【每日电路赏析】反激变换器电路

电子

在电子设备中，稳压器是一个用来持续调节电源输出的装置或机制。电源器件中稳压器有许多种。但最主要考虑到DC到DC的转换，有两种稳压器：线性或开关。

线性稳压器使用阻性压降来调节输出，但也因此效率低下且以热能损失能量。而开关稳压器使用电感，二极管和电源开关来从电源转移到输出。

开关稳压器的种类

开关稳压器有三种：
1.升压转化器（Boost稳压器）
2.降压转化器（Buck稳压器）
3.反激转换器（隔离稳压器）

Buck和Boost稳压器之间的区别在于电感，二极管以及开关电路的摆放不一样。同时，Boost稳压器中输出电压大于输入电压，但在Buck稳压器里，输出电压低于输入电压。Buck拓扑阔时buck转换器是SMPS中最常用的基础拓扑结构。在我们将高电压转换为低输出电压时会经常用到。

除了这两个稳压器之外，还有一种稳压器在设计者间也很流行，那就是反激式稳压器或反激式转换器。这是一个多功能的拓扑结构，可以从单输出中生成多个输出。不仅如此，反激式拓扑结构还可以让设计者同时改变输出的极性。比如，我们可以从单个转换器模块中生成+5V，+9V和-9V的输出。而且这两种运用下转换效率都很高。

反激式转换器还有一个特点就是输入和输出端的电隔离。为什么我们需要隔离呢？在某些特殊情况下，为了最小化电源噪声，或处于安全相关的操作中，我们需要隔离操作，让输入源与输出源完全隔离开来。让我们来看看单个输出的反激式变换是如何运作的。

反激式变换器的基本电路

我们看了下图的单输出反激设计后，就知道如何自己搭建一个类似的电路了。

一个基础的反激式转换器需要一个开关，可以是一个FET或是一个晶体管，一个变压器，一个输出二极管，一个电容。

其中最主要的部分就是变压器。我们需要了解变压器的原理才能理解该电路的原理。

变压器最少由两个电感组成，一般被称为次级线圈和初级线圈，都是用线圈环绕在磁芯上的。磁芯决定了磁通量密度，对于两线圈间的电能传输至关重要。还有一个比较关键的就是变压器的相位，也就是初级线圈和次级线圈上面的点。

我们还可以看出PWM信号与三极管开关相连。这是基于开关关断的频率以及打开的时间。

在反激式稳压器中，一共有两种电路活动。一是开关打开阶段，其中变压器的初级充电，二是开关关断或是传输阶段，其中电能由初级转换到次级再到负载上。

如果我们假设开关已经被关断很长一段时间了，那么电流为0，也没有电压。

在这个时候，如果开关打开，那么电流会增加，而电感会产生一个压降。该状态下，因为磁芯间通过的磁通量，电流会向次级线圈传输。在次级线圈上，电压与初级线圈上的电压极性相同，但电压值成比例，比例恰好是两线圈的匝数比。因为是反向电压，所以二极管关断，而没有电流流经次级。如果电容在上个开关周期内充上了电的话，就会为负载提供输出电流。

下一阶段，开关断开，流经初级的电流减小。与之前阶段相同，初级电压会在次级生成相同极性的电压，电压值也成匝数比。因为是正向电压，所以，二极管导通，次级线圈将输出电流给电容和负载。电容在开关打开的阶段已经失去了所有的电荷，但此时又会重新充电。

在整个开关过程中，输入电源和输出电源之间没有任何电路连接，因此我们可以看出是变压器隔离了输入与输出。

根据开关导通和关断的时间可以分为两种模式。连续模式和非连续模式。

在连续模式下，初级充电之前，电流先归零，再如此往复。而在非连续模式下，下一周期在初级电感的电流归零时开始。

反激式转换器的效率

现在我们来看一下效率，也就是输出与输出功率的比值。
（Pout/Pin）x 100%

因为能量不能凭空生成也无法抹去，只能转换过来，大多数电能都以热能的形式消耗掉的。所以实际运用中并不存在理想情况。因此在选择稳压器的时候，效率也是一个关键因素。

而能量损耗的关键因素之一就是二极管。正向压降乘以电流都转换为了热能，因此降低了稳压电路的效率。与此同时，硅二极管的反向恢复损耗也会降低整体效率。

而解决这一问题最好的方法之一就是避免标准的恢复二极管，而使用肖特基二极管，因为后者有着很低的正向压降，也有着更好的反向恢复损耗。从另一角度来说，如果将开关转换成MOSFET的话，能在更小封装的情况下提升效率。

反激式变换器电路图以及工作原理

我们将使用LM5160来生成12V的隔离电压。这是该电路的详细参数说明。
输入电压范围：18V-32V
隔离输出：12V
隔离负载电流范围：0mA-400mA
标准开关频率：300kHz
最大效率：88%

该原理图中使用了许多元件，但都不难理解。其中输入端的C6，C7和C8用于输入电源的滤波。而R6和R10则用于欠压锁定。R7电阻用于开关导通。C13为软启动电容。C5为自举电容，用于栅极驱动的偏压。R4，C4和C9用于纹波过滤，而R8和R9则为LM5160的反馈引脚提供反馈电压，这两个电阻的值决定了输出电压。C10和C11则用于初级的非隔离输出滤波。

而最关键的元器件是变压器T1。这是一个两端都有一个60uH电感的耦合电感。其参数如下：

1.匝数比：次级：初级=1.5:1
2.电感：60uH
3.饱和电流：840mA
4.初级直流电阻：0.071Ω
5.次级直流电阻：0.211Ω
6.频率：150kHz

C3用于EMI稳定性。D1为转换输出的正向二极管，C1和C2是滤波电容，R2则是最小启动负载。

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