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反激式開(kāi)關(guān)電源電路的基礎(chǔ)知識(shí)

張飛電子實(shí)戰(zhàn)營(yíng) ? 來(lái)源:電路一點(diǎn)通 ? 2025-04-02 09:15 ? 次閱讀

在硬件面試經(jīng)典中的第 86 題中提到的反激式開(kāi)關(guān)電源,是通過(guò)開(kāi)關(guān)通斷將交流轉(zhuǎn)變成直流的 AD-DC 開(kāi)關(guān)電源的一種,并且反激式開(kāi)關(guān)電源是由 BUCK-BOOST 電路演變而來(lái),所以博客由淺入深一步一步講解完反激式開(kāi)關(guān)的知識(shí),讓我們開(kāi)始吧!

一、升降壓電路( BUCK-BOOST 電路)

在博客DC-DC基礎(chǔ)知識(shí) + 硬件電路_dcdc電路-CSDN博客中介紹了升壓(BUCK)和降壓(BOOST)電路,但是沒(méi)有介紹升降壓電路(BUCK-BOOST電路),現(xiàn)在簡(jiǎn)單介紹如下。

1.1電路簡(jiǎn)介

電路結(jié)構(gòu)如下圖,電路圖由以下部分組成:

MOS 管:開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)。接受PWM波形信號(hào),高電平管子打開(kāi),低電平管子關(guān)閉。

電感 L :充放電。吸收電源的能量,并向后級(jí)電路釋放。

二極管 D:指定電流的流向。

電容e45ab84a-0c8d-11f0-9310-92fbcf53809c.png:平滑輸出電流。

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圖1.1 BUCK-BOOST 電路原理

1.2 MOS 管打開(kāi)

當(dāng)在 PWM 波高電平時(shí),MOS 管打開(kāi),電源給電感充電,在電感上形成上上正下負(fù)的電壓。

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圖1.2

1.3 MOS 管關(guān)閉

當(dāng)在 PWM 波低電平時(shí), MOS 管關(guān)閉,電感上的電源突然撤走,電感上感應(yīng)出與電源供電方向相反的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),形成如下圖的電流方向給負(fù)載供電。

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圖1.3

1.4電路說(shuō)明

1.4.1升降壓

BUCK-BOOST 電路輸入輸出存在公式(理想公式):

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其中 D 為 PWM 波的占空比,就是通過(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)升降壓:

當(dāng)需要升壓時(shí) ,調(diào)大占空比,讓電感可以吸收更多的能量,增大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);

當(dāng)需要降壓時(shí),調(diào)小占空比,讓電感不吸收很多的能量,減小感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

1.4.2注意

上述介紹的電路是最簡(jiǎn)單、最理想的 BUCK-BOOST 電路,只是為了說(shuō)明一下電路原理,有很多問(wèn)題都沒(méi)有說(shuō)清楚,如:

如果供電電源負(fù)極是地的話,那么在電路圖上二極管正極那一點(diǎn)的電壓其實(shí)是負(fù)電位,需不需要抬高?

供電電源如果是電池或者輸出沒(méi)有達(dá)到預(yù)期,需不需要添加輸出到 PWM 波控制電路的反饋?

BUCK-BOOST 電路原理很久就提出了,有沒(méi)有好用、簡(jiǎn)單的芯片?怎么選擇?等等

在硬件面試經(jīng)典中的第 86 題目給出的電路圖,其實(shí)就是將上述的 BUCK-BOOST 電路圖中的電感換成了變壓器,我們逐步來(lái)展開(kāi)介紹。

二、手機(jī)充電器原理

2.1初代電源原理

下面是最初代手機(jī)充電器的原理,最終可以得到輸出穩(wěn)定的 5V 電源給手機(jī)充電。

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圖2.1

但是這種手機(jī)充電器很少被使用,原因:

線性電源功率密度低;

發(fā)熱嚴(yán)重;

體積大。

2.2現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源原理

其中仍然有全橋整流電路和變壓器,但排列位置發(fā)生了變化,同時(shí)原來(lái)的 LM7805 被一顆 MOS管和控制芯片取代。

看到下面的電路,就發(fā)現(xiàn)和最開(kāi)始的 BUCK-BOOST 電路的相似之處了。

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圖2.3

產(chǎn)生了一個(gè)方波加在了變壓器的左側(cè)繞組上,在變壓器的右側(cè)繞組上感應(yīng)出另一個(gè)比較小的電壓,經(jīng)過(guò)濾波,就輸出 5V 的直流電 (后面會(huì)詳細(xì)講解)。

2.3比較兩個(gè)電路

2.3.1變壓器體積更小

第一個(gè)電路中 220V 的交流電被直接送入變壓器,然后輸出經(jīng)過(guò)整流濾波就變成了直流電;

第二個(gè)電路就比較麻煩了,先把 220V 的交流電整流濾波變成直流電,然后將直流電轉(zhuǎn)變成方波才送入變壓器中,最后輸出直流電。

之所以弄得這么麻煩,就是為了減小體積和減少發(fā)熱。

最初的 220V 交流電頻率只有 50HZ,而送入變壓器的方波頻率可達(dá) 65KHZ 甚至更高,頻率更高的好處就是可以使用更小的變壓器。

為什么更高頻率的信號(hào)就可以使用更小尺寸的變壓器?

1、變壓器的基本原理

變壓器的大小主要取決于其鐵芯和繞組的尺寸,而這些尺寸與變壓器要傳輸?shù)墓β屎皖l率有關(guān)。對(duì)于給定的功率輸出,鐵芯的大小(體積)決定了變壓器能否有效傳輸和轉(zhuǎn)換能量,而繞組的線圈數(shù)量影響了感應(yīng)電壓的多少 公眾號(hào)@電路一點(diǎn)通。

2、頻率與變壓器尺寸的關(guān)系

磁通密度與頻率:在變壓器中,磁通密度(磁場(chǎng)在單位面積上的強(qiáng)度)與施加的交流信號(hào)頻率成反比。較高的頻率意味著磁通在單位時(shí)間內(nèi)變化更快,因此在相同的磁通密度下,鐵芯每周期只需要承受較少的磁通變化量。這就意味著使用高頻率時(shí),可以用較小的鐵芯而不會(huì)達(dá)到鐵芯飽和的情況。

鐵芯材料的利用效率:高頻信號(hào)下,變壓器的鐵芯材料在高頻下的利用率更高。換句話說(shuō),在高頻率條件下,可以用更少的鐵芯材料(即更小的變壓器)來(lái)傳輸相同的能量。

3、高頻率的其他優(yōu)勢(shì)

繞組匝數(shù)減少:在高頻條件下,由于每周期的時(shí)間較短,可以用較少的匝數(shù)來(lái)達(dá)到所需的感應(yīng)電壓。這進(jìn)一步減小了繞組的尺寸和重量。

變壓器的電感和電容效應(yīng):在高頻條件下,變壓器的電感效應(yīng)更為明顯,而漏電感和分布電容的影響相對(duì)變小,這樣可以設(shè)計(jì)更緊湊和高效的變壓器結(jié)構(gòu)。

2.3.1開(kāi)關(guān)電源取代線性電源

由 MOS 管輸出的受控方波,就可以添加反饋回路至控制器通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)方波的占空比來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。

以上方案替換掉 LM7805 穩(wěn)壓器,是由于 LM7805 穩(wěn)壓器是線性穩(wěn)壓器,效率低,發(fā)熱嚴(yán)重。

1. 線性穩(wěn)壓器的工作原理

線性穩(wěn)壓器通過(guò)連續(xù)調(diào)整其內(nèi)部的電阻來(lái)維持穩(wěn)定的輸出電壓。當(dāng)輸入電壓高于所需的輸出電壓時(shí),線性穩(wěn)壓器通過(guò)將多余的電壓轉(zhuǎn)化為熱量的方式來(lái)降低電壓。這是線性穩(wěn)壓器工作的基礎(chǔ):

簡(jiǎn)單的等效電路:線性穩(wěn)壓器可以被簡(jiǎn)單地等效為一個(gè)可變電阻(或三極管)與負(fù)載串聯(lián)。當(dāng)輸入電壓升高時(shí),穩(wěn)壓器會(huì)增加其內(nèi)部電阻,以確保輸出電壓保持恒定。

能量轉(zhuǎn)換:任何超過(guò)輸出電壓需求的能量都被轉(zhuǎn)化為熱量在穩(wěn)壓器上消耗掉。這意味著線性穩(wěn)壓器的效率主要取決于輸出電壓和輸入電壓之間的差異。

2. 開(kāi)關(guān)電源的工作原理

開(kāi)關(guān)電源通過(guò)高速開(kāi)關(guān)元件(如MOSFET)打開(kāi)和關(guān)閉,以控制輸入電壓和輸出電壓之間的能量傳遞。開(kāi)關(guān)電源通過(guò)儲(chǔ)能元件(電感和電容)將電能轉(zhuǎn)換和傳輸。以下是開(kāi)關(guān)電源的關(guān)鍵特點(diǎn):

高頻開(kāi)關(guān):開(kāi)關(guān)電源工作在高頻狀態(tài)下(通常在幾千赫茲到幾兆赫茲范圍)。高速開(kāi)關(guān)使得輸入電壓被切割成高頻脈沖信號(hào),然后通過(guò)變壓器或電感進(jìn)行能量傳遞和轉(zhuǎn)換。

高效能量轉(zhuǎn)換:由于開(kāi)關(guān)元件(MOSFET)在完全導(dǎo)通或完全截止時(shí)工作,理想狀態(tài)下幾乎沒(méi)有能量損耗。能量只是在電感和電容之間轉(zhuǎn)移,因此能量損耗很小,轉(zhuǎn)換效率可以高達(dá)80%-90%以上。

2.4開(kāi)關(guān)電源

開(kāi)關(guān)電源其實(shí)是一大類電源的統(tǒng)稱,它們的相同之處就是都有 MOS 管構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電路來(lái)產(chǎn)生 PWM 波,最后通過(guò)整流濾波來(lái)輸出電壓。不同之處就是每一種類型的電路有著完全不用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),有一些里面有電感,有一些里面是有變壓器,不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于不同的使用場(chǎng)景,有的適合 100W 以內(nèi)的電源,有的適合做隔離,有的適用于可調(diào)輸出的場(chǎng)景。

上面介紹的現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源的名稱為反激電源,是因?yàn)樵?a href="http://www.wenjunhu.com/soft/data/4-5/" target="_blank">電源電路中的變壓器兩個(gè)繞組繞制方向是相反的,該電源有隔離的功能,但是支持的功率并不高,大量使用在 ADCD 的電源中,生活中所見(jiàn)的 100W 功率以內(nèi)的電源大多是都是反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

三、反激電源原理

正式進(jìn)入到反激式開(kāi)關(guān)電源的原理,這一節(jié)會(huì)制作 220V 轉(zhuǎn) 5V/2A 輸出的開(kāi)關(guān)電源。

3.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在圖 2.3 中其他部分都介紹清楚了,除了在上面埋下了一個(gè)坑:副級(jí)繞組上是怎么感應(yīng)出一個(gè)較小的電壓的?

其實(shí)反激電源最關(guān)鍵的部分就是這個(gè)變壓器,在之前的刻板印象中:

一般只有交流的正弦波可以穿過(guò)這個(gè)變壓器,并且輸入輸出電壓比就是變壓器的匝數(shù)比。

而只有正電壓的方波穿過(guò)變壓器是整個(gè)架構(gòu)中最精巧的部分。

3.1.1當(dāng) MOS 管從關(guān)閉到打開(kāi)時(shí)

有變化的電流流入到主繞組,從而在鐵芯中感應(yīng)出一個(gè) 變化的磁場(chǎng),變化的磁場(chǎng)會(huì)在副繞組中感應(yīng)出電壓,由于兩個(gè)線圈纏繞方向相反,故上正下負(fù)的電壓會(huì)在另一邊感應(yīng)出一個(gè)上負(fù)下正的電壓。

由于在副邊添加了一個(gè)反向二極管,故此時(shí)的電壓不能導(dǎo)通,故在副邊其實(shí)沒(méi)有電流。

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既然沒(méi)有電流,可以當(dāng)做副邊的電路不存在,所以此時(shí)的變壓器的初級(jí)線圈可以等效成一個(gè)普通的電感,電流流入電感就存儲(chǔ)能量。

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3.1.2當(dāng) MOS 管從打開(kāi)到關(guān)閉時(shí)

當(dāng) MOS 管關(guān)閉,電感(初級(jí)線圈)上的電源突然被撤走,電感(初級(jí)線圈)會(huì)感應(yīng)出來(lái)的上負(fù)下正的電壓來(lái)阻止突變,也就是說(shuō)在這個(gè) MOS 管關(guān)閉瞬間,初級(jí)線圈兩端的電壓會(huì)瞬間從上正下負(fù)變?yōu)樯县?fù)下正。

這個(gè)電壓會(huì)正好在次級(jí)線圈中感應(yīng)出一個(gè)上正下負(fù)的電壓,此時(shí)符合二極管的導(dǎo)通方向,副邊的電路中就有了電流。該電流一部分給電容充電,維持輸出電壓的穩(wěn)定,另一部分給后級(jí)的負(fù)載供電。

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同時(shí)這個(gè)過(guò)程又將初級(jí)線圈中存儲(chǔ)的能量給釋放出來(lái),能量釋放完之后再等待下一次 MOS 管打開(kāi)給它充電,如此就完成了一個(gè)循環(huán)。

3.1.3總結(jié)

以上就是反激式開(kāi)關(guān)電源的精髓所在,總結(jié)成一句話就是:

MOS 管打開(kāi)時(shí)給初級(jí)線圈儲(chǔ)能, MOS 管關(guān)閉時(shí),線圈將所儲(chǔ)能量釋放到次級(jí)線圈中。

輸出電壓的計(jì)算公式:

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3.2拓展電路

拓展的電路增加兩部分電路,分別是 RCD 電路和反饋路徑,如下圖所示。

3.2.1 RCD 電路

由于各種原因,MOS 管產(chǎn)生的 PWM 波存在較大的尖峰,圖下圖中藍(lán)色的波形圖,尖峰的存在很可能導(dǎo)致 MOS 管的燒毀,RCD 電路就是用來(lái)吸收這個(gè)尖峰的,尖峰產(chǎn)生時(shí),通過(guò)下圖中紅色的通路,迅速被電容吸收,并在剩余的時(shí)間里電容向電阻釋放自身能量,經(jīng)過(guò)這樣的循環(huán),尖峰就會(huì)被消減很多,確保 MOS 管的安全。

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3.2.2反饋路徑

反饋路徑用來(lái)監(jiān)測(cè)輸出電壓值:

輸出電壓 < 5V ,增加 PWM 的占空比;

輸出電壓 > 5V ,減小 PWM 的占空比;

按照常規(guī)的反饋電路設(shè)計(jì)思想,往往設(shè)計(jì)出的是兩電阻分壓反饋電路,如下圖:

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但是由于變壓器初級(jí)線圈側(cè)都是強(qiáng)電,不可以直接與輸出的 5V 弱電有電器連接,所以需要有隔離,故使用光電耦合電路來(lái)反饋電壓信號(hào)。公眾號(hào)@電路一點(diǎn)通

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整體電路,傳遞能量的為磁能,電壓反饋回去的能量為光能,原邊和副邊是完全隔離的。

3.2.3其他

所謂的 AC-DC 廣義上其實(shí)指的是只有整流橋和電容,這一部分是 220V 交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?310 伏的直流電,這部分才是真正意義上的 AC-DC。后面剩余部分其實(shí)是DC-DC,而反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)其實(shí)僅僅指的是DC-DC 這部分電路。

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3.3電路圖

3.3.1全橋整流電路

圖中為四個(gè)二極管組成的全橋整流電路,將交流電負(fù)半軸電路翻轉(zhuǎn)至正半軸,實(shí)際制造選擇了一個(gè)集成好的整流橋芯片,型號(hào)是 MB10F ,耐壓 1000V ,體積小巧,并且芯片內(nèi)部二極管一致性比較好。

MB10F 實(shí)物圖

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MB10F 原理圖與 PCB

3.3.2輸入電容

主要作用是濾波,將整流之后的“饅頭波”變成比較平直的波形。電容越大,波形就越平穩(wěn),但是受到成本與體積因素也不能無(wú)限制的增加電容。公眾號(hào)@電路一點(diǎn)通

一般會(huì)按照輸出功率配置電容,大致的標(biāo)準(zhǔn)為 2~3uF/W ,本次項(xiàng)目輸出位 5V/2A ,也就是 10W ,故選擇 33uF 的電解電容,并且電容的正極電壓高達(dá) 330V ,故電容的耐壓要求取 400V (保留裕量)。

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3.3.3 RCD 電路

主要用于吸收 MOS管上的尖峰電壓,防止 MOS 管被燒壞。既然是吸收尖峰電壓的,它的耐壓值也會(huì)比較高一些,老師選擇的是 FR107 ,是一顆耐壓 700V 的快恢復(fù)二極管,電阻、電容的取值先按照數(shù)據(jù)手冊(cè)推薦的來(lái)(電阻:150K 1206 ;電容:2.2uF 1206),后期會(huì)根據(jù)電路實(shí)際測(cè)試的波形進(jìn)行微調(diào)。

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3.3.4變壓器

變壓器的作用是將高壓變?yōu)榈碗妷?,同時(shí)起到一個(gè)強(qiáng)電弱電隔離的作用,變壓器是整個(gè)反激開(kāi)關(guān)電源的核心,但是不同于其他電子元器件可以直接購(gòu)買現(xiàn)成的產(chǎn)品,變壓器一般都需要定制,先給出最后設(shè)計(jì)出變壓器的參數(shù)如下圖。

詳情請(qǐng)見(jiàn) 3.5 變壓器的機(jī)關(guān)方法。

3.3.5輸出二極管

輸出二極管的作用是在原邊的 MOS 管打開(kāi)時(shí)截止住感應(yīng)出的反向電壓,并且這個(gè)電壓有可能會(huì)很大,所以這顆二極管的耐壓要求會(huì)比較高,一般要幾十伏。

同時(shí)在原邊 MOS 管關(guān)閉時(shí),它又需要承受一個(gè)比較大的輸出電流,所以這次我選擇的是 SB10100,耐壓 100V ,最大導(dǎo)通電流 10A 。

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這顆二極管兩端的電壓也會(huì)存在尖峰,所以也需要給它配置電容、電阻來(lái)吸收這個(gè)尖峰,取值也暫時(shí)按照數(shù)據(jù)手冊(cè)推薦值(電阻 22R ;電容 1nF )。

3.3.6輸出電容

輸出電容主要影響輸出紋波的大小, 選型時(shí)主要考慮兩個(gè)參數(shù):容值大小、ESR(電容寄生電阻),至于兩個(gè)參數(shù)的取值可以根據(jù)公式大致推算,但是一開(kāi)始比較簡(jiǎn)單的方法是一開(kāi)始就選擇兩顆差不多大小的電容,先放上去看看,然后再根據(jù)紋波的大小來(lái)調(diào)節(jié)電容的大小。

老師保守一點(diǎn),第一版選擇的是兩顆 680uF/45mΩ 的電容,這樣測(cè)量出的紋波大致 130mV 。

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如果想進(jìn)一步減小紋波,可以考慮在這兩顆電容之間加一顆電感,構(gòu)成一個(gè) CLC 網(wǎng)絡(luò),紋波就可以減小到 30mV ,如下圖。

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3.3.7電壓反饋電路

電壓反饋電路作用是向芯片反饋當(dāng)前的電壓值,從而讓芯片微調(diào) PWM 的占空比來(lái)穩(wěn)定輸出電壓,主要過(guò)程如下:

某時(shí)刻輸出低于 5V → 下圖中藍(lán)色原點(diǎn)的電壓降低 → TL431 試圖穩(wěn)定住該點(diǎn)的電壓 → TL431 所在通路上電流會(huì)減小 → 光偶中的發(fā)光二極管變暗 → 將電壓不足信號(hào)傳遞到了芯片內(nèi)部 → 芯片收到信號(hào)后增加占空比來(lái)抬高電壓。

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注意事項(xiàng):

(1)右側(cè)兩個(gè)電阻的取值會(huì)影響到輸出電壓,對(duì)應(yīng)的關(guān)系如下。

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(2)光耦需要選擇線性光耦,老師選擇的型號(hào)是 PC817A

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3.3.8主芯片

主芯片所涉及的電路如下圖所示:

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本項(xiàng)目老師選擇的芯片是 HE500-15,該芯片內(nèi)部集成了 MOS 管,PWM波產(chǎn)生電路以及反饋和保護(hù)電路,是一顆非常典型的反激芯片。這部分電路其實(shí)反而是最簡(jiǎn)單的,直接照著數(shù)據(jù)手冊(cè)抄就可以,簡(jiǎn)單介紹如下:

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(1)1 號(hào)引腳:接反饋

(2)2 號(hào)引腳:芯片的電源輸入。

單獨(dú)在變壓器上繞了一個(gè)線圈,通過(guò)二極管以及電容的整流濾波變成低壓直流電后給芯片供電。

(4)4 號(hào)引腳:MOS 管的漏極,接到變壓器的初級(jí)線圈。

(5)5 號(hào)引腳:MOS 管的源級(jí)。

接兩個(gè)采樣電阻,用來(lái)監(jiān)測(cè)輸入電流的大小。如果電流太大,就會(huì)觸發(fā)內(nèi)部的過(guò)流保護(hù)。

(6)6 號(hào)引腳:接地。

(7)7 號(hào)引腳:接過(guò)壓保護(hù)的分壓電阻,注意 7 號(hào)引腳接入的 VBUS 是在電路一開(kāi)始,整流后引出的 VBUS 電壓。

(8)8 號(hào)引腳:內(nèi)部比較電壓,接 47nF 的電容即可。

(以上序號(hào)存在一點(diǎn)問(wèn)題,但是老師就這么講了,我就順著他這么寫(xiě)了。)

以上電路是可以工作的,但是需要量產(chǎn)售賣的話,還需要假如一些保護(hù)器件和 EMI 器件,否則就只要讀懂?dāng)?shù)據(jù)手冊(cè)即可。

3.4 LAYOUT 要點(diǎn)

3.4.1走線順暢

下圖中藍(lán)色標(biāo)注出來(lái)的為主回流,電流大,故這兩條路徑走線要盡可能的短,不能繞彎。

e7a617e2-0c8d-11f0-9310-92fbcf53809c.png

主回流的原理圖

e7c89b82-0c8d-11f0-9310-92fbcf53809c.png

主回流的PCB圖(白線)

(我畫(huà)過(guò) PCB ,所以我可以理解老師大致的意思,沒(méi)有畫(huà)過(guò)的讀者,建議自己實(shí)操一遍。)

3.4.2電路隔離

初級(jí)和次級(jí)電路必須要做好隔離,如下圖,可以看到兩邊的地平面都是分開(kāi)的。

e7e90b7e-0c8d-11f0-9310-92fbcf53809c.png

3.4.3防干擾

芯片周邊的元件要盡離芯片近,尤其是反饋部分(上面橫向的矩形)的元件要遠(yuǎn)離干擾源。

e8047620-0c8d-11f0-9310-92fbcf53809c.png

3.5變壓器的計(jì)算方式

思考:變壓器輸入電壓和輸出電壓的比值就是主副線圈的雜數(shù)比。但是實(shí)際在制作一個(gè)變壓器,這兩個(gè)線圈到底應(yīng)該繞多少圈呢?10 圈和1 圈,以及 100 圈和 10 圈,它們都是 10: 1 的匝數(shù)比,那么它們之間會(huì)有區(qū)別嗎?我們又應(yīng)該用多粗的線去繞制這個(gè)變壓器呢?鐵芯又應(yīng)該如何選擇呢?等等,計(jì)算出變壓器的所有參數(shù)其實(shí)是制作手機(jī)充電器中最復(fù)雜的問(wèn)題。

說(shuō)明1:因?yàn)槲疫@個(gè)人比較較真,有點(diǎn)鉆牛角尖了,所以我可能會(huì)在博客里字里行間的表達(dá)沒(méi)有必要什么都鉆牛角尖的想法,表達(dá)產(chǎn)品需要一次一次迭代、參數(shù)計(jì)算沒(méi)不可能一次就完美實(shí)現(xiàn)的想法,如果正在看這篇博客的你沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題的話,略過(guò)就好了。

說(shuō)明2:設(shè)計(jì)該電源需要你對(duì)反激電源的原理有足夠充分的認(rèn)識(shí),但是一般的新人又不太了解反激電源的原理,所以就設(shè)計(jì)不出變壓器,那設(shè)計(jì)不出變壓器就做不出反激電源,不親自做一遍反激電源,你就不可能對(duì)反激電源的原理有充分的認(rèn)識(shí)。很多人都會(huì)在這個(gè)死循環(huán)中跳脫不出來(lái)了,破局的關(guān)鍵其實(shí)就是先別管理論,放下看不懂的知識(shí),公眾號(hào)@張飛電子電源研發(fā)精英圈用最簡(jiǎn)單的辦法先把反激變壓器給設(shè)計(jì)出來(lái)再說(shuō),然后再一步一步的迭代學(xué)習(xí)。

3.5.1確定匝數(shù)比

第一步需要根據(jù)下面的公式確定匝數(shù)比,其中需要講解的如下:e8355aba-0c8d-11f0-9310-92fbcf53809c.png

是指變壓器輸出(主繞組端)電壓的最小值,一般認(rèn)為 220V 交流電壓有效值最低為 185V ,經(jīng)過(guò)整流濾波之后電壓值乘以e8414000-0c8d-11f0-9310-92fbcf53809c.png。

e84d5f7a-0c8d-11f0-9310-92fbcf53809c.png:輸出二極管的導(dǎo)通壓降,一般為 0.7V 。

D:最大占比,一般取 0.4 。

綜上,可以計(jì)算出大致的匝數(shù)比為 30。

e86098b0-0c8d-11f0-9310-92fbcf53809c.png

看到這里不知道你會(huì)不會(huì)覺(jué)得這有點(diǎn)糊弄人,這些參數(shù)選取都非常隨意,比如說(shuō)二極管的導(dǎo)通壓降,有的可能是 0.6V ,包括最大占空比,那為什么非要是 0.4 呢?0.35 行不行?而一旦修改了這些值,最后的匝數(shù)比計(jì)算結(jié)果也就不是 30 了。

這其實(shí)也是反激變壓器設(shè)計(jì)時(shí)最麻煩的一件事,永遠(yuǎn)不可能一下子就得到最優(yōu)解,只要參數(shù)在一個(gè)差不多的范圍之內(nèi),最后設(shè)計(jì)出來(lái)的電源其實(shí)都是可以工作的,所以一開(kāi)始我們不需要糾結(jié)太多,包括公式是如何推導(dǎo)出來(lái)的,也不需要太在意,時(shí)刻記住我們今天的目標(biāo)就是先把第一個(gè)變壓器計(jì)算出來(lái)再說(shuō),后面再來(lái)迭代優(yōu)化。

3.5.2原邊電感

確定好匝數(shù)比之后,根據(jù)以下公式確定原邊線圈的電感值,其中需要解釋的部分如下:

(因?yàn)樵?MOS 管打開(kāi)時(shí),副邊就相當(dāng)于不存在,原邊就等效成一個(gè)電感,該電感值的大小就直接影響到紋波電流的大小。)

e883b426-0c8d-11f0-9310-92fbcf53809c.png:效率先取估算值為 75%。

e8937c26-0c8d-11f0-9310-92fbcf53809c.png:是指原邊電感接受到的頻率,也就是芯片的頻率 為 65KHZ。

e8a661b0-0c8d-11f0-9310-92fbcf53809c.png:輸出功率,5V/2A 故輸出功率為 10W 。

通過(guò)以上計(jì)算可得,原邊電感值約為 6.2mH 。

e8b9ada6-0c8d-11f0-9310-92fbcf53809c.png

3.5.3選定磁芯

磁芯的大小一般和輸出功率有關(guān),如下圖,因?yàn)榇判驹酱缶涂梢赃x用更粗的線,繞更多的線圈,具體選多大的磁芯更多的是經(jīng)驗(yàn)值。

e8dade54-0c8d-11f0-9310-92fbcf53809c.png

本次輸出功率為 10W ,又是第一次設(shè)計(jì)變壓器,穩(wěn)妥一些選大一號(hào)的 EE22,確定磁芯后就確定了磁芯額截面積,如下圖。

e8f1a7f6-0c8d-11f0-9310-92fbcf53809c.png

3.5.4線圈匝數(shù)

原邊線圈需要根據(jù)以下公式計(jì)算,需要說(shuō)明的是:

e90f9a86-0c8d-11f0-9310-92fbcf53809c.png

:原邊峰值電流,計(jì)算公式在下圖中小字附上,不展開(kāi)講解。

e91f4918-0c8d-11f0-9310-92fbcf53809c.png

:最大磁通密度,一般取值為 0.25T 。

e931f20c-0c8d-11f0-9310-92fbcf53809c.png

:最大磁芯面積,上一節(jié)中確定的參數(shù)。

e944a4b0-0c8d-11f0-9310-92fbcf53809c.png

最后計(jì)算出的原邊匝數(shù)大約為 157 匝,根據(jù)一開(kāi)始算出來(lái)的匝比是30,可以算出副邊為 15.2 匝,向上取整為 16 匝,再根據(jù)匝比反推出原邊匝數(shù)是 180 匝。

本次用的芯片還需要輔助繞組供電,芯片要求的輸入電壓是 15V 左右, 是 5V 的 3 倍,所以輔助繞組的雜數(shù)為 18 圈。

e95bb43e-0c8d-11f0-9310-92fbcf53809c.png

3.5.5繞線的直徑

一般來(lái)說(shuō)流過(guò) 5A 的電流就需要至少

e9813f74-0c8d-11f0-9310-92fbcf53809c.png

粗的線,故首先計(jì)算出線圈中電流的有效值如下圖紅色框(省略了計(jì)算過(guò)程),其中需要解釋的部分如下:

計(jì)算出的原邊線徑為 0.15mm,穩(wěn)妥一些用 0.2mm 直徑的。

計(jì)算出的副邊線徑為 0.89mm,穩(wěn)妥一些采用 0.1mm 直徑的,考慮到趨膚效應(yīng),故改用 4 根 0.5mm 直徑的銅絲,并聯(lián)起來(lái)用會(huì)更好一點(diǎn)。

輔助繞組電流比較小,直接用 0.1mm 的就可以

e9912542-0c8d-11f0-9310-92fbcf53809c.png

3.5.6交付產(chǎn)家

交付廠家生產(chǎn)之前,還需要提供以下信息:

骨架樣式

引腳個(gè)數(shù)

線圈繞制方向

tips:

在前面提到過(guò),反激電源的兩個(gè)線圈是以相反方向纏繞,需要標(biāo)注清楚同名端

因?yàn)槌跫?jí)線圈比較多,可以采用三明治繞法:先繞一半的初級(jí)線圈,然后 依次 繞 次級(jí)線圈和輔助線圈,最后再繞初級(jí)線圈的剩下的一半,這樣耦合的效果會(huì)更好。

反激變壓器的計(jì)算方法有很多,以上介紹的其中最簡(jiǎn)單的一種,而且計(jì)算出的結(jié)果也不一定是最優(yōu)解,甚至兩個(gè)章節(jié)給出的參數(shù)都不太一樣。實(shí)際上這兩組參數(shù)都可以正常工作,但是都需要做成成品電源后測(cè)試,優(yōu)化迭代。本項(xiàng)目的首要目的是設(shè)計(jì)出第一個(gè)能用的反激變壓器,制作出來(lái) 后帶著板子去學(xué)習(xí)更多相關(guān)的電源知識(shí),充分理解公式的意義,思考如何改進(jìn)變壓器,就會(huì)事半功倍,遠(yuǎn)勝于拿著書(shū)本知識(shí)從入門(mén)到放棄。

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原文標(biāo)題:硬件面試題-反激式開(kāi)關(guān)電源電路詳解

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