一文解析反激式转换器电路

在电子产品中，调节器是一种可以不断调节功率输出的设备或机制。在电源领域有不同种类的稳压器可用。但主要是，在 DC 到 DC 转换的情况下，有两种类型的稳压器可用：线性或开关。

线性稳压器使用电阻压降调节输出。因此，线性稳压器提供较低的效率并以热量的形式损失功率。开关稳压器使用电感器、二极管和电源开关将能量从其源传输到输出。

开关稳压器的类型

共有三种类型的开关稳压器可用。

1. 升压转换器（升压稳压器）

2. 降压转换器（降压稳压器）

3. 反激式转换器（隔离稳压器）

我们已经解释了升压稳压器和降压稳压器电路。在本教程中，我们将描述反激式稳压器电路。

降压稳压器和升压稳压器的区别在于，降压稳压器中电感、二极管和开关电路的放置与升压稳压器不同。此外，在升压稳压器的情况下，输出电压高于输入电压，但在降压稳压器中，输出电压将低于输入电压。降压拓扑或降压转换器是 SMPS 中最常用的基本拓扑之一。这是一种流行的选择，我们需要将较高的电压转换为较低的输出电压。

除了这些稳压器之外，还有另一种稳压器是所有设计人员的热门选择，即反激式稳压器或反激式转换器。这是一种通用拓扑，可用于需要来自单个输出电源的多个输出的情况。不仅如此，反激式拓扑允许设计人员同时改变输出的极性。例如，我们可以从单个转换器模块创建 +5V、+9V 和 -9V 输出。两种情况下的转换效率都很高。

反激式转换器的另一件事是输入和输出的电气隔离。为什么我们需要隔离？在某些特殊情况下，为了最大限度地降低电源噪声和安全相关操作，我们需要隔离操作，其中输入源与输出源完全隔离。让我们探索基本的单输出反激操作。

反激式转换器的电路操作

如果我们看到如下图所示的基本单输出反激式设计，我们将确定构建一个所需的基本主要组件。

一个基本的反激式转换器需要一个开关，它可以是一个 FET 或晶体管、一个变压器、一个输出二极管、一个电容器。

最主要的是变压器。在了解实际电路操作之前，我们需要了解变压器的正常工作。

变压器由最少两个电感器组成，称为次级线圈和初级线圈，它们缠绕在一个线圈架中，中间有一个铁芯。磁芯决定了磁通密度，这是将电能从一个绕组传输到另一个绕组的重要参数。另一个最重要的事情是变压器相位，初级和次级绕组中显示的点。

此外，正如我们所见，PWM 信号连接在晶体管开关上。这是由于开关的关闭频率和开启时间。

在反激式稳压器中，有两个电路操作，一个是变压器初级绕组充电时的开启阶段，另一个是关闭或当电能从初级传输到次级时变压器的传输阶段，终于到负载了。

如果我们假设开关已经关闭了很长时间，那么电路中的电流为 0，并且没有电压存在。

在这种情况下，如果开关打开，则电流将增加，电感器将产生电压降，该电压降为点负，因为初级点端的电压更负。在这种情况下，由于磁芯中产生的通量，能量会流向次级。在次级线圈上，会产生相同极性的电压，但电压与次级线圈与初级线圈的匝数比成正比。由于点负电压，二极管被关闭，次级不会有电流流动。如果电容器在前一个开关-关闭-打开周期中充电，输出电容器将只向负载提供输出电流。

在下一个阶段，当开关关闭时，流过初级的电流会减少，从而使次级点端更加积极。与之前的开关 ON 阶段相同，初级电压极性也在次级上产生相同的极性，而次级电压与初级和次级绕组比成正比。由于点正端，二极管开启，变压器的次级电感为输出电容和负载提供电流。电容器在导通周期中失去了电荷，现在它再次被重新填充，并能够在开关导通期间为负载提供充电电流。

在整个开关打开和关闭周期中，输入电源与输出电源之间不存在电气连接。因此，变压器隔离输入和输出。

根据开启和关闭时间的不同，有两种操作模式。反激式转换器可以在连续模式或非连续模式下工作。

在连续模式下，在初级充电之前，电流变为零，循环重复。另一方面，在非连续模式下，下一个周期仅在初级电感电流变为零时开始。

反激式转换器的效率

现在，如果我们研究效率，即输出与输入功率之比：

（Pout / Pin） x 100%

由于能量不能被创造也不能被摧毁，它只能被转换，大多数电能将未使用的能量释放成热能。而且，在实际领域也没有理想的情况。效率是选择稳压器的一个重要因素。

开关稳压器的主要功率损耗因素之一是二极管。正向压降乘以电流（Vf xi）是未使用的功率，它会转化为热量并降低开关稳压器电路的效率。此外，对于热/热管理技术（例如使用散热器或风扇来冷却电路的散热），这是电路的额外成本。不仅正向压降，硅二极管的反向恢复也会产生不必要的功率损耗和整体效率的降低。

避免使用标准恢复二极管的最佳方法之一是使用具有低正向压降和更好反向恢复的肖特基二极管。另一方面，开关已改为现代 MOSFET 设计，在紧凑和更小的封装中提高了效率。

尽管开关稳压器具有更高的效率、固定设计技术、更小的组件，但它们比线性稳压器噪声大，但它们仍然广受欢迎。

使用 LM5160 的反激式转换器示例设计

我们将使用德州仪器（TI）的反激式拓扑。该电路可在数据表中获得。

该LM5160包括以下特点-

4.5V 至 65V 宽输入电压范围

集成高边和低边开关

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

电阻可调高达 1 MHz

程序软启动时间

预偏置启动

±1% 反馈电压基准

LM5160A 允许外部 VCC 偏置

坚固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

具有迟滞的热关断保护

使用 LM5160A 和 WEBENCH® 电源设计器创建定制设计

它支持 4.5V 至 70V 的宽输入电压范围作为输入，并提供 2A 的输出电流。我们还可以选择强制 PWM 或 DCM 操作。

LM5160的引脚排列

该 IC 不适用于 DIP 封装或易于焊接的版本，虽然这是一个问题，但该 IC 节省了大量 PCB 空间，并且与 PCB 散热器相比具有更好的热性能。引脚图如上图所示。

绝对最大额定值

我们需要注意 IC 的绝对最大额定值。

SS 和 FB 引脚具有低电压容差。

反激式转换器电路图和工作原理

通过使用此 LM5160，我们将根据以下规格模拟 12V 隔离电源。我们选择了该电路，因为所有内容都可以在制造商网站上找到。

原理图使用了大量的组件，但理解起来并不复杂。输入端的 C6、C7 和 C8 用于过滤输入电源。而 R6 和 R10 用于欠压锁定相关目的。R7 电阻器用于接通时间相关的目的。该引脚可使用一个简单的电阻器进行编程。跨接在 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）和 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。这两个电阻的比例决定了输出电压。C10 和 C11 用于初级非隔离输出滤波。

一个主要组件是T1。它是一个耦合电感，在初级和次级两侧都有一个 60uH 的电感。我们可以选择具有以下规格的任何其他耦合电感器或sepic电感器-

匝数比 SEC:PRI = 1.5 ： 1

电感 = 60uH

饱和电流 = 840mA

初级直流电阻 = 0.071 欧姆

二次直流电阻 = 0.211 欧姆

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。

那些想要定制规格的电源并想要计算值的人，制造商提供了出色的Excel 工具，您只需在其中简单地输入数据，Excel 将根据数据表中提供的公式计算组件值。

制造商还提供了 spice 模型以及完整的原理图，可以使用德州仪器自己的基于 SPICE 的仿真工具 TINA-TI 进行仿真。下面是使用制造商提供的 TINA-TI 工具绘制的原理图。