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详细说明高频开关电源单端反激变压器的原理与设计方法
1、引言电子信息产业的迅速发展 对高频开关式电源不断提出新的要求。据报导，全球开关电源市场规模已超过100亿美元，通信、计算机和消费电子产品是开关电源的三大主力市场。庞大的开关电源市场主要由AC／DC和DC／DC开关电源两部分组成。低功率(0—300W)的AC／DC将面向增长平稳的消费电子产品和计算机市场，大功率(750-1500W)的AC／DC电源将面向增长强劲的电信市场。DC／DC电源约占整个开关电源市场的3O%。但计算机与通信技术的快速融合，带动了DC／DC模块式电源的迅速增长。预计今后几年DC／DC电源模块增长速度将超过AC／DC电源，据估计，中国今后五年DC／DC 电源模块市场年增长将达15%，增长主要在电信领域。开关式电源技术发展趋势是高功率密度、高效率、低噪声以及表面贴装化。无论是AC／DC或DC／DC电源，除了功率晶体管外， 由软磁铁氧体磁芯制成的主变压器、扼流圈及其它电感器(如抗噪声滤波器)是极重要的元件，其磁性能和尺寸直接关系到电源的转换效率和功率密度等…。在变压器设计中，主要包括绕组设计和磁芯设计。本文主要介绍单端反激式电路以及该电路中高频变压器的设计方法。2、单端反激式变压器原理单端反激式变压器又称电感储能式变压器，图1为其工作原理简图。当高压开关管Q1被脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)脉冲信号激励而导通时，直流输入电压施加到高频变压器丁的原边绕组上，在变压器次级绕组上感应出的电压使整流管D1反向偏置而阻断，此时电源能量以磁能形式存储在初级电感中：当开关管Q1截止时，原边绕组两端电压极性反向，副边绕组上的电压极性颠倒，使Dl导通，储存在变压器中的能量释放给负载。
图1 单端反激式变压器工作原理简图
单端反激式变压器一般工作于两种工作方式：(1)断续电流模式(DCM)或称“完全能量转换”：三极管导通(fnn)时储存在变压器中的所有能量在反激周期三极管断开(tof0中都转移到输出端；(2)连续电流模式(CCM)或称“不完全能量转换”：储存在变压器中的一部分能量在三极管断开(，0fr)末保留到下一个三极管导通(to )周期的开始。DCM 和CCM在小信号传递函数方面是极不相同的，其波形如图2所示。实际上，当变压器输入电压 或负载电流，I_在较大范围内变化时，必然跨越这两种工作方式。因此反激式变压器要求在DCM／CCM都能稳定工作，但在设计上是比较困难的。通常我们可以DCM／CCM临界状态作为设计基准，并配以电流模式控制PWM，此法可有效解决DCM时的各种问题。但在CCM时没有消除电路固有的不稳定问题 可用调节控制环增益偏离低频段和降低瞬态响应速度来解决CCM时因传递函数“右半平面零点”引起的不稳定。因此，△φ= Uintoon/Np =VStoff/NS
(1)即变压器原边绕组磁通必须等于副边绕组磁通。
图2 DCM、CCM的原、副边电流波形 比较图2中DCM与CCM中电流波形可以知道，DCM状态下在变压器ton期间，整个能量转移波形中具有较高的原边峰值电流，这是因为初级电感值LP相对较低，使IP急剧升高，所造成的负效应是增大了绕组损耗(winding lose)和输入滤波电容器的纹波电流，从而要求开关晶体管必须具有高电流承载能力才能安全工作。在CCM状态中，原边峰值电流较低，但开关晶体管在三极管导通(ton )状态时有较高的集电极电流，因此导致开关晶体管高功率消耗。同时为达到CCM就需要有较高的变压器原边电感值LP ，在变压器磁芯中所储存的残余能量则要求变压器的体积较DCM时要大，而其他系数是相等的。综上所述，DCM与CCM 变压器的设计是基本相同的，只是原边峰值电流的定义有些区别(CCM时，IP= Imax-Imin)。3、单端反激变压器的设计单端反激开关电源的变压器实质上是一个耦合电感，它要承担着储能、变压、传递能量等工作，其波形如图3所示。下面对工作于连续模式和断续模式的单端反激变换器的变压器设计进行总结。
图3 反激式变压器波形
3．1已知参数这些参数由设计人员根据用户的需求和电路的特点确定，包括：输入电压Uin 、输出电压Uout、每路输出功率Pout。 效率η、开关频率ƒS(或周期T) 、线路主开关管的耐压Umos。3．2计算在反激变换器中，副边反射电压即反激电压与输入电压之和不能高于主开关管的耐压，同时还要留有一定的裕量(此处假设为50V)。反激电压由下式决定：Uf=Umos-UinDCmax-50V
(2)反激电压和输出电压的关系由原、副边的匝比确定。所以确定了反激电压之后，就可以确定原、副边的匝比：NP/NS=Uf/Uout
(3)另外，反激电源的最大占空比出现在最低输入电压、最大输出功率的状态，根据在稳态下变压器的能量平衡，有：UinDCminDmax=Uf(1-Dmax)
(4)设在最大占空比时，当开关管导通，原边电流为Ip1，当开关管断开时，原边电流上升到Ip2。若Ip1为0，则说明变换器工作于断续模式，否则工作于连续模式。基于能量守恒可得：1/2(Ip1+Ip2)DmaxUinDCmin=Pout/η
(5)一般连续模式设计，我们令Ip2=3Ip1。这样就可以求出变换器的原边电流，由此可以得到原边电感：LP=DmaxUinDCmin/ƒS△IP
(6)对于连续模式，△IP= Ip2- Ip1=2Ip1；对于断续模式，△IP= Ip2。可由AWAe法求出所需磁芯：AWAe=(LPIP22104/BWK0Kj)1.14
(7)式中，AW 为磁芯窗口面积，单位为cm2；Ae为磁芯截面积，单位为cm2 ；LP为原边电感量，单位为H；Ip2为原边峰值电流，单位为A；BW为磁芯工作磁感应强度，单位为T：K0为窗口有效使用系数，根据安规的要求和输出路数决定，一般为O．2—0．4；Kj 为电流密度，一般取395A/cm2。根据求得的AWAe值选择合适的磁芯，一般尽量选择窗口长宽之比较大的磁芯，这样磁芯的窗口有效使用系数较高，同时可以减小漏感。确定了磁芯就可以求出原边的匝数。根据：NP= LPIP2104/BWAe(8)再根据原、副边的匝比关系可以求出副边的匝数。若求出的匝数不是整数，这时应该调整某些参数，使原、副边的匝数合适。为了避免磁芯饱和，应该在磁回路中加入一个适当的气隙，计算如下：lg=0.4лNp2Ae10-8/LP
(9)式中， lg为气隙长度，单位为cm；Np为原边匝数；Ae为磁芯的截面积，单位为cm2；LP为原边电感量，单位为H。至此，单端反激开关电源变压器的主要参数设计完成。应在设计完成后核算窗口面积是否够大、变压器的损耗和温升是否可以接受。同时，在变压器的制作中还有一些工艺问题需要注意。
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20W单端反激式开关电源方案之原理设计
小功率的单端反激式开关电源目前在加工制造和民用家居等领域，得到了较为广泛的应用。在今明两天的方案分享中，本文将会为大家分享一种20W的单端反激式开关电源设计方案，希望能够对各位新人工程师的设计工作带来一定的辅助作用。
　　小功率的单端反激式开关电源目前在加工制造和民用家居等领域，得到了较为广泛的应用。在今明两天的方案分享中，本文将会为大家分享一种20W的单端反激式开关电源设计方案，希望能够对各位新人工程师的设计工作带来一定的辅助作用。今天本文将会就这一开关电源方案中的原理设计情况展开简要分析。　　单端反激式开关电源电路　　在本方案中，本文所设计的这一20W小功率单端反激式开关电源的典型电路结构，如下图图1所示。电路中的单端是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧，而反激式结构指的是当开关管VT1导通时，高频变压器T初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，副边上没有电流通过，能量储存在高频变压器的初级绕组中。当开关管VT1截止时，变压器T副边上的电压极性颠倒，使初级绕组中存储的能量通过VD1整流和电容C滤波后向负载输出。　　图1 单端反激式开关电源　　在本方案中，我们所设计的这一开关型稳压电源采用的是全控型电力电子器件作为开关，同时这一方案是利用控制开关的占空比来调整输出电压的新型电源，具有体积小、重量轻、噪音小，以及可靠性高等特点。本设计旨在设计并制作出一种额定输出功率为25W的通用的小功率开关电源，主要采用UC3842芯片以及其他的电路元件相配合，使设计出的开关电源具有自动稳压功能。　　开关稳压电源电路　　在本方案中，我们所设计的这一20W的单端反激式开关电源的原理框图如下图图2所示。可以看到，在图2所展示的这一框图结构中，交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电压，该电压通过功率转换电路进人高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。　　在这一单端反激式的小功率开关电源中，本方案所设计的反馈控制电路为脉冲宽度调制器，它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。电压反馈电路这部分电路目前己集成化，制成了各种开关电源专用。控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。　　图2 开关电源电路框图　　元器件型号选择　　在这一20W的小功率开关电源设计方案中，本文所设计的这一开关电源方案所需要L的电感量与滤波器的额定电流I有关。需要指出的一点是，当额定电流较大时，共模扼流圈的线径也要相应增大，以便能承受较大的电流。此外，适当增加电感量，可改善低频衰减特性。Ca采用薄膜电容器，容量范围大致是0.01&F～0.47&F，主要用来滤除差模干扰。Cb跨接在输出端，并将电容器的中点接地，能有效地抑制共模干扰。Cb亦可并联在输入端，仍选用陶瓷电容，容量范围是2200pF～0.1&F。为减小漏电流，电容量不得超过0.1&F，并且电容器中点应与大地接通。C1～C4的耐压值均为630VDC或250VAC。因此，最后选取个元件参数如下：差模干扰抑制电容Ca选取0.1CaF，共模干扰抑制电感T=20mH，共模干扰抑制电容0.1CbF。
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[单端反激式功率变换器开关稳压电源原理及电路图]
[单端反激式功率变换器开关稳压电源原理及电路图]
工作原理：单端反激式功率变换器开关稳压电源并非是只能由一只晶体管组成，而由两只晶体管仍然可以组成单端变换器形式的开关稳压电源。单端反激式开关稳压电源与推挽、全桥、半桥双端变换的开关稳压电源的根本区别在于高频变压器的磁心仅工作在磁滞回线的一侧(第一象限)。典型的单端反激变换式开关稳压电源的原理图如图所示。所谓单端，即指转换电路的磁心仅工作在其磁滞回线的一侧。所谓反激，系指当晶体管导通时，在初级电感线圈中储存能量，当晶体管截止时，初级线圈中储存的能量再通过次级线圈释放给负载。当开关管VT1被控制脉冲激励而导通时，输入电压Ui便施加到高频变压器T1的原边绕组N1上。由于变压器T1副边的整流二极管VD反接，因此副边绕组N2没有电流流过；当VT1截止时，绕组N2上的电压极性颠倒，VD被正偏，VTl导通期间储存在T1中的能量便通过VD负载释放。
　　由于这种电路在开关管导通期间储存能量，因此在开关管截止期间才向负载传递能量。高频变压器在工作中除了起变压作用外，还相当于一个储能用的电感，因此也有人称之为“电感储能式变换器”或“电感变换器”。
　　单端反激式开关电源电路是成本最低的一种。它可以达到输入与输出部分隔离，还可以同时输出几路不同的电压，有较好的电压调整率。但其输出纹波电压较大，负载调整率较差，适用于相对固定的负载。
　　在单端反激式开关电源电路中，开关三极管承受的最大反峰值电压是线路工作电压峰值的2倍以上。为了降低开关管的耐压，需要对集射电压进行限幅，因此常用的单端反激式开关电源有三种形式。
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<font color="#0-基于MATLAB的单端反激式DC/DC变换器的仿真研究--《电子技术》2014年09期
基于MATLAB的单端反激式DC/DC变换器的仿真研究
【摘要】：阐述了单端反激式DC/DC变换器的工作原理,在此基础上研究了其在电流连续和断续工作情况下的电路运行模式,最后在MATLAB/Simulink中对理论分析进行了建模与仿真。仿真结果表明,电路在占空比和输出电阻发生改变时,单端反激式DC/DC变换器有可能从连续工作模式下变为断续工作模式。为实际电路的设计提供了方便。
【作者单位】：
【关键词】：
【基金】：
【分类号】：TM46【正文快照】：
0引言电力电子电源在电子设备中有着举足轻重的地位,有人形象地把电源比作电子设备的动力心脏。其中直流开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电能变换装置,因此电子开关电路是其核心,负载根据需求向开关电源提出输出稳定电压或电流的特性要求,利用反馈控制电路,通过调
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