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反激電源適配器

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反激電源適配器

在設(shè)計反激式電源適配器時,我發(fā)現(xiàn)有很多工程師和學(xué)生,存在很大的困難。實際上這種拓?fù)浞浅嵱?,而且設(shè)計也并不難。
問題并不在于電源適配器設(shè)計本身的難處,或是學(xué)生的能力,而是與傳統(tǒng)設(shè)計的教學(xué)方式有關(guān)。
從反激變壓器設(shè)計的第一步開始,就定下了錯誤的思維定勢,設(shè)計者常常把“反激變壓器”當(dāng)成真正的變壓器來設(shè)計,這正是問題所在。
對于變壓,我們已經(jīng)非常熟悉,它是一種非常簡單的設(shè)備——初級繞組上施加一定的電壓,次級繞組上就可以得到相應(yīng)的電壓。電壓比率與匝比相同,與輸出(負(fù)載)電流無關(guān)。換句話講,變壓器保證初次級電壓的轉(zhuǎn)換比率(初級繞組為1V/匝,從而使次級繞組電壓也為IV/匝。如果需要得到10V電壓,用10匝次級繞組即可實現(xiàn),原理非常簡單。)但是,需要注意變壓器的一個很重要的特性,初級與次級同時導(dǎo)通。即電流從初級繞組的正極性流進,則同時從次級繞組的正極性流出。
反激電源適配器的基本電路圖如圖所示。

值得注意的是,在開關(guān)管Q1導(dǎo)通期間,電流流進變壓器T1的初級繞組,而此時次級二極管不導(dǎo)通故次級無電流流過。當(dāng)開關(guān)管Q1關(guān)斷時,初級電流停止,所有繞組電壓反向。這種反激電壓使得輸出二極管及次級繞組導(dǎo)通,并流過電流。所以“反激變壓器”的初級與次級繞組在不同的時刻導(dǎo)通并流過電流,這種差異很明顯地改變了“反激變壓器”的工作原理。
讓我們分析“反激筆記本電腦充電器”工作模式。當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時,只有初級繞組導(dǎo)通(其他繞組因未導(dǎo)通,可暫不考慮其對初級電壓的影響),此時,開關(guān)管可認(rèn)為只是給電感儲存能量。當(dāng)開關(guān)管Q1關(guān)斷時,只有次級繞組導(dǎo)通,分析時可暫不考慮初級繞組對次級的影響(此時,次級可認(rèn)為只是電感放電過程)。所以,“反激變壓器”與真正變壓器有什么樣的不同,就顯而易見了。所謂的“反激變壓器”,從功能上考慮,實際上只是有著若干繞組的電感而已。
這種不止一個繞組的電感工作原理是,初級與次級的安匝比守恒(而不是像真正的變壓器一樣,電壓比守恒)。例如,初級繞組100匝,開關(guān)管Q1關(guān)斷時的峰值電流為1A,存儲在初級的安匝數(shù)為100安匝。這個數(shù)值必須等于次級的安匝數(shù),若次級繞組為10匝,則電流應(yīng)為10A(10T×10A=100安匝)。同樣,1匝次級繞組將會有100A的峰值電流,1000匝次級繞組對應(yīng)于0.1A的峰值電流。
這種情況下,電壓方面的關(guān)系又如何呢?首先需要說明的是,初次級繞組電壓并不相關(guān)次級繞組電壓只與負(fù)載有關(guān)。假設(shè)次級繞組安匝數(shù)為100,匝數(shù)為10,則峰值電流為10A,如上節(jié)例子所述。如果將次級繞組與19負(fù)載相連則可得到10V的次級電壓。如果將這樣的次級繞組與1009的負(fù)載相連,則可以在次級得到不可思議的1000電壓,這就是之所以反激拓?fù)湓诟邏簯?yīng)用場所得到普遍應(yīng)用的原因(不得將次級開路,會導(dǎo)致半導(dǎo)體元件損壞)。當(dāng)次級有幾個繞組同時導(dǎo)通時,則所有次級繞組的安重數(shù)之和與初級安匝數(shù)守恒。

根據(jù)以上所述可知,“反激變壓器”實際上是以電感的特性工作,所以就需要采用電感的設(shè)計原理進行設(shè)計(因為磁心同時需要承載電流的直流和交流成分,故第7章中名詞采用扼流圈代替電感)。所以說,假若最初“反激變壓器”可以根據(jù)其功能正確命名為“反激扼流圈”,那現(xiàn)在就不會有那么多的疑惑了。
但是我們都知道,初級與次級繞組就算是不同時導(dǎo)通,它們之間也會存在電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系。還是采用上面的實例,10匝的次級繞組加在100負(fù)載之上,次級繞組上電壓為1000V。這1000V電壓將會折射到初級繞組,其折射電壓值為1000,加上輸入電壓100V,開關(guān)管在關(guān)斷期間將會承受10100V的電壓(耐壓11000V的開關(guān)管,超過現(xiàn)有的工藝水平)。所以在現(xiàn)實中很難實現(xiàn),但是理論上可行。
所以,當(dāng)我們在設(shè)計“反激變壓器”時,需要注意以下幾點。
①記住你不是在設(shè)計一個變壓器,而是有著多繞組的扼流圈。
②初級繞組匝數(shù)需要滿足AC電壓應(yīng)力(伏秒數(shù))和磁心飽和特性


其中,N,是最小的初級匝數(shù),V是最大的初級直流電壓(V),7是開關(guān)管Q1的最大導(dǎo)通時間(μs),B是AC磁通密度變化的峰一峰值(特斯拉),鐵氧體典型值為200mT,A為磁心中心柱的有效面積(mm2)。
③次級繞組可靈活選擇。如果次級繞組每匝電壓值與初級相同,則開關(guān)管Q上的反激電壓為輸入電壓的兩倍。
④當(dāng)使用帶有磁隙的鐵氧體磁心時,最小的磁隙長度必須保證在流過交流和直流勵磁電流和時,磁心不能飽和。而在更多的情況下,磁隙長度的選擇是為了滿足能量轉(zhuǎn)換的要求,這樣經(jīng)常會導(dǎo)致磁隙長度超過了其需求的最小長度。初級繞組儲存的能量為
E(焦耳)=1/2LI2
這是攝像機電源適配器初級能夠傳送到次級的最大能量,而且只是在斷續(xù)(完全能量傳遞)的工作模式。在連續(xù)的工作模式,只有部分能量被傳送。
注意:減小電感值L,看上去可以減少初級儲在的能量,但是在電感減小的同時,電流/會以相同的比例增太。又因為能量與電流/的平方值成正比,所以減小電感值,其實初級儲存的能量實際上是增加的。
⑤不推薦一味地設(shè)計出某一固定的電感值,而最好是電感值能夠在磁隙長度或是磁心材料(磁導(dǎo)率)改變時可以有相應(yīng)的變化裕量。

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| 發(fā)布時間:2019.01.14    來源:電源適配器廠家
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