电子设备的供电往往采用高频开关电源来实现。单端反激式隔离开关电源常常用于消耗功率不超过100W的电子设备。虽然这类开关电源的电路形式有所不同,但是电源的基本结构和工作原理是类似的,其中的脉冲变压器在开关电源中起着能量储存、传递、释放的重要作用,正确的设计、制作和调试是电路能够正常工作的基础。对于提高电磁兼容性、提高效率、增强可靠性和稳定性等方面都是极其重要的。

　　1 脉冲变压器的作用和工作方式

　　开关电源中的脉冲变压器起着极其重要的作用。首先,通过它实现电场能-磁场能-电场能的能量转换,按照负载需要的功率实时、动态地将提供的各种交直流供电电源功率变换为设备所用的直流电源功率,为负载提供稳定直流电源的目的;其次,实现变压作用,通过脉冲变压器的初级绕组与多个次级绕组可以输出多组不同的电压值,为不同电路单元提供能量;再者,实现传统电源变压器的电隔离作用,将“热地”和“冷地”隔离,避免触电事故,保证用户端的安全。

　　单端反激式隔离脉冲变压器能量传递方式有两种。第一种是完全能量传递方式:即在每个开关周期内存储在脉冲变压器初级绕组中的能量必须保证完全通过次级绕组向负载释放掉;第二种是不完全能量传递方式,即在开关周期内储存在变压器初级绕组中的能量,不全部通过次级绕组向负载释放完毕,而保留一定的能量,脉冲变压器只是在每个周期内从供电电源侧吸收负载所消耗的能量。

　　根据脉冲变压器在电场能-磁场能-电场能的能量传递中初、次级电流的特点,又分为三种工作方式:即非连续工作方式、临界工作方式和连续工作方式,前两种为完全能量传递方式，后者为不完全能量传递方式。脉冲变压器工作方式直接决定着开关电源电路中的各种参数(包括变压器本身和电路各种元器件的参数),决定着开关电源将供电电源功率变换为负载功率的全过程。

　　典型单端反激式隔离开关电源电路如图1所示,脉冲变压器TR包括初级绕组N p、次级绕组N s1、N s2和辅助电源绕组N b,通过图中变压器绕组N s1、N s2和N b同名端极性的标注,可以看出它是反激形式的脉冲变压器。VMOS功率开关管VT受PWM控制器IC1的驱动,R S为初级绕组充电电流峰值检测电阻,次级的负载有两路直流输出,分别为U O1和U O2,辅助绕组所产生的直流电压U b供给PWM控制器。主输出直流电压U o1通过电阻R及光耦IC2及稳压二极管VDZ实现电压反馈控制。当VT导通期间,TR的初级绕组电流增加并开始充磁,其两端的自感电动势极性为上正下负,感应到次级绕组自感电动势的极性为上负下正,使次级各个整流二极管截止;当VT截止时,突然切断了初级绕组的电流,根据电感电流连续的原理,初级绕组的电流仍要维持原流动方向,向VT的漏、源极之间的等效输出电容充电,并与等效电感发生频率很高的谐振,立即使初级绕组两端自感电动势的极性变为上负下正,感应到次级绕组自感电动势的极性也立即翻转变为上正下负,则次级各个整流二极管VD1、VD2和VD3由截止变为导通,TR初级绕组储存的磁场能量通过互感耦合到各个次级绕组,由各个次级绕组分别通过整流二极管向直流负载提供能量。在这个过程中TR导通期间的初级绕组通过充磁将电场能量转换为磁场能量储存起来,TR截止期间再通过次级绕组释放将磁场能量转换为电场能量。从能量守恒的角度看,每个开关周期内TR充磁、去磁的能量应该是相等的,也就是说,在每个开关周期结束时,磁芯的磁通应该恢复到原始状态,这就是磁通复位。TR初、次级电流及磁通波形如图2所示。

　　式中Np、Ns为初、次级绕组的匝数,L s为次级绕组的电感量,U o为输出直流电压,U Ds为次级整流二极管的正向压降。当到达t 2时刻一个开关周期T结束,VT重新导通。在t 2时刻变压器剩余的磁场能量有三种可能:第一种,变压器还储存一定的能量,称作连续工作方式;第二种,变压器储存的能量刚好释放完毕称作临界工作方式;第三种,在t 2时刻之前变压器储存的能量已经释放完毕,称作非连续工作方式。

　　2 脉冲变压器三种工作方式分析

　　2.1 连续工作方式

　　图2中的TR在t on期间储存能量,在t off期间向负载释放能量,当到达t 2时刻,变压器储存的磁场能量没有完全释放掉。在新的一个开关周期开始时,初级绕组的充电电流初始值不会为零,而出现一个电流台阶值。此后,每一次VT导通,相应的初级绕组充磁电流都会从电流台阶值开始线性上升。根据能量守恒定律,TR在每个开关周期内应该满足充磁能量等于去磁能量的恒等关系,这样就保证了开关电源的正常工作,即

　　ΔWmag=ΔWdem

　　ΔW mag为充磁能量,ΔW dem为去磁能量。在TR初级绕组充磁过程中,随着初级电流ip的增大,磁芯中的磁通从Φ1增大到Φ2;去磁过程中,随着次级电流的衰减,磁芯中的剩磁也在下降,磁通由Φ 2返回到Φ1的原来位置,实现磁通复位。这种工作方式下,直流输出负载R L两端的电压U o等于

　　式中的δ 是占空比(δ =t on/T ,0<δ <1),开关电源在连续工作方式下,当输入电源电压波动使E i随之波动或负载电流变化时,通过PWM控制电路相应动态地改变占空比δ 的数值就可以连续输出稳定的直流电源电压。

　　2.2 非连续工作方式

　　图3所示的工作方式下,TR在t on期间储存的能量,在t off期间的t 2时刻到达之前,向直流负载释放能量的过程已经提前结束,TR储存的磁场能量提前恢复为零。在t off开始的阶段,通过互感由TR次级向直流负载释放能量,次级绕组电流线性下降,当到达t 2′时(t 2′ ′<t 2),TR初级绕组所储存的磁场能量已经释放完毕,在t 2′～t 2期间,次级整流二极管也处于截止状态,负载所需要的直流电源由并联在其两端的滤波电容器C的放电来维持。在这个阶段开始的时候(t 2′)磁芯的磁已经回到0,实现磁通复位。这种方式下直流输出负载R L两端的电压U o等于

式中fs为电源的开关频率,R L是直流负载电阻。可以看出当电源相关参数确定后,输出直流电压U o的数值不仅与E i有关,还与输出端的负载R L的大小有关,R L越大即负载越轻,输出的直流电压越高;而R L越小即负载越大,则输出的直流电压越低。如果R L过大,负载过轻就会形成过高的直流输出电压,这种高压将直接威胁着相关电路耐压值有限的元器件,严重时会造成击穿损坏。因此这种工作方式下的开关电源是绝对不允许将直流输出端开路的!通常在负载R L两端应该额外并联一个阻值较大的电阻作为假负载。

　　2.3 临界工作方式

　　图4表示了这种工作方式下的电流及磁通波形图。TR在t on期间储存的能量,在t off期间释放能量,储存与释放的能量刚好相等。根据能量守恒定律,TR完全满足在每个开关周期内充磁能量等于去磁能量。此后,磁芯的磁通每次都从零开始上升,保证了磁通复位。这种方式下直流输出平均电流的临界值I OB严格按照下面公式来确定:

　　如果输出平均电流大于I OB，则电源工作在连续方式;如果输出平均电流小于I OB，则电源工作在非连续方式。因为连续工作方式与非连续工作方式输出直流电压的表达式截然不同，开关电源电路的各个元器件参数是确定的，在交流电源电压波动以及负载大小变化时，很难保证电源在整个工作期间准确地工作在临界工作方式下。因此，在设计开关型稳压电源时一般不采用临界工作方式。

　　3 不同工作方式下反激式开关电源的比较

　　非连续工作方式和连续工作方式的单端反激式开关电源,有着不同的特点,工作过程不一样,下面分别进行分析。

　　3.1 连续工作方式的特点

　　在连续工作方式下,稳定的直流输出电压调整方便,VT导通的初始电流不为零,电流变化的斜率di/dt较小,相应充磁结束时的峰值电流也小,因此VT导通时的损耗就小,降低了对VT的要求,这就需要TR初、次级绕组的电感量相对大一些,其结果会使各个绕组的圈数较多,变压器体积较大,分布电容和漏感也相对大一些。特别是由于PN结存在反向恢复时间t rr,这种连续工作方式下,在t off结束时刻,次级整流二极管放电电流不为零,它由正向导通不会立即变为反向截止,所以会有功率开关管VT与次级整流二极管VD同时导通的现象,电流在TR的初、次级流动,形成一个电流交叉区,增加了额外损耗;同样在t off结束时刻,功率开关管的栅极激励已经消失,VT由导通转为关断,同时次级整流二极管由截止变为导通,这也会形成一个短暂期间的电流交叉区,也会增加损耗。最严重的是这种工作方式下，TR存在剩磁,理论上应该保证每一个周期结束时磁通都恢复为常量Φ 1，但是实际由于磁芯存在铁损，线圈铜线绕组存在铜损，不可避免会由于温度的升高可能使得Φ 1发生偏移，其结果可能使磁通不能复位，很快就会使磁通变化(往往是增大)进入非线性区域，脉冲变压器的初级电感量L p减小，电流值增大，形成恶性循环，最终导致开关电源损坏。当利用拉普拉斯变换确定系统传递函数时，s复平面的右半平面有一个零点，很容易造成系统不稳定。因此作为一般的单端反激式隔离开关电源，很少有人采用这种连续工作方式。

　　3.2 非连续工作方式的特点

　　非连续工作方式下，在VT开始导通时由于变压器剩磁已经提前变为零，因此初级绕组充磁起始电流为零，电流di/dt 变化的斜率较大,同样峰值电流相应较大，因此VT的损耗就大，但是TR初、次级绕组的电感量相对小一些，线圈的圈数较少，变压器体积、分布电容和漏感就小。这种工作方式的优点比较多，最突出的是在t off结束之前次级整流二极管已经截止，VT重新导通的瞬间不会形成电流交叉区，因此损耗明显减小。其次，由于在每个周期结束时，磁芯的剩磁为零即磁通也为零，绝对保证了磁通复位，磁通变化呈现重复性，也适合长时间在温度波动的恶劣环境下工作。

　　虽然这种方式直流输出电压U 的大小与输入电压E i及负载R L的变化有关,但是只要保证在直流输出端不开路,利用负载电路本身或假负载电路对输入电压或负载电流的突然变化反映迅速的特点,采用稳定性很好的双环路反馈,输出直流电压隔离取样反馈外环路与初级绕组充磁峰值电流取样反馈内环路控制系统,就可以在每一个周期时间内对前一个周期对应的直流输出电压值和初级绕组充磁峰值电流值,通过开关电源的PWM脉冲宽度调制器,迅速地调整脉冲占空比δ ,达到使输出的直流电压稳定的目的。同样利用拉普拉斯变换确定系统传递函数时,使系统的零、极点全部在s复平面的左半平面内,系统十分稳定。但是这种方式的开关电源对各个元器件的参数要求较高,VT允许的峰值电流应该是前者的2～3倍,耐压值也要比前者高许多,为了防止出现磁通饱和还需要对TR的磁芯进行精细的气隙研磨处理，由于功率开关管关断的瞬间会有一个较大的瞬态峰值电压脉冲，需要一个DLC网络来吸收，这类电源充磁电流的di/dt 较大，会在直流负载的地线上形成比较大的尖峰噪声，为此需要较大的滤波电容，为了减小铜损，要求TR绕组采用多股导线并联绕制形式。特别要在考虑电磁兼容性问题时，还要对电路的布线和对电源的屏蔽作精细的处理，增加一些辅助措施。

　　4 结束语

　　虽然非连续工作方式的单端反激式隔离开关电源对元器件的参数指标及一些技术处理要求较高,但是与连续工作方式比较起来,其优点更多,尤其是其可靠性和稳定性要远远高于后者。随着开关电源技术的成熟和与之配套的元器件技术指标的不断提高,实际上目前绝大多数单端反激式隔离开关电源都采用非连续工作方式。

　　参考文献

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　　作者简介

　　李永刚,首都师范大学信息工程学院电子信息工程系主任,副教授,硕士研究生导师。【红尘有你】