来吸收,这类电源充磁电流的di/dt较大,会在直流负载的地线上形成比较大的尖峰噪声,为此需要较大的滤波电容,为了减小铜损,要求TR绕组采用多股导线并联绕制形式。特别要在考虑电磁兼容性问题时,还要对电路的布线和对电源的屏蔽作精细的处理,增加一些辅助措施。

  4 结束语

  虽然非连续工作方式的单端反激式隔离开关电源对元器件的参数指标及一些技术处理要求较高,但是与连续工作方式比较起来,其优点更多,尤其是其可靠性和稳定性要远远高于后者。随着开关电源技术的成熟和与之配套的元器件技术指标的不断提高,实际上目前绝大多数单端反激式隔离开关电源都采用非连续工作方式。

 

  责任编辑:Adah

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