富昌电子 – 反激式转换器的原理以及优缺点

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开关电源（SMPS）有许多可能的拓扑结构，但对于负载低于150W的电路，最受欢迎的是反激式转换器。有些估计甚至表明高达75％的离线电源使用反激式拓扑。

因此，许多电力系统设计者面临着开发反激式转换器电路的挑战。为了达到最佳性能、满足电气规格并保持在成本和空间限制之内，设计人员需要在设计中实现某种形式的定制；而反激式转换器最重要的定制元件是变压器。

在设计工程界，变压器设计和原型构建通常被认为是黑色艺术。对于外行来说，影响变压器性能的各种参数 - 从磁芯材料和尺寸的选择到围绕磁芯的绕组的布置 - 都可能出现混淆。事实上，变压器设计的过程可以通过应用少量的重要方程，结合一定程度的反复试验，或称为“经验猜测”而有序地进行。

位于英国伦敦的富昌电子EMEA系统设计中心（SDC）的设计团队从为OEM客户开发定制电源的工作中获得了许多实践经验。本文旨在分享这些经验，并说明在反激式转换器电路中优化变压器设计的有效方法。

反激式拓扑结构：操作原理

图1：典型的反激式转换器电路。

反激式转换器是一种隔离形式的降压-升压转换器，如图1所示。它包括：

1）一个初级侧开关，通常是MOSFET

2）两个绕在磁芯上的初级绕组和次级绕组形式的电感，如图2所示。绕组围绕一个塑料骨架转动，该骨架提供机械支撑和一组用于导线连接及通孔安装在PCB上的引脚。在其操作中，两个电感器的布置方式的正确称呼为“磁耦合电感器”。但由于两个独立的绕组，设计人员通常将其称为“反激式变压器”。严格来说，这是一个误用，但为了方便起见，本文将以此方式引用它。

3）一个次级侧开关，通常是二极管

4）输出电容

通常通过光电耦合器和补偿电路实现反馈，用于隔离屏障控制。

当初级侧开关导通时，初级绕组消耗电流，从而产生磁场，该磁场通过低磁阻磁芯很容易地传递到磁芯中心处的小气隙，储存的磁能在那里累积。当初级侧开关断开时，储存的磁能感应生成电流，流过次级绕组和输出二极管，并流向负载。

这种转换器拓扑的多种优点是其广泛应用的原因：

1）通过反激式变压器和光耦反馈补偿可以轻松实现隔离

2）元器件数量和成本很低

3）反激式变压器的匝数比可实现输入和输出电压之间的高比率，例如直接从交流电源电压输入产生3.3V输出。

4）单个功率级可以提供多个正负极性的输出电压轨。

5）反激式拓扑结构支持升压和降压操作：它是降压-升压型拓扑结构。

但反激式转换器有一些缺点，最重要的是：

1）MOSFET和输出二极管上的电压应力很高，不同设计之间都有很大的不同。

2）开关转换期间两个开关元件的高峰值电流和高电压峰值导致相对较高的噪声。反激式变压器的跨越耦合和来自绕组的辐射也可能产生噪声。

转换器规格如何影响变压器设计

反激式变压器的优化由设计人员指定的关键参数确定，即：

1）输出功率

2）开关频率

3）初级和次级绕组的峰值和平均电流值（考虑最小输入电压、最大负载时的最坏情况）

4）初级侧电感

5）最大磁通密度

6）匝数比

然而，设计人员在可以开始设计反激式变压器之前，需要选择导通模式：连续导通模式（CCM），不连续导通模式（DCM）或临界导通模式（CRM）。变压器设计的过程对于所有三种导通模式都是相同的，但是在任意功率转换器中，操作是不同的，并且在反激式变换器的情况下基本都不同，因为转换器的传递函数各不相同，会影响反馈补偿。

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