開關穩壓器-反激轉換器電路圖及工作原理-KIA MOS管

在電子設備中，穩壓器是一個用來持續調節電源輸出的裝置或機制。電源器件中穩壓器有許多種。但最主要考慮到 DC 到 DC 的轉換，有兩種穩壓器：線性或開關。

線性穩壓器使用阻性壓降來調節輸出，但也因此效率低下且以熱能損失能量。而開關穩壓器使用電感，二極管和電源開關來從電源轉移到輸出。

開關穩壓器的種類

開關穩壓器有三種：

1. 升壓轉化器（Boost 穩壓器）

2. 降壓轉化器（Buck 穩壓器）

3. 反激轉換器（隔離穩壓器）

Buck 和 Boost 穩壓器之間的區別在于電感，二極管以及開關電路的擺放不一樣。同時，Boost 穩壓器中輸出電壓大于輸入電壓，但在 Buck 穩壓器里，輸出電壓低于輸入電壓。Buck 拓撲闊時 buck 轉換器是 SMPS 中最常用的基礎拓撲結構。在我們將高電壓轉換為低輸出電壓時會經常用到。

除了這兩個穩壓器之外，還有一種穩壓器在設計者間也很流行，那就是反激式穩壓器或反激式轉換器。這是一個多功能的拓撲結構，可以從單輸出中生成多個輸出。

不僅如此，反激式拓撲結構還可以讓設計者同時改變輸出的極性。比如，我們可以從單個轉換器模塊中生成+5V，+9V 和 -9V 的輸出。而且這兩種運用下轉換效率都很高。

反激式轉換器還有一個特點就是輸入和輸出端的電隔離。為什么我們需要隔離呢？在某些特殊情況下，為了最小化電源噪聲，或處于安全相關的操作中，我們需要隔離操作，讓輸入源與輸出源完全隔離開來。讓我們來看看單個輸出的反激式變換是如何運作的。

反激式變換器的基本電路

我們看了下圖的單輸出反激設計后，就知道如何自己搭建一個類似的電路了。

一個基礎的反激式轉換器需要一個開關，可以是一個 FET 或是一個晶體管，一個變壓器，一個輸出二極管，一個電容。

其中最主要的部分就是變壓器。我們需要了解變壓器的原理才能理解該電路的原理。

變壓器最少由兩個電感組成，一般被稱為次級線圈和初級線圈，都是用線圈環繞在磁芯上的。磁芯決定了磁通量密度，對于兩線圈間的電能傳輸至關重要。還有一個比較關鍵的就是變壓器的相位，也就是初級線圈和次級線圈上面的點。

我們還可以看出 PWM 信號與三極管開關相連。這是基于開關關斷的頻率以及打開的時間。

在反激式穩壓器中，一共有兩種電路活動。一是開關打開階段，其中變壓器的初級充電，二是開關關斷或是傳輸階段，其中電能由初級轉換到次級再到負載上。

如果我們假設開關已經被關斷很長一段時間了，那么電流為 0，也沒有電壓。

在這個時候，如果開關打開，那么電流會增加，而電感會產生一個壓降。該狀態下，因為磁芯間通過的磁通量，電流會向次級線圈傳輸。

在次級線圈上，電壓與初級線圈上的電壓極性相同，但電壓值成比例，比例恰好是兩線圈的匝數比。因為是反向電壓，所以二極管關斷，而沒有電流流經次級。如果電容在上個開關周期內充上了電的話，就會為負載提供輸出電流。

下一階段，開關斷開，流經初級的電流減小。與之前階段相同，初級電壓會在次級生成相同極性的電壓，電壓值也成匝數比。因為是正向電壓，所以，二極管導通，次級線圈將輸出電流給電容和負載。電容在開關打開的階段已經失去了所有的電荷，但此時又會重新充電。

在整個開關過程中，輸入電源和輸出電源之間沒有任何電路連接，因此我們可以看出是變壓器隔離了輸入與輸出。

根據開關導通和關斷的時間可以分為兩種模式。連續模式和非連續模式。

在連續模式下，初級充電之前，電流先歸零，再如此往復。而在非連續模式下，下一周期在初級電感的電流歸零時開始。

反激式轉換器的效率

現在我們來看一下效率，也就是輸出與輸出功率的比值。

（Pout/Pin）x 100%

因為能量不能憑空生成也無法抹去，只能轉換過來，大多數電能都以熱能的形式消耗掉的。所以實際運用中并不存在理想情況。因此在選擇穩壓器的時候，效率也是一個關鍵因素。

而能量損耗的關鍵因素之一就是二極管。正向壓降乘以電流都轉換為了熱能，因此降低了穩壓電路的效率。與此同時，硅二極管的反向恢復損耗也會降低整體效率。

而解決這一問題最好的方法之一就是避免標準的恢復二極管，而使用肖特基二極管，因為后者有著很低的正向壓降，也有著更好的反向恢復損耗。從另一角度來說，如果將開關轉換成 MOSFET 的話，能在更小封裝的情況下提升效率。

反激式變換器電路圖以及工作原理

我們將使用 LM5160 來生成 12V 的隔離電壓。

這是該電路的詳細參數說明：

輸入電壓范圍：18V-32V

隔離輸出：12V

隔離負載電流范圍：0mA-400mA

標準開關頻率：300kHz

最大效率：88%

該原理圖中使用了許多元件，但都不難理解。其中輸入端的 C6，C7 和 C8 用于輸入電源的濾波。而 R6 和 R10 則用于欠壓鎖定。R7 電阻用于開關導通。C13 為軟啟動電容。C5 為自舉電容，用于柵極驅動的偏壓。

R4，C4 和 C9 用于紋波過濾，而 R8 和 R9 則為 LM5160 的反饋引腳提供反饋電壓，這兩個電阻的值決定了輸出電壓。C10 和 C11 則用于初級的非隔離輸出濾波。

而最關鍵的元器件是變壓器 T1。這是一個兩端都有一個 60uH 電感的耦合電感。

其參數如下：

匝數比：次級：初級=1.5:1

電感：60uH

飽和電流：840mA

初級直流電阻：0.071Ω

次級直流電阻：0.211Ω

頻率：150kHz

C3 用于 EMI 穩定性。D1 為轉換輸出的正向二極管，C1 和 C2 是濾波電容，R2 則是最小啟動負載。

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