正激、反激、双管反激、推挽开关电路小结

1、开关电源电路学习小结 1. 正激（Forward）电路 正激电路的原理图如图 1 所示： 图 1、单管正激电路 1.1 电路原理图说明 单管正极电路由输入 Uin、滤波电容 C1、C2、C3，变压器 Trans、开关管 VT1、二极 管 VD1、电感 L1 组成。 其中变压器中的 N1、N2、N3 三个线圈是绕在同一个铁芯上的，N1、N2 的绕线方向 一致，N3 的绕线方向与前两者相反。 1.2 电路工作原理说明 开关管 VT1 以一定的频率通断，从而实现电压输出。当 VT1 吸合时，输入电压 Uin 被 加在变压器线圈 N1 的两边，同时通过变压器的传输作用，变压器线圈 N2 两边产生上正下

2、 负的电压，VD1 正向导通。Uin 的能量通过变压器 Tran 传输到负载。 由于 N3 的绕线方向与 N1 的相反，VT1 导通时，N3 的电压极性为上负下正。 当 VT1 关断时，N1 中的电流突然变为 0，但铁芯中的磁场不可能突变，N1 产生反电 动势，方向上负下正；N3 则产生上正下负的反向电动势，多出的能量将被回馈到 Uin。 通过上述内容可以看到 W3 的作用，就是为了能使磁场连续而留出的电流通路，采用 这种接线方式后，VT1 断开器件，磁场的磁能被转换为电能送回电源。 如果没有 N3，那么 VT1 关断瞬间要事磁场保持连续，唯有两个电流通路：一是击穿开 关；二是 N2 电流倒流

3、使二极管反向击穿。击穿开关或二极管，都需要很高电压，使击穿后 电流以较高的变化率下降到零；而很高的电流变化率（磁通变化率）自然会产生很高的感生 电动势来形成击穿电压。 由此可见，如果没有 N3，则电感反向时的磁能将无法回收到电源；并且还会击穿开关 和二极管。 1.3 小结 1) 正激电路使用变压器作为通道进行能量传输； 2) 正激电路中，开关管导通时，能量传输到变压器副边，同时存储在电感中；开关管 关断时，将由副边回路中的电感续流带载； 3) 正激电路的副边向负载提供功率输出， 并且输出电压的幅度基本是稳定的。 正激输 出电压的瞬态特性相对较好； 4) 为了吸收线圈在开关管关断时时的反电动势，

4、 需要在变压器中增加一个反电动势吸 收绕组，因此正激电路的变压器要比反激电路的体积大； 5) 由于正激电路控制开关的占空比都取 0.5 左右，而反激电路的占空比都较小，所以 正激电路的反激电动势更高。 2. 反激（Flyback）电路 反激电路的原理图如图 2 所示： 图 2、反激电路原理图 2.1 原理图说明 如图 2 所示，反激电路由输入 Uin，滤波电容 C1、C2、C3，变压器 Tran，二极管 VD1 组成。其中，变压器的原边和副边的绕线方向相反。 2.2 工作原理 开关管以一定的频率导通关断，从而实现电压输出。VT1 导通时，Uin 加在变压器线圈 N1 两端， N1 的电动势上正

5、下负； 此时变压器副边线圈电动势上负下正， 二极管 VD1 截止。 VT1 关断时，流过 N1 的电流变为 0，但是铁芯中的磁场将无法突变，N1 两边将产生 上负下正的电动势，此时变压器副边线圈电动势上正下负，二极管 VD1 导通，副边线圈的 能量将被传递到负载。 2.3 小结 1） VT1 关断时， VT1 两边的电压等于输入 Uin 的电压加上线圈 N1 反激的电压， 即开 关管 VT1 关断时需要承受两倍的输入电压； 2） 反激电路中，原边线圈还需要作为电感使用， 变压器有直流电流成份,且同时会工 作于 CCM / DCM 两种模式,故变压器在设计时较困难,反复调整次数较顺向式多,迭 代

6、过程较复杂。 3. 双管反激电路 双管反激电路的电路原理如图 3 所示： 图 3.双管反激 DCDC 3.1 原理图说明 双管反激电路由两个同时导通和关断的开关管 VT1、 VT2； 两个钳位二极管 VD1、 VD2； 输入滤波电容 C1、C2；输出滤波电容 C3；输出整流二极管 VD3，高频变压器 Trans1 组 成。 钳位二极管在反激的过程中把开关管承受的峰值电压钳制在输入电源电压， 可以大大降 低每个开关管上的电压应力，扩大了开关管的选择范围；变压器原边起到储能电感的作用。 3.2 工作原理 VT1 和 VT2 同时导通，同时关断。场效应管导通时，能量储存在变压器的磁路中；关 断时，磁

7、能转化为电能传至负载。 VD1 和 VD2 的接法可以把过剩的反激能量反馈到电源 Ui 中，同时可以把场效应管承 受的峰值电压和原边绕组的钳位电压都钳制在 Ui。 1） VT1 和 VT2 同时开通，直流电压 Ui 加在原边绕组上。此时输出整流二极管 VD3 反向偏置关断，副边绕组没有电流。输入 Ui 为变压器原边储能，原边电流 Ip 线性增加 Ui/Lp=dIp/dt。此时变压器原边相当于电感，磁芯内磁感应强度将由剩余磁感 Br 上升到峰 值 Bp。两只场效应管上的压降为其导通压降。 2） 当 VT1 和 VT2 同时关断时，由于反激作用，变压器上所有的电压反向，钳位二极 管把原边绕组的反激

8、电压和开关管两边的电压钳制在输入电压。 储存在原边绕组的能量一部 分向副边传递， 同时有一部分通过钳位二极管 VD1 和 VD2 返回给电源。 当副边的电流增加 至 N1/N2 * Ip(N1 为原边匝数，N2 为副边匝数)时，两个钳位二极管停止导通，原边电压 Vp 降至副边绕组的反射电压（即 C3 上的电压这算到原边上的电压） ，场效应管上的压降为 （Ui+Uo） 。输出三极管 VD3 导通，副边电流以一定速度衰减 dIp/dt=Uo/Ls。当副边绕组 电流 Is 降到零时，原边绕组的电压也将为 0，这时场效应管承受的电压为 Ui。反激过程中， 磁芯磁通密度将由峰值 Bp 下到剩余磁感应强度

9、 Br。 经过一段时间后， VT1、 VT2 同时导通， 进入下一个周期。 3） 在 VT1 和 VT2 不同时关断的情况下，电流会通过钳位二极管继续流动。如 VT1 关断，VT2 导通时，电流将在 VT2 和 VD2 之间续流，直至 VT2 关断。VT1 和 VT2 不同时 关断对反激影响较小，但是应保持 VT1 和 VT2 同时导通关断，因为开关管 VT 和钳位二极 管存在导通内阻，续流将会产生大量的功率损耗，时间越长功率损耗越大，对电源效率和散 热不利。 3.3 小结 双管反激的优点如下： 1） 续流二极管将漏感能量回馈给电源 2） 有效抑制关断尖峰，是开关管电压应力为输入电压 3） 不

10、需要额外的吸收电路，开关管承受的反向电压冲击较小 由于双管反激电路减小了器件的高压应力， 为功率管的选取和保护创造了有利条件， 增 加系统可靠性。因此，适用用高电压输入的中小功率场合。 4. 推挽开关电路 VT1 VT2 Trans1 VD1 VD2 L C1RL 驱动信号 图 4、推挽开关电路原理图 4.1 推挽开关电路原理图说明 如图 4 所示，推挽开关电路原理图由互补通断的开关管 VT1 和 VT2；隔离变压器 Trans1,；整流二极管 VD1 和 VD2；滤波电感 L，滤波电容 C1 组成。 变压器原边的线圈除了变压，还起到储能的作用。 4.2 推挽开关电路控制原理说明 如图 2 所

11、示，VT1 和 VT2 由 MCU 控制互补导通。当 VT1 导通，VT2 关断时，输入电 压 Ui 加在原边线圈上，输入 Ui 对原边线圈储能，原边电流线性增加 Ui/Lp=dIp/dt。此时 变压器原边相当于电感，磁芯内的磁感应强度将由剩余磁感应 Br 上升到峰值 Bp。 当 VT1 关断，VT2 导通时，由于反激作用，变压器上的所有电压反向。此时，存储在 原边的能量被变压器传输到副边。此时输出的整流二极管 VD1 导通，副边电流以一定的速 度衰减 dIp/dt=U0/L，当副边的电流下降到 0，原边线圈的电压也下降到 0V。 在反激的过程中，磁芯的磁通密度将由峰值 Bp 下降到剩余磁感强度 Br。 在反激的过程中，原边线圈的电压加上输入 Ui 电压都施加到 VT1 上，即 VT1 关断瞬 间承受的电压是额定电压的 2 倍。 由于 VT1 和 VT2 不可能实现完全的反相动作，当 VT1 关断但未完全关断，二 VT2 已 经导通时；VT1 所在的网络由于反激，产生的电流很小；而 VT2 所在网络的电流不受 VT1 线性导通的影响。所以采用推挽结构时，VT1、VT2 同时导通不会影响 DCDC 正常工作， 且由于 VT1 线性状态下流过的电流很小，所以开关管的损耗也较小。 4.3 电路小结 1） 推挽式电路采用了对称的结构排布，相当于两个反激电路并联； 2） 理论上在同