中心議題：

• 反激電源及變壓器設計

解決方案：

• buck-boost電路的工作過程
• 反激flyback電路如何從buck-boost電路演變而來
• 反激flyback電路的工作過程仿真

每mei天tian都dou會hui有you很hen多duo工gong程cheng師shi在zai反fan激ji設she計ji過guo程cheng遇yu到dao問wen題ti
，本ben文wen圖tu文wen並bing茂mao的de講jiang述shu了le反fan激ji式shi拓tuo撲pu結jie構gou，清qing楚chu而er透tou徹che
，堪kan稱cheng反fan激ji電dian源yuan及ji變bian壓ya器qi設she計ji寶bao典dian，期qi望wang給gei反fan激ji電dian源yuan及ji變bian壓ya器qi設she計ji工gong程cheng師shi提ti供gong指zhi導dao。

縱(zong)觀(guan)電(dian)源(yuan)市(shi)場(chang)，沒(mei)有(you)哪(na)一(yi)個(ge)拓(tuo)撲(pu)能(neng)像(xiang)反(fan)激(ji)電(dian)路(lu)那(na)麼(me)普(pu)及(ji)

，可(ke)見(jian)反(fan)激(ji)電(dian)源(yuan)在(zai)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)中(zhong)具(ju)有(you)不(bu)可(ke)替(ti)代(dai)的(de)地(di)位(wei)。說(shuo)句(ju)不(bu)算(suan)誇(kua)張(zhang)的(de)話(hua)，把(ba)反(fan)激(ji)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)徹(che)底(di)搞(gao)透(tou)了(le)
，哪(na)怕(pa)其(qi)他(ta)的(de)拓(tuo)撲(pu)一(yi)點(dian)不(bu)懂(dong)，在(zai)職(zhi)場(chang)上(shang)找(zhao)個(ge)月(yue)薪(xin)10K的工作也不是什麼難事。

1、反激電路是由buck-boost拓撲演變而來

，先分析一下buck-boost電路的工作過程。
      

      

工作時序說明：

t0時刻，Q1開通，那麼D1承受反向電壓截止，電感電流在輸入電壓作用下線性上升。

t1時刻，Q1關斷
，由於電感電流不能突變，所以，電感電流通過D1，向C1充電。並在C1兩端電壓作用下，電流下降。

t2時刻，Q1開通，開始一個新的周期。

從上麵的波形圖中，我們可以看到，在整個工作周期中，電感L1的電流都沒有到零。所以，這個工作模式是電流連續的CCM模式，又叫做能量不完全轉移模式。因為電感中的儲能沒有完全釋放。

從工作過程我們也可以知道
，這個拓撲能量傳遞的方式是
，在MOS管開通時，向電感中儲存能量，MOS管關斷時，電感向輸出電容釋放能量。MOSguanbuzhijiexiangfuzaichuandinengliang。zhenggenengliangchuandiguochengshixianchucunzaishifangdeguocheng。zhenggedianludeshuchunengli，qujueyudiangandechucunnengli。womenhaiyaozhuyidao，genjudianliuliudongdefangxiang
，keyipanduanchu，zaishurushuchugongdideqingkuangxia，shuchudedianyashifudianya。

MOS管開通時
，電感L1承受的是輸入電壓
，MOS關斷時，電感L1承受的是輸出電壓。那麼，在穩態時，電路要保證電感不進入飽和
，必定要保證電感承受的正向和反向的伏秒積的平衡。那麼：

Vin×(t1-t0)=Vout×(t2-t1)，假如整個工作周期為T
，占空比為D
，那麼就是：Vin×D=Vout×(1-D)[page]
那麼輸出電壓和占空比的關係就是：Vout=Vin×D/(1-D)

同時
，我們注意看MOS管和二極管D1的電壓應力，都是Vin+Vout

另外，因為是CCM模式，所以從電流波形上可以看出來，二極管存在反向恢複問題。MOS開通時有電流尖峰。

上麵的工作模式是電流連續的CCM模式。在原圖的基礎上，把電感量降低為80uH，其他參數不變，仿真看穩態的波形如下：
                             

t0時刻，Q1開通
，那麼D1承受反向電壓截止，電感電流在輸入電壓作用下從0開始線性上升。

t1時刻
，Q1關斷，由於電感電流不能突變
，所以，電感電流通過D1，向C1充電。並在C1兩端電壓作用下，電流下降。

t2時刻
，電感電流和二極管電流降到零。D1截止
，MOS的結電容和電感開始發生諧振。所以可以看見MOS的Vds電壓出現周期性的振蕩。

t3時刻，Q1再次開通
，進入一個新的周期。

在這個工作模式中
，因為電感電流會到零，所以是電流不連續的DCM模式。有叫做能量完全轉移模式，因為電感中儲存的能量完全轉移到了輸出端。而二極管因為也工作在DCM狀態
，所以沒有反向恢複的問題。 但是我們應該注意到
，DCM模式的二極管、電感和MOS漏極的峰值電流是大於上麵的CCM模式的。

需要注意的是在DCM下的伏秒積的平衡是：

Vin×(t1-t0)=Vout(t2-t1)

隻是個波形的正反問題。就好象示波器的探頭和夾子如果反過來，那麼波形就倒過來。

你注意看圖的右邊，看波形具體的定義是什麼。有的波形是兩個點相減出來的。

看波形圖也要配合這原理圖來看的。

當MOS開通的時候
，二極管D1承受著反壓，是一個負的電壓。MOS關斷的時候，二極管導通，正向壓降很低二極管的反向恢複
，和其工作時PN結的載流子的運動有關係。DCM時(shi)
，因(yin)為(wei)二(er)極(ji)管(guan)已(yi)經(jing)沒(mei)有(you)電(dian)流(liu)流(liu)過(guo)了(le)，內(nei)部(bu)載(zai)流(liu)子(zi)已(yi)經(jing)完(wan)成(cheng)了(le)複(fu)合(he)過(guo)程(cheng)。所(suo)以(yi)不(bu)存(cun)在(zai)反(fan)向(xiang)回(hui)複(fu)問(wen)題(ti)。會(hui)有(you)一(yi)點(dian)點(dian)反(fan)向(xiang)電(dian)流(liu)，不(bu)過(guo)那(na)是(shi)結(jie)電(dian)容(rong)造(zao)成(cheng)的(de)。

在CCM和DCM模式有個過渡的狀態，叫CRM，就是臨界模式。這個模式就是電感電流剛好降到零的時候，MOS開通。這個方式就是DCM向CCM過渡的臨界模式。CCM在輕載的時候
，會進入DCM模式的。CRM模式可以避免二極管的反向恢複問題。同時也能避免深度DCM時
，電流峰值很大的缺點。要保持電路一直工作在CRM模式
，需要用變頻的控製方式。

我還注意到
，在DCM模式，電感電流降到零以後，電感會和MOS的結電容諧振，給MOS結電容放電。那麼，是不是可以有種工作方式是當MOS結電容放電到最低點的時候
，MOS開通進入下一個周期
，這樣就可以降低MOS開通的損耗了。答案是肯定的。這種方式就叫做準諧振
，QR方式。也是需要變頻控製的。不管是PWM模式，CRM模式，QR模式，現在都有豐富的控製IC可以提供用來設計。

2、那麼我們常說
，反激flyback電路是從buck-boost電路演變而來
，究竟是如何從buck-boost拓撲演變出反激flyback拓撲的呢？

請看下麵的圖：
                           [page]
這是基本的buck-boost拓撲結構。下麵我們把MOS管和二極管的位置改變一下，都挪到下麵來。變成如下的電路結構。這個電路和上麵的電路是完全等效的。
                         

接下來，我們把這個電路
，從A、B兩點斷開，然後在斷開的地方接入一個變壓器
，得到下圖：
                        

 為什麼變壓器要接在這個地方
？因為buck-boost電dian路lu中zhong
，電dian感gan上shang承cheng受shou的de雙shuang向xiang伏fu秒miao積ji是shi相xiang等deng的de，不bu會hui導dao致zhi變bian壓ya器qi累lei積ji偏pian磁ci。我wo們men注zhu意yi到dao，變bian壓ya器qi的de初chu級ji和he基ji本ben拓tuo撲pu中zhong的de電dian感gan是shi並bing聯lian關guan係xi，那na麼me可ke以yi將jiang變bian壓ya器qi的de勵li磁ci電dian感gan和he這zhe個ge電dian感gan合he二er為wei一yi。另ling外wai，把ba變bian壓ya器qi次ci級ji輸shu出chu調tiao整zheng一yi下xia，以yi適shi應ying閱yue讀du習xi慣guan。得de到dao下xia圖tu：
                  

這就是最典型的隔離flyback電dian路lu了le。由you於yu變bian壓ya器qi的de工gong作zuo過guo程cheng是shi先xian儲chu存cun能neng量liang後hou釋shi放fang
，而er不bu是shi僅jin僅jin擔dan負fu傳chuan遞di能neng量liang的de角jiao色se。故gu而er這zhe個ge變bian壓ya器qi的de本ben質zhi是shi個ge耦ou合he電dian感gan。采cai用yong這zhe個ge耦ou合he電dian感gan來lai傳chuan遞di能neng量liang，不bu僅jin可ke以yi實shi現xian輸shu入ru與yu輸shu出chu的de隔ge離li
，同tong時shi也ye實shi現xian了le電dian壓ya的de變bian換huan，而er不bu是shi僅jin僅jin靠kao占zhan空kong比bi來lai調tiao節jie電dian壓ya。[page]

由於此耦合電感並非理想器件，所以存在漏感，而實際線路中也會存在雜散電感。當MOS關斷時

，漏感和雜散電感中的能量會在MOS的漏極產生很高的電壓尖峰，從而會導致器件的損壞。故而，我們必須對漏感能量進行處理
，最常見的就是增加一個RCD吸收電路。用C來暫存漏感能量，用R來耗散之。
                      

下麵先讓我們仿真一下反激flyback電路的工作過程。

在使用耦合電感仿真的時候
，我們需要知道saber中，耦合電感怎麼用。簡單的辦法，就是選擇一個理想的線性變壓器

，然後設置其電感量來仿真。還有一個辦法，就是利用耦合電感K這zhe個ge模mo型xing來lai仿fang真zhen。下xia圖tu是shi我wo們men用yong來lai仿fang真zhen的de電dian路lu圖tu，為wei了le讓rang大da家jia能neng看kan到dao元yuan件jian參can數shu的de設she置zhi，我wo把ba所suo有you元yuan件jian的de關guan鍵jian參can數shu都dou顯xian示shi出chu來lai了le。還hai有you
，因yin為wei仿fang真zhen的de需xu要yao，我wo把ba輸shu入ru和he輸shu出chu共gong地di，實shi際ji電dian路lu當dang然ran是shi隔ge離li的de。
                    

細心的朋友可能會注意到，變壓器的初級電感量是202uH，參與耦合的卻隻有200uH，那麼有2uH是漏感。次級是50uH，沒有漏感。變壓器的電感比是200：50，那麼意味著變壓器的匝比NP/NS=2：1設定瞬態掃描，時間10ms
，步長10ns
，看看穩態時的波形吧：
                      

下麵先簡單敘述其工作原理：

t0時刻，MOS開通。變壓器初級電流在輸入電壓的作用下
，線性上升
，上升速率為Vin/l1。變壓器初級電壓感應到次級
，整流二極管反向截止。二極管承受反壓為Vin/(NP/NS)+Vout。

t1時刻
，MOS關斷。 變壓器初級電流被強製關斷。我們知道電感電流是不能突變的
，而現在MOS要強製關斷初級電流
，那麼初級電感就會在MOSguanduanguochengzhong
，zaichujicechanshengyigeganyingdiandongshi。genjudianciganyingdinglv，womenzhidao，zhegeganyingdiandongshizaiyuanlituzhongshixiazhengshangfude。zhegeganyingdiandongshitongguobianyaqideraozuouhedaociji，youyucijidetongmingduanhechujishifande。suoyicijideganyingdiandongshishishangzhengxiafu。dangcijideganyingdiandongshidadaoshuchudianyashi，cijizhengliuerjiguandaotong。chujidianganzaiMOS開(kai)通(tong)時(shi)儲(chu)存(cun)的(de)能(neng)量(liang)，通(tong)過(guo)磁(ci)芯(xin)耦(ou)合(he)到(dao)次(ci)級(ji)電(dian)感(gan)，然(ran)後(hou)通(tong)過(guo)次(ci)級(ji)線(xian)圈(quan)釋(shi)放(fang)到(dao)次(ci)級(ji)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)中(zhong)。在(zai)向(xiang)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)中(zhong)轉(zhuan)移(yi)能(neng)量(liang)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)，由(you)於(yu)次(ci)級(ji)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)容(rong)量(liang)很(hen)大(da)，電(dian)壓(ya)基(ji)本(ben)不(bu)變(bian)
，所(suo)以(yi)次(ci)級(ji)電(dian)壓(ya)被(bei)箝(qian)位(wei)在(zai)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)Vout，那麼因為磁芯繞組電壓是按匝數的比例關係，所以此時初級側的電壓也被箝位在Vout/(NS/NP)
，這裏為了簡化分析，我們忽略了二極管的正向導通壓降。[page]
現在我們引入一個非常重要的概念，反射電壓Vf。反射電壓Vf就是次級繞組在向次級整流後的輸出電容轉移能量時，把次級輸出電壓按照初次級繞組的匝數比關係反射到初級側繞組的電壓，數值為:Vf=(Vout+Vd)/(NS/NP)，式中，Vd是二極管的正向導通壓降。在本例中，Vout約為20V，Vd約為1V
，NP/NS=2
，那麼反射電壓約為42V。從波形圖上可以證實這一點。那麼我們從原理圖上可以知道
，此時MOS的承受的電壓為Vin+Vf。

也有朋友注意到了，在MOS關斷的時候
，Vds的波形顯示，MOS上的電壓遠超過Vin+Vf！這是怎麼回事呢？這是因為，我們的這個例子中，變壓器的初級有漏感。漏感的能量是不會通過磁芯耦合到次級的。那麼MOS關(guan)斷(duan)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，漏(lou)感(gan)電(dian)流(liu)也(ye)是(shi)不(bu)能(neng)突(tu)變(bian)的(de)。漏(lou)感(gan)的(de)電(dian)流(liu)變(bian)化(hua)也(ye)會(hui)產(chan)生(sheng)感(gan)應(ying)電(dian)動(dong)勢(shi)，這(zhe)個(ge)感(gan)應(ying)電(dian)動(dong)勢(shi)因(yin)為(wei)無(wu)法(fa)被(bei)次(ci)級(ji)耦(ou)合(he)而(er)箝(qian)位(wei)，電(dian)壓(ya)會(hui)衝(chong)的(de)很(hen)高(gao)。那(na)麼(me)為(wei)了(le)避(bi)免(mian)MOS被電壓擊穿而損壞
，所以我們在初級側加了一個RCD吸收緩衝電路
，把漏感能量先儲存在電容裏，然後通過R消耗掉。當然，這個R不僅消耗漏感能量。因為在MOS關斷時，所有繞組都共享磁芯中儲存的能量。其實
，留意看看，初級配上RCDxishoudianlu，hecijizhengliulvbohoudaiyigedianzufuzai，dianlujiegouwanquanshixiangtongde。guerchujicezheshihouyexiangyigeshuchuraozuside，zhibuguoshuchudedianyashiVf，那麼Vf也會在RCD吸收回路的R上產生功率。因此，初級側的RCD吸收回路的R不要取值太小，以避免Vf在其上消耗過多的能量而降低效率。t3時刻
，MOS再次開通
，開始下一個周期。那麼現在有一個問題。在一個工組周期中，我們看到
，初級電感電流隨著MOS的關斷是被強製關斷的。在MOS關斷期間，初級電感電流為0，電流是不連續的。那麼，是不是我們的這個電路是工作在 DCM狀態的呢
？

在flyback電路中，CCM和DCM的判斷，不是按照初級電流是否連續來判斷的。而是根據初
、次級的電流合成來判斷的。隻要初
、次級電流不同是為零，就是CCM模式。而如果存在初

、次級電流同時為零的狀態

，就是DCM模式。介於二者之間的就是CRM過渡模式。

所以根據這個我們從波形圖中可以看到
，當MOS開通時
，次級電流還沒有降到零。而MOS開通時，初級電流並不是從零開始上升
，故而，這個例子中的電路是工作在CCM模式的。我們說過，CCM模式是能量不完全轉移的。也就是說
，儲存在磁芯中的能量是沒有完全釋放的。但進入穩態後，每周期MOS開通時新增儲存能量是完全釋放到次級的。否則磁芯會飽和的。

在上麵的電路中，如果我們增大輸出負載的阻值，降低輸出電流，可以是電路工作模式進入到DCM狀態。為了使輸出電壓保持不變，MOS的驅動占空比要降低一點。其他參數保持不變。
                      

同樣，設定瞬態掃描，時間10ms，步長10ns，看看穩態時的波形吧：
                      
t0時刻，MOS開通
，初級電流線性上升。

t1時刻，MOS關斷
，初級感應電動勢耦合到次級向輸出電容轉移能量。漏感在MOS上產生電壓尖峰。輸出電壓通過繞組耦合，按照匝比關係反射到初級。這些和CCM模式時是一樣的。這一狀態維持到t2時刻結束。

t2時shi刻ke
，次ci級ji二er極ji管guan電dian流liu，也ye就jiu是shi次ci級ji電dian感gan電dian流liu降jiang到dao了le零ling。這zhe意yi味wei著zhe磁ci芯xin中zhong的de能neng量liang已yi經jing完wan全quan釋shi放fang了le。那na麼me因yin為wei二er管guan電dian流liu降jiang到dao了le零ling

，二er極ji管guan也ye就jiu自zi動dong截jie止zhi了le，次ci級ji相xiang當dang於yu開kai路lu狀zhuang態tai
，輸shu出chu電dian壓ya不bu再zai反fan射she回hui初chu級ji了le。由you於yu此ci時shiMOS的Vds電壓高於輸入電壓，所以在電壓差的作用下
，MOS的結電容和初級電感發生諧振。諧振電流給MOS 的結電容放電。Vds電壓開始下降，經過1/4之一個諧振周期後又開始上升。由於RCD箝位電路的存在，這個振蕩是個阻尼振蕩，幅度越來越小。

t2到t3時刻，變壓器是不向輸出電容輸送能量的。輸出完全靠輸出的儲能電容來維持。
t3時刻，MOS再次開通
，由於這之前磁芯能量已經完全釋放

，電感電流為零。所以初級的電流是從零開始上升的。

從CCM模式和DCM模式的波形中我們可以看到二者波形的區別：

1，變壓器初級電流

，CCM模式是梯形波
，而DCM模式是三角波。

2，次級整流管電流波形，CCM模式是梯形波，DCM模式是三角波。

3，MOS的Vds波形，CCM模式，在下一個周期開通前，Vds一直維持在Vin+Vf的平台上。而DCM模式
，在下一個周期開通前，Vds會從 Vin+Vf這個平台降下來發生阻尼振蕩。

所以
，隻要有示波器，我們就可以很容易從波形上看出來反激電源是工作在 CCM還是DCM狀態。

另外，從DCM的工作波形上，我們也可以得到一些有意義的提示。

例如
，假如我們控製使次級繞組電流降到零的瞬間
，開通MOS進入下一個周期。這樣可以有效利用占空比
，降低初級電流峰值和RMS值。

這種工作方式就是叫做CRM方式。可以用變頻帶電流過零檢測的IC來控製。例如L6561MC34262等。

還有一種方式，就是次級電流過零後，MOS結電容和初級電感諧振放電，我們假如讓MOS在Vds降到最低點的時候開通，那麼可以有效降低容性開通造成的能量損失。這種就是前麵提到過的QR準諧振模式。這樣的控製IC現在也有很多。