反激式开关电源原理和基本构成

反激式开关电源原理和基本构成

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/weixin_43233653/article/details/137131517

反激式开关电源是一种常见的开关电源拓扑结构，其特点是能量在开关管断开时传递。这种电源适用于100W以内的应用，广泛应用于各种电子设备中。本文将详细介绍反激式开关电源的基本原理、电路组成及设计要点。

基本原理

反激式开关电源的核心是高频变压器，其工作原理类似于Buck-Boost电路。具体过程如下：

1. 交流输入经过整流滤波变成直流
2. PWM波控制开关管斩波给变压器的初级线圈输送能量
3. 变压器的次级线圈感应出电压并经过整流滤波得到直流输出

其工作细节包括：

1. 开关管闭合时，由于变压器原边线圈和副边线圈绕线方向相反，二极管的单向导电性使得不能传递能量，变压器原边线圈相当于电感
2. 开关管断开时，初级线圈电流减少，会产生反向的电动势在次级线圈感应出电压，变压器将之前原边线圈存储的能量传递到后级电路
3. 开关管打开时，初级线圈相当于电感储能；开关管闭合时，初级线圈通过变压器释放能量
4. 计算公式：Vin = Vout/N×(D/(1-D))

原理图拆解一

反激式开关电源电路主要由以下部分组成：

1. 输入保护电路和EMI滤波器
2. 输入整流滤波电路
3. 功率开关管
4. 高频变压器
5. 输出整流滤波电路
6. PWM控器电路
7. 电压反馈电路

输入保护电路和EMI滤波器

电路中熔丝管FU，热敏电阻Ri和压敏电阻Rv构成输入保护电路，当输入发生短路等故障时能快速切断电源，保护电路。压敏电阻Rv可旁路浪涌电压，防雷击保护。

保险丝：过流保护
热敏电阻：过流保护
压敏电阻：浪涌、雷击
信号电路有TVS：静电、防反接、过压、欠压

EMI滤波电路由共模扼流圈L、滤波电容Cx1、Cx2、CY1、CY2构成，能有效滤除电网高频噪声，提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性。当出现共模干扰时，由于L的两个磁通方向相同，经过耦合对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过。Cx1和Cx2跨接在两条电源线之间，可用来滤波线间干扰，即串模干扰；CY1和CY2串联后接在两条电源线之间，并将电容器中点接大地，能有效抑制共模干扰。

共模扼流圈：X电容、Y电容

输入整流滤波电路

输入整流滤波电路采用桥式整流电容滤波电路结构。50Hz交流电压经过全波整流后变成脉动直流电压，再经过滤波电容滤波得到直流高压电U1。

反激变换器

DC-DC变换器采用的是反激变换器拓扑结构，包括功率开关管Q1、高频变压器T1及输出整流滤波电路。

Q1功率开关管的栅极接PWM输出信号，当栅极输入高电平时，开关管导通，输入低电平时，开关管截止。当开关管导通时，电流流过变压器初级线圈Np，而此时次级整流二极管截止，次级无电流流过，电能储存在高频变压器的初级电感线圈中Np中；当开关管关断时，初级线圈电流关断，所有绕组电压反向，整流二极管导通，初级线圈上的电能传输给次极绕组，并经过次级整流二极管D2整流、C3、C4、C5、L1组成的π型滤波器滤波后得到所需直流电压。

图中D1、C1、R1构成漏极钳位保护电路。当开关管由导通变成截止时，在一次绕组上产生尖峰电压和感应电压，与直流高压叠加在MOS管的漏极，很容易击穿开关管，漏极保护电路则可吸收产生的尖峰电压，电容的储能可通过电容释放。

PWM控制电路

PWM控制电路采用UC3842集成芯片进行设计。电路中变压器的另一次级绕组NS2及其所连接的二极管D3、电容元件C6、C7构成反激式开关电源的另一路直流输出为UC3842提供直流电压。

UC3842是应用比较广泛的一种电流控制型PWM控制器，其内部结构原理图如图1所示。主要由振荡器、误差放大器、电流检查比较器、PWM锁存器、基准电压等功能模块构成。

在UC3842的1脚和2脚之间并接R2和C8，对内部误差放大器进行补偿。输出反馈电压经2脚送到内部的误差比较放大器，与内部的基准电压进行比较，产生的误差信号送到内部电流检测比较器。流过开关管的电流（即初级电感导通时电流）经过R8采样，转换成电压，经R4和C11高频滤波后送入到芯片3脚。

内部振荡电路频率由4脚外接的R3和C10确定，内部振荡电路的频率决定PWM输出脉冲信号的频率，而PWM输出信号的脉冲宽度则随反馈电压的大小而变化。如果2脚的反馈电压变高，则PWM控制电路会使输出脉冲的宽度变窄，占空比减小，功率开关管Q1的导通时间变短。

电压反馈电路

电压反馈电路采用线性光电耦合器、三端可调稳压管以及由R4、R5、R6组成输出电压采样电路组成。

输出电压经米样电阻R4、R5、R6分压，分压后的电压控制可调稳压管DZ的稳压值。当输出电压降低时，经采样电阻分压后输入到可调稳压管DZ的参考电压也降低，可调稳压管的稳压值减小，从而流过光耦中发光二极管的电流增加，光增强，流过光耦中光电三极管的电流也相应的增加，在反馈电阻R8上形成的反馈电压也增加，反馈电压送入到PWM控制器中，经过PWM控制电路使输出脉冲的宽度变宽，占空比增加，则功率开关管9的导通时间增加，输出电压增加，从而使输出电压稳定，反之亦然，从而达到稳疋输出电压的目的。

电路测试结果与分析

电路测试波形如图所示：

1. 空载时开关管栅极电压波形如图(a)所示。
2. 有载时开关管栅极电压波形如图(b)所示。
   由这两个波形图对比可以看出，当输出端带负载时，输出电压会降低，但经过PWM控制电路输出的送入到开关管栅极的脉冲电压宽度变宽，开关管的导通时间变长，输出电压增加，从而使输出电压稳定。
3. 空载时变压器输出端两端电压波形如图©所示。
4. 有载时变压器输出端两端电压波形如图(d)所示。
   这两个波形和栅极电压波形进行比较，可知当栅极电压为正，开关管导通时，变压器原方线圈中有电流流过，但变压器付方（输出端）两端电压为负，所以该变换器是一个反激变换器。
5. 直流耦合时测得的输出电压波形如图(e)所示。
6. 交流耦合时测得的输出纹波电压如图(f)所示。
   从这两个测试结果可以看出输出电压稳定在+12V，输出电压的纹波限制在±20mV内，满足设计要求。

1. 保护电路和输入整流滤波电路
   保护电路由保险丝（过流保护）、压敏电阻（浪涌 雷击）和X电容组成
   采用MB10F桥式全波整流（关注耐压 整流电流和一致性）变成山峰波
   在采用LC π型网络滤波，电容值选择和输出功率有关(2-3uF/W)，耐压依据整流后电压的最大值(不是有效值)

2. 反激变换电路
   通过开关管的通断控制能量的传递，最右边的是RCD电路主要是用来保护MOS管的漏极，吸收关断时的尖峰脉冲，D一般选择耐高压的快速恢复二极管。右边的整流二极管主要考虑他的耐压和整流电流，二极管并联的RC电路主要用来EMI防护。输出电容主要用来滤波，和纹波大小紧密相关，需要考虑容值、耐压、和ESR，关系到纹波大小和系统稳定性

3. PWM控制电路
   采用HF500-15作为AC-DC控制稳压器，内置MOS管，辅助变压器线圈给控制芯片二次供电，4PIN为MOS管的D级，输出PWM波，5PIN为MIOS管的S级，通过串如电阻可以检测输入电流的大小，用来做过流保护，7PIN可以检测电压用来做过压保护

4. 电压反馈电路
   输出电压的变化，会影响流过光耦的电流，从而被控制芯片检测到，调节PWM的占空比

变压器计算

（此处原文未展开具体内容）

各种类型的反激电源

（此处原文未展开具体内容）

反激电源的工作模式以及如何防止振荡

（此处原文未展开具体内容）

PCB Layout

（此处原文未展开具体内容）

学习可参考资料
1.《精通开关电源设计》
2.b站孙老师视频
3.B站其他视频
4.网上的计算和设计方法文章(CSDN，知乎，21世纪电源网，电子发烧友，百度)
5.自己写文章，自己总结，自己设计
6.PCB Layout技巧
7.孙老师评论区，变压器书，计算软件，仿真软件
《变压器与电感器设计手册》
《开关电源工程调试技术》
《LLC半桥谐振电路设计方法和优化方案》
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