開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)不可不看--Flyback電路原理DOC

1、Flyback轉(zhuǎn)換器電路是由Buck-Boost電路，利用磁性元件耦合的功能衍生而來(lái)，所以要探討 Flyback電路，必須先從Buck-Boost電路開(kāi)始。、Flyback電路簡(jiǎn)介(一) Flyback電路架構(gòu)Flyback變換器，俗稱(chēng)單端反激式DC- DC變換器，又稱(chēng)為返馳式(Flyback)轉(zhuǎn)換器，或"Buck-Boost"轉(zhuǎn)換器，因其輸出端在原邊繞組斷開(kāi)電源時(shí)獲得能量，因此得名.Flyback變換器是在主開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間，電路只儲(chǔ)存而不傳遞能量；在主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間， 才向負(fù)載傳遞能量的一種電路架構(gòu)。(1) Flyback變換器理論模型如圖。(2)實(shí)際電路結(jié)構(gòu)根據(jù)Flyb

2、ack變壓器的同名端繞制方式，有下面兩種形式，這兩個(gè)電路實(shí)質(zhì)上是一樣的。 當(dāng)然，F(xiàn)lyback電路還有其他衍生形式(見(jiàn)附錄I)。S/)Y, L_用"Ar 21 £(二) Flyback變換器優(yōu)點(diǎn) (1)電路簡(jiǎn)單，能高效提供多路直流輸出,因此適合多組輸出的要求。D1FlLI”D2d1«' C) R § Vai(2)(3)(4)轉(zhuǎn)換效率高，損失小。 匝數(shù)比值較小。仍可有較穩(wěn)定的輸出，目前已可實(shí)現(xiàn)交流輸入在85265V輸入電壓在很大的范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí), 間，無(wú)需切換而達(dá)到穩(wěn)定輸出的要求。(三)Flyback變換器缺點(diǎn)(1) 輸出電壓中存在較大的紋波，負(fù)載調(diào)

3、整精度不高，因此輸出功率受到限制，通常應(yīng)用于150W 以下。(2) 轉(zhuǎn)換變壓器在電流連續(xù)(C.C.M.)模式下工作時(shí)，有較大的直流分量，易導(dǎo)致磁芯飽和，所 以必須在磁路中加入氣隙，從而造成變壓器體積變大。(3) 變壓器有直流電流成份，且同時(shí)會(huì)工作于C.C.M./D.C.M.兩種模式，故變壓器在設(shè)計(jì)時(shí)較困 難，反復(fù)調(diào)整次數(shù)較順向式多，迭代過(guò)程較復(fù)雜。、Buck- Boost轉(zhuǎn)換器工作原理所有的導(dǎo)出型轉(zhuǎn)換器都保留其基本轉(zhuǎn)換器的特性；要了解 Flyback轉(zhuǎn)換器，要從其基本轉(zhuǎn)換 器Buck Boost電路開(kāi)始。（一） Buck Boost 電路組成Buck Boost電路由一個(gè)開(kāi)關(guān)晶體管，一個(gè)功率二

4、極管，一個(gè)儲(chǔ)能電感和一個(gè)輸出電容組成， 見(jiàn)圖1。BATTERYJTCQLTKbrRTLoQ2Q圖1 Buck Boost電路結(jié)構(gòu)（二）電路特性（1）輸出電壓為負(fù)電壓（2）輸出電壓的大小可高于或低于輸入電壓（3）輸入端與輸出端的電流波形都是脈波形式。（三）工作原理為方便理解電路工作原理，先介紹一下楞次定律。楞次定律：電感總是“阻礙外電路通過(guò)電感的磁通（電流）的變化”，即：外電路通過(guò)電感的磁通 （電流ii）增大，電感將產(chǎn)生與*1 （電流ii）反向的磁通*2 （電流i2）, 阻礙外電路磁通*1 （電流h）的增大；外電路通過(guò)電感的<t>1 （電流h）減小，電感將產(chǎn)生與*1 （電流ij同向的

5、磁通鵜（電流i2）， 阻礙外電路q （電流h）減小的減小。以下就Buck Boost穩(wěn)態(tài)電路的工作作一個(gè)簡(jiǎn)要說(shuō)明。假設(shè)一個(gè)周期的開(kāi)始時(shí)間為：開(kāi)關(guān)晶體管 Q1導(dǎo)通時(shí)（Turned On或Closed）。此時(shí)輸入電壓 完全跨在電感之上，電感的電流將成線(xiàn)性增加。由棱次定律，“外電路通過(guò)電感的電流i1增大，電感將產(chǎn)生與h反向的電流i2，阻礙外電路電流h的增大”。外電路電流i1 （主要是主電路電流） 從同名端流出，原邊的同名端為負(fù)，異名端為正，所以電感電壓V；為“+”，電感所存儲(chǔ)的能量因此逐漸增加；變壓器副邊的同名端為負(fù)，異名端為正，所以功率二極管反偏，負(fù)載所需的能量完 全由輸出電容提供，此時(shí)電容的電壓

6、會(huì)有些降低（要看電容的大?。?。當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體的控制信號(hào)（電壓或電流），使開(kāi)關(guān)晶體 Q1不導(dǎo)通時(shí)（Turned Off或Opened ， 此時(shí)外電路通過(guò)電感的電流i1急劇減?。◣缀鯙榱悖衫愦味?，“電感將產(chǎn)生與磁通 *1 （電 流h）同向的磁通*2 （電流i2），阻礙外電路*1 （電流h）的減小”；外電路電流h （主要是電感 電流），從同名端流出，原邊的同名端為正，異名端為負(fù)，所以電感電壓 V1為“-”，變壓器副邊的同名端為正，異名端為負(fù)，所以功率二極管正偏，變壓器副邊電壓大小恰等于輸出電壓。通過(guò) 二極體的電感電流將線(xiàn)性減少，除了提供給負(fù)載外，還給輸出電容充電（輸出電容的電壓會(huì)增高 些），這個(gè)情

7、形將持續(xù)到下一個(gè)周期開(kāi)始為止。開(kāi)關(guān)晶體導(dǎo)通的時(shí)間占整個(gè)周期的比率，稱(chēng)為工作周期（Duty Cycle，簡(jiǎn)稱(chēng)為D），D越大,表示電感充能的時(shí)間越長(zhǎng)，依照“伏-秒平衡”原理（后面介紹），輸出電壓一定越高。（四）公式推導(dǎo) 以下公式推導(dǎo)時(shí)作如下假設(shè)：1）2）不計(jì)。開(kāi)關(guān)晶體與二極管均為理想元件，也就是導(dǎo)通時(shí)呈短路，不導(dǎo)通時(shí)呈斷路。電感不會(huì)飽和，且電感值為不變的常數(shù)，也就是B- H曲線(xiàn)為線(xiàn)性，且銅損/鐵損忽略電感與輸出電容構(gòu)成的等效濾波器， 可以有效的將輸出電壓濾成紋波很小的直流電壓。 或者說(shuō)，電感與輸出電容構(gòu)成低通濾波器的角頻率遠(yuǎn)低于切換頻率。1.連續(xù)導(dǎo)通模式（C.C.M）公式推導(dǎo)丄Q 書(shū)廠3）（1）在

8、開(kāi)關(guān)晶體ON的時(shí)間,0蘭t蘭DTs(2.1 )VL(t) = ViiL(t)= iL(0) +tL5(0)+V,t(2.2 )在t= DTs時(shí),iL(DTs)= iL(0)+ VDT(2.3 )（2）當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體被OFF時(shí)，DTs蘭t乞Ts，二級(jí)管順偏導(dǎo)通,所以VL(t)V。(2.4 )1,)=5)+丨 DTstvL 0 )d"(DTjVEDTs)(2.5 )當(dāng)t = Ts時(shí),iL(Ts)= iL(DTs)-Vo(1- D)Ts(2.6)在穩(wěn)態(tài)操作情況下，°（0） = .（Ts），將（2.3 ）代入（2.6 ）得億)7(0) + 進(jìn)VO(1-D)Ts(2.7 )也就是ViDT

9、s=Vo（D）Ts（ 2.8）（2.8 ）就是所謂的“伏一秒平衡”定律。電感的電壓，對(duì)時(shí)間積分一個(gè)周期，結(jié)果為零,如此才可確保電感器不會(huì)飽和。由（2.8 ），可得輸出與輸入電壓關(guān)系式：M花旦VI1- D，當(dāng)工作周期D小于0.5時(shí)，輸出電壓小于輸入電壓；當(dāng)D大于0.5時(shí)，輸出電壓大于輸入電壓。（3）電路波形R+ 7。=CRTonT°ffV,V。Q/DDVLCCdc ESRESR eSLII輸入端的電流波形，即開(kāi)關(guān)晶體的電流為脈波形狀，實(shí)際應(yīng)用中，必須加入濾波器（ C或LC） 才不會(huì)影響其他系統(tǒng)；二極管的電流也是脈波型，所以通過(guò)輸出電容的紋波電流較大，所以使用 的電容也需大，而且對(duì)等效串

10、聯(lián)電阻 ESR勺要求也比較嚴(yán)格。備注：ESR是指在AC或DC下的串聯(lián)等效阻抗（Equivale nt Series Resista nee ）。ESL 在 AC 下的串聯(lián)等效低電感（Equivale nt Series In ducta neeBCESF與頻率關(guān)系：電解電容的ESF會(huì)隨著使用頻率的上升而下降。廠商標(biāo)稱(chēng)的ESR是在一定It/Hr'1-I -I I工作頻率（120Hz,1KHz,100KHZ下的ESR見(jiàn)下表：Cjurvfll 6.3V閒 * 總】0 pFh 創(chuàng) V. 1COV.ESRr ：ypcaJ3l?e'C lOOKE2.不連續(xù)導(dǎo)通模式（D.C.M）公式推導(dǎo)以上

11、所推導(dǎo)的公式是在連續(xù)導(dǎo)通模式（Contin uous Con duction Mode C.C.M）下操作的 Buck-Boost電路，也就是電感的電流恒高于零。它的物理意義是，電感的能量在（1-D）Ts的期間并未完全釋放。從圖上顯示，如果輸入與輸 出電壓不變，電感與電容值也固定的情形下，負(fù)載電流與電感的平均電流成正比，當(dāng)負(fù)載電流逐 漸減小時(shí)，電感的平均電流也會(huì)逐漸降低，低到電感在某一時(shí)段的瞬時(shí)電流為零。此時(shí)我們稱(chēng)轉(zhuǎn) 換器即將進(jìn)入不連續(xù)導(dǎo)通模式（Disc ontin uous Con duction Mode D.C.M）操作。也就是說(shuō), 電感的能量在充放之間，會(huì)將能量完全的釋出。其實(shí)影響C.

12、C.M./D.C.M.的因素不只是負(fù)載電流，以一個(gè)輸出電壓固定的穩(wěn)壓電路為例，切 換頻率，電感大小，輸入電壓與負(fù)載電流，都會(huì)影響轉(zhuǎn)換器的操作模式，前兩者在設(shè)計(jì)階段制定，后兩者才是實(shí)際應(yīng)用上主要的影響因素。于是C.C.M./D.C.M.存在一個(gè)以輸入電壓與負(fù)載電流的邊界線(xiàn)，在邊界上，恰好是電感電流碰到零的操作點(diǎn)。（邊界線(xiàn)將在后面講述）在D.C.M.的工作模式下，轉(zhuǎn)換器有著與C.C.M.不同的特性，一般將一個(gè)工作周期分成三個(gè)部 分：DJs - 開(kāi)關(guān)晶體導(dǎo)通期間D2T -開(kāi)關(guān)晶體被OFF且電感電流大于零期間DsTs - 開(kāi)關(guān)晶體被OFF且電感電流等于零期間。（1）在0到DiTs期間,即開(kāi)關(guān)晶體導(dǎo)通期

13、間，電感上依舊跨著輸入電壓，電感的電流也是線(xiàn)性上升，只不過(guò)是從零點(diǎn)上升。在開(kāi)關(guān)晶體ON期間，即0蘭t蘭DiTs，VL（t）二Vi（2.10）iL（t） =iL（0）+ + 認(rèn)（）dTVL（t）V。（2.13）（2.11）在tD1TS時(shí),igTsVVOTs（2.12）（2）當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體被OFF且電感電流大于零時(shí), DJs 蘭 t 蘭（D1+ D2）Ts ，二級(jí)體順偏,iL（t）= iL（D1Ts）+ L jdt vlC ）dTL DVs(2.14)= iL(D1Ts) - VodTs)當(dāng) t = (Di + D2)Ts 時(shí),iL(D D2)Ts= iL(D1Ts)-VoDTs= 0(2.15 )（

14、3）由（2.14 ）可以看出，電感的電流以一個(gè)斜率下降，當(dāng)電流降到零時(shí)，二極體不再導(dǎo)通, 負(fù)載所需的能量不再由電感提供，將由輸出電容負(fù)擔(dān)。這時(shí)電感電流為零，電感的電壓也為零，我們稱(chēng)此轉(zhuǎn)換器已工作在DsTs期間，Ds = 1- D1 - D2 0（Di + D2）Ts蘭t蘭T期間,VL(t) = 0(2.16 )iL(t)= 0由2.12與2.15可得,(2.17)Vl D1Ts = VoD2Ts（2.18 ）（2.18 ）依舊是磁性元件“伏-秒平衡”式子，如果由負(fù)載電流的角度（負(fù)載電流連續(xù)期間） 來(lái)看，其大小恰等于通過(guò)二極體電流的平均值，也就是I ,0I O2 .（DJs）。2 ,（面積公式）

15、由（2.15 ）可得iL(D1Ts) =VoD2TsL ，所以Io®2L(2.19)其中R為負(fù)載電阻值，將（2.18 ）化簡(jiǎn)，得到D2得關(guān)系式,D22LRTs(2.20)代入(2.18)得,DiVoViD2(2.21 )由以上得推導(dǎo)得知，在D.C.M.工作的時(shí)候，工作周期Di與負(fù)載的輕重有關(guān)（2.20 ），這個(gè)現(xiàn)象與C.C.M.是不同的。從以上分析推論知（2.21 ）:輸入電壓低，切換頻率高，電感大，負(fù)載電流大都有將轉(zhuǎn)換器推向C.C.M.的趨勢(shì)，這從公式推導(dǎo)和電路物理意義，都容易得到。現(xiàn)在如果將切換頻率Ts，電感值L與輸出電壓Vo固定，則可以得到一條代表C.C.M.與D.C.M.的邊

16、界曲線(xiàn)公式:由（2.21 ）得D2D2DiViVoD2D2 + D1ViD2 + D1ViVi + Vo，iLS(t)=O(2.26)代入（2.19 ），得(2.22 )VoTsVi22L Vi2這條曲線(xiàn)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器與分析轉(zhuǎn)換器的工作范圍都很重要，設(shè)計(jì)就是依此曲線(xiàn)設(shè)計(jì)。（4）電路曲線(xiàn)三、Flyback轉(zhuǎn)換器工作原理Flyback不同于Buck-Boost的地方，僅在于將電感器衍生成一個(gè)“耦合電感”，也就是俗 稱(chēng)的“變壓器”，但不同于一般變壓器，耦合電感“實(shí)實(shí)在在”的存儲(chǔ)能量，不只是變壓器的磁 化能量。就是因?yàn)閷㈦姼凶兂神詈想姼?，所以可以將?/次級(jí)隔離，而且利用匝數(shù)比的控制，使轉(zhuǎn)換 器的工作點(diǎn)

17、設(shè)計(jì)更有彈性。另外，多組輸出的應(yīng)用更簡(jiǎn)單容易。公式推導(dǎo)和Buck-Boost幾乎一樣，為更接近實(shí)際情況，將二極體順向壓降考慮進(jìn)去（在低 輸出電壓時(shí)相差很大）。1ft（一）先推導(dǎo)C.C.M.的工作情形（1）在開(kāi)關(guān)晶體ON期間，即0十DTsVlp (t)二 Vi(2.23)iLP (t)= iL P(0) +LPt0Vlp C )dTl p(0) + 廣LP(2.24 )此時(shí)，二極體反偏不導(dǎo)通，負(fù)載電流全部由輸出電容提供。VLS(t) =Np(2.25)在t = DTs時(shí),VI DTsLPiLP(DTs)=iLP(0)+ s(2)當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體OFF時(shí)，二極體順偏,DTs乞t蘭Ts(2.28)VLS

18、(t) = Vo + Vd )iLs(t)=iLs(DTs)+LLstItsVlsU 炒Npj(7。»)(DTs)"P(DTs)Ls(2.29 )其中 iLs(DTs)Np N"i LP(DTs)就是“變壓器公式”得到的。對(duì)應(yīng)到初級(jí)側(cè)，可以得Vlp (t)=NpNs(2.30)(2.31 )iLP (t)=當(dāng)t = Ts時(shí),(2.32)iLs(Ts)塔iLp(DTs)-VOnNsLsNs由( 2.27 )和心(0)= 土 30)，所以Np . Npzc VI DTs_ . /c丄 Np ViDTs NsLp礙Lp( DTs)【iL p(0)+p = iLs(0)N

19、p ViDTs因?yàn)?i LS (Ts ) " i LS (0)所以,Vo(1- D)TsNsLpLs因?yàn)閂iD 晉(Vo + Vd)(1-NsD)(2.33)Np (Vo+Vd) D1- D或 NsVi(2.34 )就是C.C.M.中輸出/輸入電壓關(guān)系式。(2.34 )(3)電路波形+ 7。1。ONOFFLSId觀察各元件的電壓與電流波形，除了耦合電感的特性外，F(xiàn)lyback電路確實(shí)與Buck-Boost電路完全類(lèi)似，電流的導(dǎo)通模式都完全一樣。(二) D.C.M公式推導(dǎo)(1)在 t D1Ts 時(shí),iLP( DSsLp(2.37)對(duì)應(yīng)到次級(jí)側(cè),NsVLSCVI(2.38 )iLS(t)

20、= O(2)當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體被OFF的瞬間，二極體順偏,(2.39)WTs)晉 V|D1TsNsLp=Ns V1D1TS-NpLs在次級(jí)側(cè)電感電流大于零期間,DJs蘭t 蘭(Di + D2)TsVLs(t)= -(Vo + Vd)1iLs(t)= iLsQTs) +LsDiTsVlsU 炒Ns Vi D1TS(Vo + Vd )(t - D®Np LsLS(2.42)在 t = (Di + D2 )Ts 時(shí),i LS (Di+ D2)Tsk0 ，所以(2.42)變成NVQTs = (Vo +Vd)D2TsNp(2.43)同樣可以得到“伏一秒平衡式”。由(2.42)可以看出，電感的電流依一個(gè)

21、斜率下降，當(dāng)電流 降到零時(shí)【t = (Di + D2)Ts】，電感的能量已消耗殆盡，二極管不再導(dǎo)通，負(fù)載所需的能 量不再由電感提供，轉(zhuǎn)由輸出電容負(fù)擔(dān)，這時(shí)電感的電流為零，相對(duì)電感的電壓也為零，我們稱(chēng) 工作在DsTs期間。 D3 = 1 - Di - D2，(2.44 )(2.45 )VLP(t)= VLs(t)二 0iLP (t)MLS (t)=0負(fù)載電流大小恰為通過(guò)二極體電流的平均值，也就是lO VO2R 申S(D1Ts"(V宀。)D2Ts2Ls(2.46)其中，R為負(fù)載電阻值，將(2.46 )化簡(jiǎn)，可得關(guān)系式j(luò)(Vo +Vo)Ts，由(2.43)可得，D12IoLsN P VoV

22、dNsViD2由以上的推導(dǎo)可知，在D.C.M.工作的時(shí)候，工作周期(C.C.M.是不同的。Di)與負(fù)載的輕重有關(guān)，這個(gè)現(xiàn)象與(4)電路波形Np：NsrNp(5) C.C.M.與D.C.M.的分界線(xiàn)如果將匝數(shù)比、電感值、切換頻率與輸出電壓固定，可推導(dǎo)出一條代表C.C.M.與D.C.M.的分界線(xiàn)公式：NsVi1Ts(Vo+Vd)Npr2Ls 【;嚴(yán)Vi + (V。+ Vd )NpC.C.M與D.C.M.臨界線(xiàn)時(shí)電路波形:IqIdNp：NsM-Vo C >RVp化+5)00LP四、FLYBACK電路改進(jìn)形式進(jìn)的 flyback topo log電路一（一）電路如下:ViOEO-49191-01

23、4:17 EE42/30 CarePC4)NL廠-24VdcCT200J3E43 Drv30 KHz10 ohm-VW10 ohm0S6-00041-00Al RHRPg 舀 D088-21004-00SOA/IOOVVo+330 V deVciII040j-00205-00 i lOftuF/UOVII1(二) Imp roved Fly-Back 輸入輸出關(guān)系Inp ut: 24VDC ； Out put: 330 VDC /500W根據(jù)Imp roved Fly-Back電路工作原理，在Fly-Back電路穩(wěn)定工作時(shí)（運(yùn)行工況：C.C.M.），推導(dǎo)輸入輸出電壓 V、Vo與導(dǎo)通比D變壓器匝數(shù)比n （ Ni / N2）的關(guān)系；計(jì)算電容兩端電壓VcI1ViL1DT(1)I2八C(1-D)TL2I1N2N1V| + (Vo - Vc) n=Vc由以上四個(gè)方程聯(lián)立求解，可以得到,V, + nVon+ 1Dn(Vo-Vi)V, + nVoLi（備注：I理論計(jì)算結(jié)果:由 Vi = 24V、Vo = 330V、n = 4 / 17 可得:D = 71.2%Vc = 83.2 V實(shí)際測(cè)試結(jié)果：D = 75%Vc = 82 V（三）電路