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还搞不懂反激式转换器?一定看这一文,工作原理+电路案例设计

作者: 时间:2024-07-12 来源:李工谈元器件 收藏

今天给大家分享的是:,关于工作原理、实际设计案例,应用。

本文引用地址://www.cazqn.com/article/202407/460920.htm

一、反激式转换器设计组件

反激式转换器的制作方法 ,下面为反激式转换器常用的组件:

  • 反激式变压器

  • 开关

  • 整流器

  • 滤波器

  • 驱动开关

  • 控制装置

反激式转换器是一种组件相对较少的开关转换器,相对容易制造和设计。

反激式转换器是一种隔离开关转换器,可以是降压或者升压配置。大多数手机、平板电脑和笔记本电脑都会用到反激式转换器。

反激式转换器原理图

1、反激式变压器

变压器可以将能量从初级传输到次级。另一方面,反激式变压器会将能量储存在初级磁场上,并在一定时间后将能量传递到次级磁场。

变压器至少由2个电感组成,称为次级线圈和初级线圈,缠绕在线圈架中,中间有一个铁芯。磁芯决定磁通密度,磁通密度是将电能从一个绕组传输到另一个绕组的重要参数。压器定相,初级和次级绕组中显示的点。

2、开关

开关的作用是导通和关闭初级电路,使变压器充磁和消磁。该开关由来自所选控制器PMW信号控制。

3、整流器和滤波器

整流器将次级绕组上的电压整流成脉动直流电。整流器或者二极管的另一个作用是从次级绕组切断和连接负载。整流后的电压随后被电容滤除以增加直流电平,并可供预期应用使用。

在上面电路图中没有缓冲电路,但其实大部分时候,反激式转换器需要一个缓冲器来对抗开关或二极管上的电压尖峰。

二、反激式转换器原理

1、开关导通时反激式转换器的工作原理

1)反激式转换器原理图-开关导通时

当开关打开时,电流将从Uin流向初级地为初级绕组充电并且储存能量。这个时候,二极管反向偏置,次级绕组没有电流流动。负载需求由输出电容(Cout)提供。

反激式转换原理图(开关导通)

2)反激式转换器电流变化-开关导通时

反激式转换器电流变化(开关导通)

3)反激式转换器工作原理-开关导通时

反激式转换器原理图(开关导通)

当开关打开时,初级将充电并且有电流流动。根据KVL,

Vin – VL – Vs = 0

假设理想状态,开关压降(Us)为0,

Vin – VL = 0

VL=输入电压

VL = Lp di / dt

di = ( VL / Lp ) X dt

VL = Vin,所以

di = (Vin / Lp) X dt

对公式进行运算:

电流

储存的能量:

储存能量

2、开关关闭时反激式转换器的工作原理

1)反激式转换器原理图-开关关闭时

当初级开关断开时,初级绕组将抵抗电流的突然变化然后反转绕组的极性。就会导致输出二极管的正向偏置。初级中存储的能量将通过二极管传输到次级和负载,这个时候,输出电容会补充电荷。

反激式转换器电路图(开关关闭)

2)反激式转换器电流变化-开关关闭

反激式转换器电流变(开关关闭)

3)反激式转换器工作原理

反激式转换器电路图(开关关闭)

如果开关关闭,反激式转换器的允许将集中在次级,当开关关闭时,次级电流流动。

根据KVL,

VL_次级 – VD – Vout = 0

理想情况下,次级二极管的压降为零:

VL_次级 – Vout = 0

VL_次级 = Vout

VL = Ls di / dt

di = ( VL_次级 / Ls ) X dt

VL_次级= Vout,所以

di = ( Vout / Ls ) X dt 通过积分,

电流

电流

转移的能量:

转移的能量

  • Vsec:次级绕组上的电压,恰好等于输出电压

  • Ls:变压器次级电感

  • T:PWM 信号的周期 (1/Fsw)

  • Ton:开关打开的时间

三、反激式转换拓扑

反激式转换拓扑结构的优点:易于应用,灵活,可以用于SMPS(开关模式电源)设计。

反激式转换器拓扑结构的波形,电流特征如下所示。

反激式转换器拓扑结构的波形,电流特征

四、反激式拓扑SMPS

反激式SMPS的拓扑需要的组件比较少,可用于交流或者直流电源,在电路中会使用MOS管。反激式SMPS结构的运行取决于MOS管。反激式SMPS拓扑以连续或者断续模式运行。

反激式拓扑SMPS

五、SMPS 反激式变压器设计

下面为简单的SMPS反激式变压器电路图。SMPS 反激式变压器的优势在于电流不会同时流过初级和次级绕组。

MPS 反激式变压器设计

六、反激式转换器使用技巧

反激式转换器电路的应用十分广泛:

  • 直流-直流电源

  • 电信

  • LED照明

  • 以太网供电 (PoE)

  • 电容充电

  • 电池充电

  • 太阳能微型逆变器

  • 交直流电源

七、使用LM5160 反激式转换器设计示例

1、LM5160 电气特性

  • 4.5V 至 65V 宽输入电压范围

  • 集成高侧和低侧开关

    • 无需外部肖特基二极管

  • 2A 最大负载电流

  • 自适应恒定导通时间控制

    • 无外部环路补偿

    • 快速瞬态响应

  • 可选的强制 PWM 或 DCM 操作

    • FPWM 支持多输出 Fly-Buck

  • 几乎恒定的开关频率

    • 电阻可调至 1 MHz

  • 程序软启动时间

  • 预偏置启动

  • ±1% 反馈参考电压

  • LM5160A 允许外部 VCC 偏置

  • 稳健设计的固有保护功能

    • 峰值电流限制保护

    • 可调输入 UVLO 和迟滞

    • VCC 和栅极驱动 UVLO 保护

    • 带滞后的热关断保护

这里只是给一个参考,更具体的请查看LM5160的Datasheet:【LM5160 PDF数据手册】_中文资料_(德州仪器 TI)-采芯网

2、LM5160 引脚图

LM5160 引脚图

3、绝对最大额定值

绝对最大额定值

4、反激式转换器电路图

反激式转换器电路图

5、反激式转换器工作原理

上面的原理图应用了大量的元器件,但实际并没有那么复杂。输入端的 C6、C7 和 C8 用于过滤输入电源,R6 和 R10 用于欠压锁定相关,R7 电阻用于与时间相关,该引脚可使用一个简单的电阻器进行编程。

连接在 SS 引脚上的 C13 电容是一个软启动电容。AGND(模拟地)和 PGND(电源地)以及 PAD 与电源 GND 相连。

在右侧 C5(0.01 uF )电容是一个自举电容,用于栅极驱动器的偏置。R4、C4 和 C9 是纹波滤波器,其中 R8 和 R9 为 LM5160 的反馈引脚提供反馈电压,这两个电阻的比值决定了输出电压。C10 和 C11 用于初级非隔离输出滤波。一个主要组件是 T1,耦合电感,初级和次级两侧各有一个 60uH 的电感。

可以选择下面的规格或者其他规格的电感:

  • 匝数比 SEC:PRI = 1.5 : 1

  • 电感 = 60uH

  • 饱和电流 = 840mA

  • 初级直流电阻 = 0.071 Ω

  • 次级直流电阻 = 0.211 Ω

  • 频率 = 150 kHz

C3 用于 EMI 稳定性。D1是转换输出的正向二极管,C1、C2是滤波电容,R2 是启动所需的最小负载。

6、反激式转换器原理图+仿真图

反激式转换器原理图

下面为反激式转换器仿真图,可以看到负载电流和电压:

反激式转换器仿真图



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