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反激電源適配器

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反激電源適配器

在設(shè)計反激式電源適配器時，我發(fā)現(xiàn)有很多工程師和學生，存在很大的困難。實際上這種拓撲非常實用，而且設(shè)計也并不難。
問題并不在于電源適配器設(shè)計本身的難處，或是學生的能力，而是與傳統(tǒng)設(shè)計的教學方式有關(guān)。
從反激變壓器設(shè)計的第一步開始，就定下了錯誤的思維定勢，設(shè)計者常常把“反激變壓器”當成真正的變壓器來設(shè)計，這正是問題所在。
對于變壓，我們已經(jīng)非常熟悉，它是一種非常簡單的設(shè)備——初級繞組上施加一定的電壓，次級繞組上就可以得到相應(yīng)的電壓。電壓比率與匝比相同，與輸出（負載）電流無關(guān)。換句話講，變壓器保證初次級電壓的轉(zhuǎn)換比率（初級繞組為1V／匝，從而使次級繞組電壓也為IV／匝。如果需要得到10V電壓，用10匝次級繞組即可實現(xiàn)，原理非常簡單。）但是，需要注意變壓器的一個很重要的特性，初級與次級同時導通。即電流從初級繞組的正極性流進，則同時從次級繞組的正極性流出。
反激電源適配器的基本電路圖如圖所示。

值得注意的是，在開關(guān)管Q1導通期間，電流流進變壓器T1的初級繞組，而此時次級二極管不導通故次級無電流流過。當開關(guān)管Q1關(guān)斷時，初級電流停止，所有繞組電壓反向。這種反激電壓使得輸出二極管及次級繞組導通，并流過電流。所以“反激變壓器”的初級與次級繞組在不同的時刻導通并流過電流，這種差異很明顯地改變了“反激變壓器”的工作原理。
讓我們分析“反激筆記本電腦充電器”工作模式。當開關(guān)管Q1導通時，只有初級繞組導通（其他繞組因未導通，可暫不考慮其對初級電壓的影響），此時，開關(guān)管可認為只是給電感儲存能量。當開關(guān)管Q1關(guān)斷時，只有次級繞組導通，分析時可暫不考慮初級繞組對次級的影響（此時，次級可認為只是電感放電過程）。所以，“反激變壓器”與真正變壓器有什么樣的不同，就顯而易見了。所謂的“反激變壓器”，從功能上考慮，實際上只是有著若干繞組的電感而已。
這種不止一個繞組的電感工作原理是，初級與次級的安匝比守恒（而不是像真正的變壓器一樣，電壓比守恒）。例如，初級繞組100匝，開關(guān)管Q1關(guān)斷時的峰值電流為1A，存儲在初級的安匝數(shù)為100安匝。這個數(shù)值必須等于次級的安匝數(shù)，若次級繞組為10匝，則電流應(yīng)為10A（10T×10A=100安匝）。同樣，1匝次級繞組將會有100A的峰值電流，1000匝次級繞組對應(yīng)于0.1A的峰值電流。
這種情況下，電壓方面的關(guān)系又如何呢？首先需要說明的是，初次級繞組電壓并不相關(guān)次級繞組電壓只與負載有關(guān)。假設(shè)次級繞組安匝數(shù)為100，匝數(shù)為10，則峰值電流為10A，如上節(jié)例子所述。如果將次級繞組與19負載相連則可得到10V的次級電壓。如果將這樣的次級繞組與1009的負載相連，則可以在次級得到不可思議的1000電壓，這就是之所以反激拓撲在高壓應(yīng)用場所得到普遍應(yīng)用的原因（不得將次級開路，會導致半導體元件損壞）。當次級有幾個繞組同時導通時，則所有次級繞組的安重數(shù)之和與初級安匝數(shù)守恒。

根據(jù)以上所述可知，“反激變壓器”實際上是以電感的特性工作，所以就需要采用電感的設(shè)計原理進行設(shè)計（因為磁心同時需要承載電流的直流和交流成分，故第7章中名詞采用扼流圈代替電感）。所以說，假若最初“反激變壓器”可以根據(jù)其功能正確命名為“反激扼流圈”，那現(xiàn)在就不會有那么多的疑惑了。
但是我們都知道，初級與次級繞組就算是不同時導通，它們之間也會存在電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系。還是采用上面的實例，10匝的次級繞組加在100負載之上，次級繞組上電壓為1000V。這1000V電壓將會折射到初級繞組，其折射電壓值為1000，加上輸入電壓100V，開關(guān)管在關(guān)斷期間將會承受10100V的電壓（耐壓11000V的開關(guān)管，超過現(xiàn)有的工藝水平）。所以在現(xiàn)實中很難實現(xiàn)，但是理論上可行。
所以，當我們在設(shè)計“反激變壓器”時，需要注意以下幾點。
①記住你不是在設(shè)計一個變壓器，而是有著多繞組的扼流圈。
②初級繞組匝數(shù)需要滿足AC電壓應(yīng)力（伏秒數(shù)）和磁心飽和特性


其中，N，是最小的初級匝數(shù)，V是最大的初級直流電壓（V），7是開關(guān)管Q1的最大導通時間（μs），B是AC磁通密度變化的峰一峰值（特斯拉），鐵氧體典型值為200mT，A為磁心中心柱的有效面積（mm2）。
③次級繞組可靈活選擇。如果次級繞組每匝電壓值與初級相同，則開關(guān)管Q上的反激電壓為輸入電壓的兩倍。
④當使用帶有磁隙的鐵氧體磁心時，最小的磁隙長度必須保證在流過交流和直流勵磁電流和時，磁心不能飽和。而在更多的情況下，磁隙長度的選擇是為了滿足能量轉(zhuǎn)換的要求，這樣經(jīng)常會導致磁隙長度超過了其需求的最小長度。初級繞組儲存的能量為
E（焦耳）=1／2LI2
這是攝像機電源適配器初級能夠傳送到次級的最大能量，而且只是在斷續(xù)（完全能量傳遞）的工作模式。在連續(xù)的工作模式，只有部分能量被傳送。
注意：減小電感值L，看上去可以減少初級儲在的能量，但是在電感減小的同時，電流／會以相同的比例增太。又因為能量與電流／的平方值成正比，所以減小電感值，其實初級儲存的能量實際上是增加的。
⑤不推薦一味地設(shè)計出某一固定的電感值，而最好是電感值能夠在磁隙長度或是磁心材料（磁導率）改變時可以有相應(yīng)的變化裕量。

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| 發(fā)布時間：2019.01.14    來源：電源適配器廠家
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