電源設計之拓撲結構

單端反激變換器

1、電路拓撲圖

2、電路原理

其變壓器T1起隔離和傳遞儲存能量的作用，即在開(kāi)關(guān)管Q開(kāi)通時(shí)Np儲存能量，開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷時(shí)Np向Ns釋放能量。在輸出端要加由電感器Lo和兩Co電容組成一個(gè)低通濾波器，變壓器初級需有Cr、Rr和Dr組成的RCD漏感尖峰吸收電路。輸出回路需有一個(gè)整流二極管D1。由于其變壓器使用有氣隙的磁芯，故其銅損較大，變壓器溫相對較高。并且其輸出的紋波電壓比較大。但其優(yōu)點(diǎn)就是電路結構簡(jiǎn)單，適用于200W以下的電源且多路輸出交調特性相對較好。

3、變壓器計算

單端反激式變壓器設計的方法較多，但對于反激式設計來(lái)說(shuō)最難的也就是變壓器的設計和調整。一般須視具體工作狀態(tài)而定，這里我結合自己的調試經(jīng)驗介紹一種快捷的近似計算方法。反激變換器可工作于電流連續模式(CCM)和電流斷續模式(DCM)，同樣輸出功率時(shí)，工作于電流斷續模式具有較大的峰值電流，此時(shí)開(kāi)關(guān)晶體管、整流二極管、變壓器和電容上損耗會(huì )增加，所以一般效率較低，工作于電流連續模式下，效率較高，但輸出二極管反向恢復時(shí)易引起振蕩和噪聲；另外，工作于電流斷續模式時(shí)，由于變壓器電感量較小，體積可以做得小一些，而工作于電流連續模式，變壓器體積一般會(huì )較大。變壓器參數的選取應結合整個(gè)電路設計和實(shí)際應用情況，在最初的設計中，為取得比較適中的性能，可考慮使電路工作于電流臨界連續狀態(tài)。

反激式變壓器的設計可分為以下幾個(gè)步驟：

a、初選磁芯型號。

b、確定初級電感量。

c、確定初級峰值電流。

d、確定初級線(xiàn)圈匝數和氣隙。

e、計算并調整初、次級匝數。

f、計算并確定導線(xiàn)線(xiàn)徑

g、校核窗口面積和最大磁感性強度

★ 初選磁芯型號

反激變壓器的體積主要決定于傳遞功率的大小，可依據經(jīng)驗或磁芯廠(chǎng)家手冊中提供的速選圖表，初選一磁芯型號代入以后的步驟進(jìn)行計算。

★ 確定初級電感量

若考慮低端滿(mǎn)載時(shí)，電路工作于電流臨界連續狀態(tài)，此時(shí)初級電感量計算公式如下：

L1=(Vinmin×Dmax)∧2/(2×f×Po)

(Vinmin為輸入電壓最小值，Dmax為設定的最大占空比，f為開(kāi)關(guān)頻率，P0為輸出功率。)增大L1取值時(shí)，電路開(kāi)始工作于電流連續模式，原邊電感量的選擇可在L1計算值基礎上，視具體情況作調整。

★ 確定初級峰值電流

設計時(shí)仍應考慮低端滿(mǎn)載的情況。

電路工作于電流不連續或臨界連續時(shí)，初級峰值電流

I1max=2×Po/(Vinmin×h×Dmax)(h為預測效率值)

電路工作于電流連續模式時(shí)，初級峰值電流：

I1max=2×Po/(Vinmin×h×Dmax)＋(2×Vinmin×T×Dmax)/L1

★ 確定初級峰值電流確定初級線(xiàn)圈匝數和氣隙

首先作出兩點(diǎn)假設：

a、由于磁芯開(kāi)氣隙后剩磁Br減小很多，認為Br＝0。

b、 由于氣隙磁阻遠大于磁路其他部分磁阻，認為磁勢全部降于氣隙處。

根據以上兩點(diǎn)假設可得出初級電感量：

L1=(m0×Ae×Np)/d

(m0為空氣磁導率，Ae為氣隙處磁芯截面積，d為氣隙長(cháng)度。)

工作最大磁感應強度：

Bm=(I1max×Np×m0)/d??? (Bm為最大磁通密度)

選擇最大磁感應強度Bm后，聯(lián)解以上兩式可求出初級匝數N1，和氣隙長(cháng)度d，氣隙長(cháng)度的選取不宜過(guò)長(cháng)，過(guò)長(cháng)的氣隙會(huì )導致主磁路磁阻增大，磁力線(xiàn)通過(guò)漏磁路閉合，會(huì )增加漏感和電磁干擾EMI。

★ 計算并調整初、次級匝數

仍考慮低端滿(mǎn)載情況，此時(shí)電流連續或臨界連續，次級匝數：

N2=(Vo+Vd+Io×R)×(1-Dmax)×Np/(Vin×Dmax)　　(UD為輸出整流管壓降，IO R為線(xiàn)路壓降)

取初級或次級匝數中較小者，取整后，再由匝比關(guān)系推算其余繞組匝數。

★ 計算并確定導線(xiàn)線(xiàn)徑

初級繞組電流有效值：

I1=sqr((I1max×(1-DI)+DI×DI/3)×D)(DI為電流增量，DI＝(Vin×Ton)/L1)

次級電流有效值：

I2=Np×I1/N2

當電流較大時(shí)，導線(xiàn)采用多股并繞，每股直徑不大于2倍穿透深度。

★ 校核窗口面積和最大磁感性強度

變壓器繞制的基本要求是耦合緊密，以減小漏感。設計時(shí)有兩種基本方法以增加繞組間耦合，一是雙線(xiàn)并繞，常用于繞制輸出正負繞組、原邊繞組與去磁繞組等，要求并繞的繞組匝數相等且壓差不能不能太高；另一種是夾繞的方法，將原邊繞組均分為兩層，夾副邊繞組，也有多層夾繞的方法，由于結構復雜，我在二次電源變壓器設計中沒(méi)有采用。

雙管反激變換器

1、電路拓撲圖

2、電路原理

其變壓器T1起隔離和傳遞儲存能量的作用，即在開(kāi)關(guān)管Q1、Q2開(kāi)通時(shí)Np儲存能量，開(kāi)關(guān)管Q1、Q2關(guān)斷時(shí)Np向Ns釋放能量，同時(shí)Np的漏感將通過(guò)D2、D3返回給輸入，可省去RCD漏感尖峰吸收電路。在輸出端要加由電感器Lo和兩Co電容組成一個(gè)低通濾波器。輸出回路需有一個(gè)整流二極管D1（最好使用恢復時(shí)間快的整流管）。

3、工作特點(diǎn)

a、在任何工作條件下，為使兩個(gè)調整管所承受的電壓不會(huì )超過(guò)Vs+Vd　(Vs：輸入電壓；Vd:D2、D3的正向壓降，)，D2、D3必須是快恢復管（當然用超快恢復管更好）。

b、在反激開(kāi)始時(shí)，儲存在原邊Np的漏電感的能量會(huì )經(jīng)D2、D3反饋回輸入，系統能量損失會(huì )小，效率高。

c、在與單端反激變換器相比，無(wú)需RCD吸收電路；功率器件可選擇較低的耐壓值；功率等級也會(huì )很大。

d、在輕載時(shí)，如果在“開(kāi)通”周期儲存在變壓器的原邊繞組顯得過(guò)多的能量，那么在“關(guān)斷”周期會(huì )將過(guò)多的能量能量反饋到輸入。

e、兩個(gè)調整管工作狀態(tài)一致，我沒(méi)有調試過(guò)這樣電路，根據調試過(guò)的半橋和雙管正激的電路經(jīng)驗，下管的波形會(huì )優(yōu)于上管的波形，在調試過(guò)程中只要觀(guān)察下管波形即可（具體可到“調試經(jīng)驗”中詳見(jiàn)）。我個(gè)人建議在大功率等級電源中不可選用此種電路。

4、變壓器計算

設計方法據參考書(shū)籍，與單端反激變換器變換器相同。但變壓器漏電感必須小，可以減小D2、D3上的能量損耗，同時(shí)增加電源的效率。

單端正激變換器

1、電路拓撲圖

2、電路原理

其變壓器T1起隔離和變壓的作用，在輸出端要加一個(gè)電感器Lo（續流電感）起能量的儲存及傳遞作用，變壓器初級需有復位繞組Nr（此點(diǎn)上我對一些參考書(shū)籍存疑，當然有是最好，實(shí)際應用中考慮到變壓器腳位的問(wèn)題）。在實(shí)際使用中，我也發(fā)現此繞組也用RCD吸收電路取代亦可，如果芯片的輔助電源用反激供給則也可削去調整管的部分峰值電壓（相當一部份復位繞組）。輸出回路需有一個(gè)整流二極管D1和一個(gè)續流二極管D2。由于其變壓器使用無(wú)氣隙的磁芯，故其銅損較小，變壓器溫升較低。并且其輸出的紋波電壓較小。

3、變壓器計算

一般來(lái)說(shuō)高頻變壓器的設計可劃分為以下六個(gè)步驟：

a、選擇磁芯材料和磁芯結構形式。

b、確定工作頻率，工作最大磁感應強度Bm。

c、計算并初選磁芯型號。

d、計算并調整原、副邊匝數。

e、計算并確定導線(xiàn)線(xiàn)徑。

f、校核窗口面積和最大磁感應強度Bm。

現就這六個(gè)步驟來(lái)討論單端正激式變壓器的設計：

★ 選擇磁芯材料和磁芯結構形式

高頻變壓器磁性材料選擇的標準為高初始磁導率μi、低矯頑力Hc、高飽和磁感應強度Bs、低剩磁Br、高電阻率ρ和高居里溫度點(diǎn)。磁導率高，變壓器工作時(shí)勵磁電流就??；矯頑力低則磁滯損耗比較??；高飽和磁感應，低剩磁，變壓器工作時(shí)磁通變化范圍DB可以較大，相應減小了變壓器體積；高電阻率，高頻工作時(shí)渦流損耗比較??；高居里溫度點(diǎn)，變壓器工作溫度可以相應提高，但以上各項要求不可能同時(shí)得到滿(mǎn)足，不同的磁性材料存在其長(cháng)處也必然存在不足，需視具體應用條件加以選擇。一次電源工作頻率一般選擇在60KHz～150KHz之間，二次電源產(chǎn)品工作頻率一般選擇在100KHz～400KHz之間，在這個(gè)頻率范圍，宜選用Mn-Zn鐵氧體材料，目前二次電源常用的鐵氧體材料包括TDK的PC30－PC40，Magnetics的P材料，PHILIP的3F3及899廠(chǎng)的R2KB2等。

磁芯結構形式的選擇一是考慮能量傳遞，二是考慮幾何尺寸的限制，三是考慮磁芯截面積和窗口面積的比例，多路輸出變壓器一般要求有較大的窗口面積，選擇EE型、EI型或PQ型磁芯，可具有較大的窗口和良好的散熱性，DC/DC模塊電源可選用FEY型、FEE型、EUI型等，鈴流變壓器要求磁芯截面積比較大，可選用GU形磁芯；此外還應考慮變壓器的安裝，加工方便性，成本等，目前中、大功率通常選用GU形磁芯，這種磁芯特點(diǎn)是有較大的截面積，漏磁很小，采用國產(chǎn)材料，成本低，但出線(xiàn)需手焊。

★ 確定工作頻率，最大磁感應強度Bm

考慮高溫時(shí)飽和磁感應強度Bs會(huì )下降，同時(shí)為降低高頻工作時(shí)磁芯損耗，工作最大磁感應在一般選擇為2000～2500Gs，工作頻率的選擇可在設計變壓器時(shí)進(jìn)行反推，或先確定再進(jìn)行調整，AC/DC工作頻率一般選擇在60KHz～150KHz之間；DC/DC工作頻率可選擇為100KHz～400KHz之間。

★ 計算并初選磁芯型號

磁芯結構確定基礎上，其型號選擇可采用面積乘積法：

對于正激式變壓器：

Np=(Vin×Ton)/(ΔB×Ae)

(Ae：磁芯截面積，Vin：輸入電壓，Ton：導通時(shí)間，DB＝Bm－Br，Np為變壓器原邊匝數)。

Q=(I1×Np)/(Ku×j×2)

(Q為窗口面積，I1、Np對應初級繞組電流和匝數，Ku為窗口系數，即銅線(xiàn)截面積之和與窗口面積比值。一般Q可取0.3～0.35，j為導線(xiàn)電流密度可取8～15A/m2，上式中假定原邊繞組占整個(gè)繞組截面積的1/2)

Ae×Q=Po/(2×h×Ku×j×ΔB)

根據輸出功率P0，預測效率h，導通時(shí)間Ton和工作磁感應變化范圍DB等參數可求出Ae和Q乘積，作為初選磁芯型號的依據，如果對磁芯選擇比較有經(jīng)驗也可越過(guò)該步驟，直接進(jìn)入下一步。

★ 計算并調整原副邊匝數

a、計算原邊匝數：　　Np=(Vin×Ton)/(ΔB×Ae)

b、計算副邊匝數：　　N2=(Vo+Vd+Io×R)/(D×Vin)

(V0為輸出電壓，VD為輸出整流二極管壓降，Io×R為線(xiàn)路壓降，Vin為直流輸入電壓,D為占空比)

c、副邊電流有效值：I2=Io×sqr(D)

d、原邊電流有效值：I1＝（I2×N2/Np）×(1+5%) (取勵磁電流為原邊電流5％)

根據電流有效值和導線(xiàn)選擇經(jīng)驗，同時(shí)考慮高頻工作時(shí)導線(xiàn)的集膚效應，當電流較大時(shí)，采用多股并繞，每股線(xiàn)徑不得大于2倍穿透深度，漆包線(xiàn)的線(xiàn)徑和股數可適當調整，使線(xiàn)包每一層能正好繞滿(mǎn)，若計算出的原、副邊匝數非整數，可選擇匝數較小的一方取整，再根據匝比推算其他繞組匝數。

★ 校核窗口和最大磁感應

根據公式 Ku=Ae/Q 校核窗口，窗口系數Ku約為0.3～0.35。

如果在計算副邊取整過(guò)程中調整了匝數，應由公式Np=(Vin×Ton)/(ΔB×Ae)校核最大磁感應，最大磁感應在3000Gs以?xún)?，如果有條件，最好試繞一個(gè)變壓器，進(jìn)行實(shí)驗,然后根據最低輸入電壓和最大載時(shí)的開(kāi)關(guān)波形來(lái)進(jìn)行反推（這種方法最有效，當然也最危險，畢竟你還未完全調試出來(lái)時(shí)可能會(huì )炸機的噢！最好有一塊可記憶的示波器和一個(gè)同事在旁！你以為做什么？呵呵~~當然是即時(shí)地給你送到醫院啦?。。?。

4、輸出電感設計

輸出濾波電感設計的基本要求是滿(mǎn)足電感量，保證流過(guò)最大電流時(shí)磁芯不會(huì )飽和，窗口要繞得下。單端正激式電路輸出電感設計可分為以下幾個(gè)步驟。

a、確定電感量并初選磁芯型號。

b、確定電感峰值電流。

c、確定線(xiàn)圈匝數和氣隙。

d、確定導線(xiàn)線(xiàn)徑。

e、校核窗口和最大磁感應。

★ 確定電感量并初選磁芯型號

首先通過(guò)電路設計確定輸出濾波電感值，濾波電感值取大一些可減小初、次級電流峰值，減小輸出紋波噪聲，但電感量的增加受到電感體積、尺寸的限制，同時(shí)電感過(guò)大會(huì )造成系統時(shí)間常數大，給控制帶來(lái)問(wèn)題，電流上升斜率太小，采用電流控制型方案時(shí)還容易出現次諧波振蕩問(wèn)題，因此電感量值的選取應綜合考慮以上因素。選定電感值后，根據電感最大貯能值0.5×L×I×I，依據經(jīng)驗或磁芯廠(chǎng)家提供的速查圖表，初選一磁芯型號代入以后步驟進(jìn)行計算。

★ 確定電感峰值電流

Imax=Io+2×Vo×Toff/L(Toff為關(guān)斷時(shí)間)

★ 確定線(xiàn)圈匝數和氣隙

由于電感電流中存在較大的直流分量，當選用鐵氧體磁芯時(shí)，一定要加入氣隙，可在實(shí)際調試中去調整氣隙的大??；也可考慮使用FeSiAl材料或P.P.M材料的磁環(huán)（呵呵~~　可別以為我出餿主意噢！效果會(huì )好多了，不過(guò)會(huì )使電源更值錢(qián)些罷了?。。。?。

一般輸出濾波電感最大磁感應強度可取為3000Gs左右，選定Bm后聯(lián)解以上兩式可求出匝數N和氣隙長(cháng)度d。

匝數N應進(jìn)行取整，當匝數少電流大時(shí)，應盡量避免取半匝的情況。

★ 計算并確定導線(xiàn)線(xiàn)徑

確定匝數后，根據電流有效值選取導線(xiàn)線(xiàn)徑，電流較大時(shí)，仍需采用多股并繞，但由于電感電流中交流成份比較小，集膚效應不明顯，必要時(shí)可選用較粗的導線(xiàn)繞制。

★ 校核窗口和最大磁感應

電感設計完成后，可在實(shí)驗中進(jìn)一步調整氣隙，以達到最佳的電感量和工作磁通。

雙管正激變換器

1、電路拓撲圖

2、電路原理

其變壓器T1起隔離和變壓的作用，在輸出端要加一個(gè)電感器Lo（續流電感）起能量的儲存及傳遞作用，變壓器初級無(wú)需再有復位繞組，因為D1、D2的導通限制了兩個(gè)調整管關(guān)斷時(shí)所承受的電壓。輸出回路需有一個(gè)整流二極管D3和一個(gè)續流二極管D4（其中D3、D4均最好選用恢復時(shí)間快的整流管）。輸出濾波電容Co應選擇低ESR（等效電阻）大容量，有利于降低紋波電壓（當然這對于其它拓撲結構的也是這樣要求）。

3、工作特點(diǎn)

a、在任何工作條件下，為使兩個(gè)調整管所承受的電壓不會(huì )超過(guò)Vs+Vd　(Vs：輸入電壓；Vd:D1、D2的正向壓降，)，D1、D2必須是快恢復管（當然用恢復時(shí)間越短越好，我在實(shí)際設計和調試中多使用MUR460）。

b、在與單端正激變換器相比，無(wú)需復位電路，有利于簡(jiǎn)化電路和變壓器設計；功率器件可選擇較低的耐壓值；功率等級也會(huì )很大，據我所知現在很多大功率等級的通信電源及電力操作電源都選用了這種電路。

c、兩個(gè)調整管工作狀態(tài)一致，同時(shí)處通態(tài)或斷態(tài)。我個(gè)人建議在大功率等級電源中選用此種電路，主要是調整管好選，比如IRFP460、IRFP460A等調整管即可。

4、變壓器計算

在實(shí)際設計和調試中，與單管正激變換器變換器中變壓器設計方法相同，不過(guò)省去了復位繞組。

5、輸出電感計算

單端正激、雙管正激、半橋、推挽、全橋、BUCK等電路設計方法相同。我實(shí)際設計和調試中一般僅以公式計算值作參考，適當的可以調整匝數以達到最佳狀態(tài)（我個(gè)人認為）。

推挽式變換器

1、電路拓撲圖

2、電路原理

其變壓器T1起隔離和傳遞能量的作用。在開(kāi)關(guān)管Q1開(kāi)通時(shí)，變壓器T1的Np1繞組工作并耦合到付邊Ns1繞組，開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷時(shí)Np向Ns釋放能量；反之亦然。在輸出端由續流電感器Lo和D1、D2付邊整流電路。開(kāi)關(guān)管兩端應加一RC組成的開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)所產(chǎn)生的尖峰吸收電路。

此電路大概也可能稱(chēng)為正反激電路吧！我也不敢確定。因為曾經(jīng)有個(gè)同事與我說(shuō)起Lambda有一款電源PH300F（DC/DC 5V/60A 全磚）就采用了正反激電路，我也沒(méi)見(jiàn)過(guò)此模塊電源實(shí)物，他也沒(méi)見(jiàn)過(guò)推挽電路圖，根據他說(shuō)的及當時(shí)所測的波形，與推挽工作相似。所以我只是估猜，如有錯誤希各位同仁指出并斧正，免得誘導壞“小孩子”。

3、工作特點(diǎn)

a、在任何工作條件下，調整管都承受的兩倍的輸入電壓。所以此電路多用于大功率等級的DC/DC電源中，這樣才有利于選材料。

b、兩個(gè)調整管都是相互交替打開(kāi)的，所以?xún)山M驅動(dòng)波形相位差要大于180°（一般書(shū)上說(shuō)差等于180°，呵呵~~~您可以試一試），因為要存在一定死區時(shí)間。

c、此電路與半橋式變換器一樣，也存在一定的磁偏問(wèn)題。不過(guò)我不知道我是否遇到，當時(shí)只是用20M帶寬的模擬示波器又無(wú)存儲功能，最主要的是我當時(shí)對這電路工作原理并未完全弄懂。

4、變壓器計算

步驟與前相同（省去）

★ 計算匝伏比：N/V=Ton/(ΔB×Ae)

★ 原邊繞組匝數：Np=Vinmin×(N/V)

★ 付邊繞組匝數：N2=(Vo+Vd+Io×R)×(N/V)

★ 其它的驗證及導線(xiàn)選擇參考《單端正激式》

5、輸出電感設計

參考《單端正激式》

半橋變換器

1、電路拓撲圖

2、電路原理

其變壓器T1起隔離和傳遞能量的作用。開(kāi)關(guān)管Q1導通時(shí)，Np繞組上承受一半的輸入電壓，付邊繞組電壓使D1導通；反之亦然。輸出回路D1、D2、Lo、Co共同組成了整流濾波電路。

此電路減小了原邊調整管的電壓應力，所以是目前比較成熟和常見(jiàn)的電路；如PC Power　70%以上、電子鎮流器60%都使用此電路。

3、工作特點(diǎn)

a、兩個(gè)調整管都是相互交替打開(kāi)的，所以?xún)山M驅動(dòng)波形相位差要大于180°，因為要存在一定死區時(shí)間。

b、C1＝C2、R1=R2。

c、C1、C2主要用來(lái)自動(dòng)平衡每個(gè)調整管的伏秒值；許多的半橋此處多用高壓鋁電解電容，多炸機都爆電容，因為鋁電容存在一個(gè)高頻特性的問(wèn)題。你如果還在用這個(gè)拓撲結構不妨可以試用一下CBB電容。

d、C3主要是濾去影響伏秒平衡的直流分量，也用CBB電容。曾經(jīng)就有一個(gè)朋友就這個(gè)CBB電容的引腳粗細（即太細多并幾個(gè)CBB電容，0~30V/0~30A的儀器電源）與我討論過(guò)，嘻嘻~~~　您說(shuō)呢？！

4、變壓器計算

步驟與前相同（省去）

★ 原邊繞組匝數：Np=Vinmin×Ton/(2×ΔB×Ae)

★ 付邊繞組匝數：N2=(Vo+Vd+Io×R)×2×Np/Vinmin

★ 其它的驗證及導線(xiàn)選擇參考《單端正激式》

5、輸出電感計算

參考《單端正激式》

全橋變換器

1、電路拓撲圖

2、電路原理

此電路多用于大功率等級電源中，目前國內許多研究機構都在此電路是做改造，但對于多數的電源生產(chǎn)廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)此電路成熟的產(chǎn)品市場(chǎng)占有率很低，自身設計投入開(kāi)發(fā)成本會(huì )很高。

此電路我只是見(jiàn)過(guò)，以及相應的芯片組，電源成品只看過(guò)中興通訊的ZXD1200（如果沒(méi)記錯的話(huà)，好象型號是這）。反正我沒(méi)有調試過(guò)，希望那個(gè)公司或資本家能夠投入成本，讓我錘煉一下，也好把相應的體會(huì )告訴大家。

3、工作特點(diǎn)

a、變壓器利用率也比較高，空載能量可以反饋回電網(wǎng)、電源效率高。

b、穩態(tài)無(wú)靜差、動(dòng)態(tài)響應速度足夠快、系統穩定、抗高頻干擾能力強。

4、變壓器計算

步驟與前相同（省去）

★ 原邊繞組匝數：Np=Vinmin×Ton/(ΔB×Ae)

★ 付邊繞組匝數：N2=(Vo+Vd+Io×R)×Ton/(ΔB×Ae)

★ 其它的驗證及導線(xiàn)選擇參考《單端正激式》

5、輸出電感設計

參考《單端 正激式》