开关电源设计不可不看Flyback电路原理详解.doc

Flyback转换器电路是由Buck-Boost电路，利用磁性元件耦合的功能衍生而来，所以要探讨Flyback电路，必须先从Buck-Boost电路开始。 一、Flyback电路简介 （一）Flyback电路架构 Flyback变换器，俗称单端反激式DC－DC变换器，又称为返驰式(Flyback)转换器，或Buck-Boost转换器，因其输出端在原边绕组断开电源时获得能量，因此得名. Flyback变换器是在主开关管导通期间，电路只储存而不传递能量；在主开关管关断期间，才向负载传递能量的一种电路架构。 （1）Flyback变换器理论模型如图。 （2）实际电路结构 根据Flyback变压器的同名端绕制方式，有下面两种形式，这两个电路实质上是一样的。当然，Flyback电路还有其他衍生形式（见附录I）。 （二）Flyback变换器优点 （1）电路简单，能高效提供多路直流输出，因此适合多组输出的要求。 （2）转换效率高，损失小。 （3）匝数比值较小。 （4）输入电压在很大的范围内波动时，仍可有较稳定的输出，目前已可实现交流输入在 85～265V （1）输出电压中存在较大的纹波，负载调整精度不高，因此输出功率受到限制,通常应用于150W 以下。 （2）转换变压器在电流连续(C.C.M.)模式下工作时，有较大的直流分量，易导致磁芯饱和，所以必须在磁路中加入气隙，从而造成变压器体积变大。 （3）变压器有直流电流成份，且同时会工作于C.C.M./D.C.M.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，迭代过程较复杂。 二、Buck－Boost转换器工作原理 所有的导出型转换器都保留其基本转换器的特性；要了解Flyback转换器，要从其基本转换器Buck－Boost电路开始。 （一）Buck－Boost电路组成 Buck－Boost电路由一个开关晶体管，一个功率二极管，一个储能电感和一个输出电容组成，见图1。 图1 Buck－Boost电路结构 （二）电路特性 （1）输出电压为负电压 （2）输出电压的大小可高于或低于输入电压 （3）输入端与输出端的电流波形都是脉波形式。 （三）工作原理 为方便理解电路工作原理，先介绍一下楞次定律。 楞次定律：电感总是“阻碍外电路通过电感的磁通（电流）的变化”，即： 外电路通过电感的磁通（电流）增大，电感将产生与（电流）反向的磁通（电流），阻碍外电路磁通（电流）的增大； 外电路通过电感的（电流）减小，电感将产生与（电流）同向的磁通（电流），阻碍外电路（电流）减小的减小。 以下就Buck－Boost稳态电路的工作作一个简要说明。 假设一个周期的开始时间为：开关晶体管Q1导通时（Turned On或Closed）。此时输入电压完全跨在电感之上，电感的电流将成线性增加。由棱次定律，“外电路通过电感的电流增大，电感将产生与反向的电流，阻碍外电路电流的增大”。外电路电流（主要是主电路电流）从同名端流出，原边的同名端为负，异名端为正，所以电感电压为“+”，电感所存储的能量因此逐渐增加；变压器副边的同名端为负，异名端为正，所以功率二极管反偏，负载所需的能量完全由输出电容提供，此时电容的电压会有些降低（要看电容的大小）。 当开关晶体的控制信号（电压或电流），使开关晶体Q1不导通时（Turned Off或Opened），此时外电路通过电感的电流急剧减小（几乎为零），由楞次定律，“电感将产生与磁通（电流）同向的磁通（电流），阻碍外电路（电流）的减小”；外电路电流（主要是电感电流），从同名端流出，原边的同名端为正，异名端为负，所以电感电压为“-”，变压器副边的同名端为正，异名端为负，所以功率二极管正偏，变压器副边电压大小恰等于输出电压。通过二极体的电感电流将线性减少，除了提供给负载外，还给输出电容充电（输出电容的电压会增高些），这个情形将持续到下一个周期开始为止。 开关晶体导通的时间占整个周期的比率，称为工作周期（Duty Cycle，简称为D），D越大，表示电感充能的时间越长，依照“伏－秒平衡”原理（后面介绍），输出电压一定越高。 （四）公式推导 以下公式推导时作如下假设： 1）开关晶体与二极管均为理想元件，也就是导通时呈短路，不导通时呈断路。 2）电感不会饱和，且电感值为不变的常数，也就是B－H曲线为线性，且铜损/铁损忽略不计。 3）电感与输出电容构成的等效滤波器，可以有效的将输出电压滤成纹波很小的直流电压。或者说，电感与输出电容构成低通滤波器的角频率远低于切换频率。 1． 连续导通模式（C.C.M）公式推导 （1）在开关晶体ON的时间， ① （2.1） （