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反激式開關(guān)電源輸出整流濾波電路工作狀態(tài)分析
反激式開關(guān)電源輸出整流濾波電路原理上是最簡單的。但是，由于反激式開關(guān)電源的能量傳遞必須通過變壓器轉(zhuǎn)換實現(xiàn)，并壓器的初次級兩側(cè)的開關(guān)（MOSFET或整流二極管）均工作在電流斷續(xù)狀態(tài)。在相同輸出功率條件下，反激式開關(guān)電源的開關(guān)流過的電流峰值和有效值大于正激式、橋式、推挽式開關(guān)電源。為了獲得更低的輸出電壓尖峰，通常的反激式開關(guān)電源工作在電感電流（變壓器儲能）斷續(xù)狀態(tài)，這就進一步增加了開關(guān)元件的電流額定。
開關(guān)電源的電路拓撲對輸出整流濾波電容器影響也是非常大的，由于反激式開關(guān)電源的輸出電流斷續(xù)性，其交流分量需要由輸出整流濾波電容器吸收，當(dāng)電感電流斷續(xù)時輸出整流濾波電容器的需要吸收的紋波電流相對最大。
對應(yīng)的輸出整流二極管的電流波形如圖1，輸出濾波電容器的電流波形如圖2。
圖1 反激式開關(guān)電源的輸出整流二極管的電流波形
圖2 輸出濾波電容器的電流波形
由圖1可以得到流過輸出整流二極管電流峰值與平均值、有效值的關(guān)系為如下。
流過輸出整流器的峰值電流與平均值電流的關(guān)系：
（1）
流過輸出整流器的有效值電流與峰值電流的關(guān)系：
（2）
流過整流器的有效值電流與平均值電流的關(guān)系：
（3）
式中：IrecM、Irecrms、IO、Dmax分別為流過輸出整流器的峰值電流、有效值電流、平均值電流和輸出整流二極管的最大導(dǎo)通占空比。
流過輸出濾波電容器的電流有效值略小于流過輸出整流器的有效值電流。
式（1）、（2）、（3）表明，隨著輸出整流器導(dǎo)通占空比的減小，相同輸出電流平均值對應(yīng)的峰值電流、有效值電流隨占空比的減小而增加。
在大多數(shù)情況下，反激式開關(guān)電源工作在變壓器電流臨界或斷續(xù)狀態(tài)。在變壓器電流臨界狀態(tài)下，初級側(cè)開關(guān)管導(dǎo)通占空比與輸出整流器導(dǎo)通占空比相加為1。
在大多數(shù)情況下，反激式開關(guān)電源的輸出整流器的最大導(dǎo)通占空比約為0.5。這樣，流過輸出整流器的電流峰值與輸出平均值電流之間的關(guān)系為：
（4）
有效值電流于輸出電流平均值的關(guān)系為：
（5）
2．設(shè)計實例與分析
某反激式開關(guān)電源的技術(shù)參數(shù)為：電路圖拓撲：反激式；輸入電壓：85Vac~264Vac工作頻率：65kHz ；輸出：12V/5A；紋波電壓：50mV；CLC濾波。
（1）第一級濾波電容器的選擇
對于輸出電流5A對應(yīng)的峰值電流為20A、有效值電流為14.14A，其中大部分流入濾波電容器。按最高溫度的紋波電流2倍選用電容器，濾波電容器的紋波電流之和至少要7A。
25V/1000μF低ESR鋁電解電容器的額定紋波電流約為1A，需要7只并聯(lián)。如果非要5只并聯(lián)甚至4只并聯(lián)，也是可以運行的，但是不具有長期可靠性。
25℃溫度下，25V/1000μF低ESR鋁電解電容器的ESR約為0.09Ω。7只并聯(lián)對應(yīng)的ESR為129mΩ、5只并聯(lián)為180mΩ、4只并聯(lián)為225mΩ。由電流變化在ESR上產(chǎn)生的峰值電壓分別為2.59V、3.60V、4.50V。除此之外，濾波電容器的ESL還會在整流二極管開通時由于電流的躍變而產(chǎn)生感生電勢，這個感生電勢同樣會加到濾波電容器上，因此，濾波電容器上的峰值電壓將不只是上述的2.59V、3.60V、4.50V。其電壓波形如圖3。
圖3 第一級濾波電容器的電壓波形
很顯然，2.59V、3.60V、4.50V是不能滿足設(shè)計要求的，需要在第一級濾波電容器后面加上一級LC低通濾波器。
（2）第二極LC低通濾波器的設(shè)計與參數(shù)選擇
第二級需要考慮的是如何將不能滿足要求紋波電壓經(jīng)過LC濾波使其滿足要求。通常濾波電感可以選擇30~100μH，輸出濾波電容器不僅要考慮輸出紋波電壓是否可以滿足要求，還要考慮抑制負載電流的變化，在這里可以選擇330~1000μF/25V。
單端反激式開關(guān)電源磁芯尺寸和類型的選擇
徐麗紅 王佰營
A、InternationalRectifier公司--56KHz
輸出功率推薦磁芯型號
0---10WEFD15
SEF16
EF16
EPC17
EE19
EF(D)20
EPC25
EF(D)25
10-20WEE19
EPC19
EF(D)20
EE,EI22
EF(D)25
EPC25
20-30WEI25
EF(D)25
EPC25
EPC30
EF(D)30
ETD29
EER28(L)
30-50WEI28
EER28(L)
ETD29
EF(D)30
EER35
50-70WEER28L
ETD34
EER35
ETD39
70-100WETD34
EER35
ETD39
EER40
E21
摘自InternationalRectifier,AN1018-“應(yīng)用IRIS40xx系列單片集成開關(guān)IC開關(guān)電源的反激式變壓器設(shè)計”
B、ELYTONE公司---100KHzwbymcs51.blog.bokee.net
型號 輸出功率（W）
<5 5-10 10-20 20-50 50-100 100-200 200-500 500-1K
EI EI12.5 EI16 EI19 EI25 EI40 EI50 EI60 --
EE EE13 EE16 EE19 EE25 EE40 EE42 EE55 EE65
EF EF12.6 EF16 EF20 EF25 EF30 EF32 -- --
EFD -- EFD12 EFD15 EFD20 EFD25 EFD30 -- --
EPC -- EPC13 EPC17 EPC19 EPC25 EPC30 -- --
EER EER9.5 EER11 EER14.5 EER28 EER35 EER42 EER49 --
ETD -- -- ETD29 ETD34 ETD44 ETD49 ETD54 --
EP EP10 EP13 EP17 EP20 -- -- -- --
RM RM4 RM5 RM6 RM10 RM12 RM14 -- --
POT POT1107 POT1408 POT1811 POT2213POT3019 POT3622 POT4229 --
PQ -- -- -- PQ2016 PQ2625 PQ3230 PQ3535 PQ4040
EC -- -- -- -- -- EC35 EC41 EC70
摘自PowerTransformers OFF-LINE Switch Mode
APPLICATION NOTES
"Converter circuitas a function of S.M.P.S. output voltage (Vo) and output power (Po)"
C、Fairchild Semiconductor公司--67KHz
Output Power EIcore EE core EPC core EER core
0-10W EI12.5 EE8 EPC10
EI16 EE10 EPC13
EI19 EE13 EPC17
EE16
10-20W EI22 EE19 EPC19
20-30W EI25 EE22 EPC25 EER25.5
30-50W EI28 EE25 EPC30 EER28
EI30
50-70W EI35 EE30 EER28L
70-100W EI40 EE35 EER35
100-150W EI50 EE40 EER40
EER42
150-200W EI60 EE50 EER49
EE60
The core quickselection table For universal input range, fs=67kHz and 12V singleoutput
摘自：Application Note AN4140
Transformer Design Consideration for off-lineFlybackTMConverters using Fairchild Power Switch (FPS)
D、單端反激式變壓器磁芯的選擇公式wbymcs51.blog.bokee.net
Ve =5555 * P / f
式中：Ve——為磁芯的體積：Ve=Ae*Le；單位為：毫米立方；
P——為輸入功率；單位為：瓦；
f——為開關(guān)頻率；單位為：千赫茲；
本公式假設(shè)：Bm=0.3T,Lg/Le=0.5%=氣隙長度/磁芯等效長度；
如果Lg/Le=氣隙長度/磁芯等效長度=1%時，又如何計算呢？（請考慮）
輸出功率、磁芯截面積和開關(guān)頻率決定氣隙，因為在反激式開關(guān)電源中氣隙的體積大小決定儲能的多少，頻率決定能量傳輸?shù)目炻?/SPAN>
如：EI25Ve=2050mm?0?6，Ae=42平方毫米，Le=49.4mm；f=40KHz；η=0.75；
Lg= 0.005*49.4 = 0.247mm ---氣隙長度
Pin =Ve*F/5555 = 2050*40/5555 = 14.76W；
Pout =η*Pin= 0.75 * 14.76 = 11.07W;
若：f=100KHz 則：
Pout = 11.07W *(100/40) = 27.675W;
反激式開關(guān)電源設(shè)計的思考一
王佰營 徐麗紅
對一般變壓器而言，原邊繞組的電流由兩部分組成，一部分是負載電流分量，它的大小與副邊負載有關(guān)；當(dāng)副邊電流加大時，原邊負載電流分量也增加，以抵消副邊電流的作用。另一部分是勵磁電流分量，主要產(chǎn)生主磁通，在空載運行和負載運行時，該勵磁分量均不變化。
勵磁電流分量就如同抽水泵中必須保持有適量的水一樣，若抽水泵中無水，它就無法產(chǎn)生真空效應(yīng)，大氣壓就無法將水壓上來，水泵就無法正常工作；只有給水泵中加適量的水，讓水泵排空，才可正常抽水。在整個抽水過程中，水泵中保持的水量又是不變的。這就是，勵磁電流在變壓器中必須存在，并且在整個工作過程中保持恒定。
正激式變壓器和上述基本一樣，初級繞組的電流也由勵磁電流和負載電流兩部分組成；在初級繞組有電流的同時，次級繞組也有電流，初級負載電流分量去平衡次級電流，激勵電流分量會使磁芯沿磁滯回線移動。而初次級負載安匝數(shù)相互抵消，它們不會使磁芯沿磁滯回線來回移動，而勵磁電流占初級總電流很小一部分，一般不大于總電流10％，因此不會造成磁芯飽和。
反激式變換器和以上所述大不相同，反激式變換器工作過程分兩步：
第一：開關(guān)管導(dǎo)通，母線通過初級繞組將電能轉(zhuǎn)換為磁能存儲起來；
第二：開關(guān)管關(guān)斷，存儲的磁能通過次級繞組給電容充電，同時給負載供電。
可見，反激式變換器開關(guān)管導(dǎo)通時，次級繞組均沒構(gòu)成回路，整個變壓器如同僅有一個初級繞組的帶磁芯的電感器一樣，此時僅有初級電流，轉(zhuǎn)換器沒有次級安匝數(shù)去抵消它。初級的全部電流用于磁芯沿磁滯回線移動，實現(xiàn)電能向磁能的轉(zhuǎn)換；這種情況極易使磁芯飽和。
磁芯飽和時，很短的時間內(nèi)極易使開關(guān)管損壞。因為當(dāng)磁芯飽和時，磁感應(yīng)強度基本不變，dB/dt近似為零，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，將不會產(chǎn)生自感電動勢去抵消母線電壓，初級繞組線圈的電阻很小，這樣母線電壓將幾乎全部加在開關(guān)管上，開關(guān)管會瞬時損壞。
由上邊分析可知，反激式開關(guān)電源的設(shè)計，在保證輸出功率的前提下，首要解決的是磁芯飽和問題。
如何解決磁芯飽和問題？磁場能量存于何處？將在下一篇文章：反激式開關(guān)電源變壓器設(shè)計的思考二中討論。
反激式開關(guān)電源設(shè)計的思考二---氣隙的作用
“反激式開關(guān)電源設(shè)計的思考一”文中，分析了反激式變換器的特殊性防止磁
芯和的重要性，那么如何防止磁芯的飽和呢？大家知道增加氣隙可在相同ΔB的
情況下，ΔIW的變化范圍擴大許多,為什么氣隙有此作用呢?
由全電流定律可知:
由上例可知，同一個磁芯在電流不變的條件下，僅增加1mm氣隙，加氣隙的磁
感強度僅為不加氣隙的磁感應(yīng)強度的4.8%，看來效果相當(dāng)明顯。
加了氣隙后，是否會影響輸出功率呢
