讲义----Flyback电路原理

开始很高兴有这么一个机会，和大家一起学习和讨论Flaback电路的原理。今天介绍的内容中，公式比较多，有些枯燥；但是经过理论推导，期望能让大家对于Flyback电路的“工作原理，伏秒平衡定律，以及C.C.M.和D.C.M两种工作模式”等内容的理解，能更加透彻些。Flyback转换器原理主要内容：一、Flyback电路简述二、Buck-Boost转换器原理三、Flyback转换器原理四、Flyback电路改进版本介绍附录：IFlyback变压器设计IIFlyback电路的EMI分析序言Flyback转换器应用相当广泛，其原因有：从电路的角度看，Flyback电路有最少元件的特性；从设计的角度看，Flyback电路有简单高可靠度的特点；从经济的角度看，Flyback电路成本最低，醉适合一般小功率的电源使用。在实际的应用中，用在接市电的低瓦数电源，多半用Flyback电路来实现，例如：30-40W的笔记本电脑，70-80W的个人电脑，40-50W的传真机与影像扫描机，20W以下的Adapter（适配器）……未来的电子产品讲究轻薄短小又省电，所以Flyback电路会更风行。Flyback转换器电路是由Buck-Boost电路，利用磁性元件耦合的功能衍生而来，所以要探讨Flyback电路，必须先从Buck-Boost电路开始。一、Flyback电路简介（一）Flyback电路架构Flyback变换器，俗称单端反激式DC－DC变换器，又称为返驰式(Flyback)转换器，或Buck-Boost转换器，因其输出端在原边绕组断开电源时获得能量，因此得名.Flyback变换器是在主开关管导通期间，电路只储存而不传递能量；在主开关管关断期间，才向负载传递能量的一种电路架构。（1）Flyback变换器理论模型如图。（2）实际电路结构根据Flyback变压器的同名端绕制方式，有下面两种形式，这两个电路实质上是一样的。当然，Flyback电路还有其他衍生形式（见附录I）。（二）Flyback变换器优点（1）电路简单，能高效提供多路直流输出，因此适合多组输出的要求。（2）转换效率高，损失小。（3）匝数比值较小。（4）输入电压在很大的范围内波动时，仍可有较稳定的输出，目前已可实现交流输入在85～265V间，无需切换而达到稳定输出的要求。（三）Flyback变换器缺点（1）输出电压中存在较大的纹波，负载调整精度不高，因此输出功率受到限制,通常应用于150W以下。（2）转换变压器在电流连续(C.C.M.)模式下工作时，有较大的直流分量，易导致磁芯饱和，所以必须在磁路中加入气隙，从而造成变压器体积变大。（3）变压器有直流电流成份，且同时会工作于C.C.M./D.C.M.两种模式，故变压器在设计时较困难，反复调整次数较顺向式多，迭代过程较复杂。二、Buck－Boost转换器工作原理所有的导出型转换器都保留其基本转换器的特性；要了解Flyback转换器，要从其基本转换器Buck－Boost电路开始。（一）Buck－Boost电路组成Buck－Boost电路由一个开关晶体管，一个功率二极管，一个储能电感和一个输出电容组成，见图1。图1Buck－Boost电路结构（二）电路特性（1）输出电压为负电压（2）输出电压的大小可高于或低于输入电压（3）输入端与输出端的电流波形都是脉波形式。（三）工作原理为方便理解电路工作原理，先介绍一下楞次定律。楞次定律：电感总是“阻碍外电路通过电感的磁通（电流）的变化”，即：外电路通过电感的磁通1（电流1i）增大，电感将产生与1（电流1i）反向的磁通2（电流2i），阻碍外电路磁通1（电流1i）的增大；外电路通过电感的1（电流1i）减小，电感将产生与1（电流1i）同向的磁通2（电流2i），阻碍外电路1（电流1i）减小的减小。以下就Buck－Boost稳态电路的工作作一个简要说明。假设一个周期的开始时间为：开关晶体管Q1导通时（TurnedOn或Closed）。此时输入电压完全跨在电感之上，电感的电流将成线性增加。由棱次定律，“外电路通过电感的电流1i增大，电感将产生与1i反向的电流2i，阻碍外电路电流1i的增大”。外电路电流1i（主要是主电路电流）从同名端流出，原边的同名端为负，异名端为正，所以电感电压1V为“+”，电感所存储的能量因此逐渐增加；变压器副边的同名端为负，异名端为正，所以功率二极管反偏，负载所需的能量完全由输出电容提供，此时电容的电压会有些降低（要看电容的大小）。当开关晶体的控制信号（电压或电流），使开关晶体Q1不导通时（TurnedOff或Opened），此时外电路通过电感的电流1i急剧减小（几乎为零），由楞次定律，“电感将产生与磁通1（电流1i）同向的磁通2（电流2i），阻碍外电路1（电流1i）的减小”；外电路电流1i（主要是电感电流），从同名端流出，原边的同名端为正，异名端为负，所以电感电压1V为“-”，变压器副边的同名端为正，异名端为负，所以功率二极管正偏，变压器副边电压大小恰等于输出电压。通过二极体的电感电流将线性减少，除了提供给负载外，还给输出电容充电（输出电容的电压会增高些），这个情形将持续到下一个周期开始为止。开关晶体导通的时间占整个周期的比率，称为工作周期（DutyCycle，简称为D），D越大，表示电感充能的时间越长，依照“伏－秒平衡”原理（后面介绍），输出电压一定越高。（四）公式推导以下公式推导时作如下假设：1）开关晶体与二极管均为理想元件，也就是导通时呈短路，不导通时呈断路。2）电感不会饱和，且电感值为不变的常数，也就是B－H曲线为线性，且铜损/铁损忽略不计。3）电感与输出电容构成的等效滤波器，可以有效的将输出电压滤成纹波很小的直流电压。或者说，电感与输出电容构成低通滤波器的角频率远低于切换频率。1．连续导通模式（C.C.M）公式推导（1）在开关晶体ON的时间，①sDTt0ILVtv)(（2.1）dvLititLLL0)(1)0()(LtViIL)0(（2.2）②在sDTt时，LDTViDTisILsL)0()(（2.3）（2）当开关晶体被OFF时，①ssTtDT，二级管顺偏导通，所以OLVtv)(（2.4）dvLDTititDTLsLLs)(1)()(LDTtVDTisOsL)()(（2.5）②当sTt时，LTDVDTiTisOsLsL)1()()(（2.6）在稳态操作情况下，)()0(sLLTii，将（2.3）代入（2.6）得LTDVLDTViTisOsILsL)1()0()(（2.7）也就是sOsITDVDTV)1(（2.8）（2.8）就是所谓的“伏－秒平衡”定律。电感的电压，对时间积分一个周期，结果为零，如此才可确保电感器不会饱和。由（2.8），可得输出与输入电压关系式：DDVVMIO1，当工作周期D小于0.5时，输出电压小于输入电压；当D大于0.5时，输出电压大于输入电压。（3）电路波形输入端的电流波形，即开关晶体的电流为脉波形状，实际应用中，必须加入滤波器（C或LC）才不会影响其他系统；二极管的电流也是脉波型，所以通过输出电容的纹波电流较大，所以使用的电容也需大，而且对等效串联电阻ESR的要求也比较严格。备注：ESR:是指在AC或DC下的串联等效阻抗（EquivalentSeriesResistance）ESL：在AC下的串联等效低电感（EquivalentSeriesInductance）。ESR与频率关系：电解电容的ESR会随着使用频率的上升而下降。厂商标称的ESR是在一定工作频率（120Hz,1KHz,100KHz）下的ESR，见下表：2.不连续导通模式（D.C.M）公式推导以上所推导的公式是在连续导通模式（Continuous－Conduction－Mode，C.C.M）下操作的Buck-Boost电路，也就是电感的电流恒高于零。它的物理意义是，电感的能量在sTD)1(的期间并未完全释放。从图上显示，如果输入与输出电压不变，电感与电容值也固定的情形下，负载电流与电感的平均电流成正比，当负载电流逐渐减小时，电感的平均电流也会逐渐降低，低到电感在某一时段的瞬时电流为零。此时我们称转换器即将进入不连续导通模式（Discontinuous－Conduction－Mode，D.C.M）操作。也就是说，电感的能量在充放之间，会将能量完全的释出。其实影响C.C.M./D.C.M.的因素不只是负载电流，以一个输出电压固定的稳压电路为例，切换频率，电感大小，输入电压与负载电流，都会影响转换器的操作模式，前两者在设计阶段制定，后两者才是实际应用上主要的影响因素。于是C.C.M./D.C.M.存在一个以输入电压与负载电流的边界线，在边界上，恰好是电感电流碰到零的操作点。（边界线将在后面讲述）在D.C.M.的工作模式下，转换器有着与C.C.M.不同的特性，一般将一个工作周期分成三个部分：sTD1--开关晶体导通期间TD2--开关晶体被OFF，且电感电流大于零期间sTD3--开关晶体被OFF，且电感电流等于零期间。（1）在0到sTD1期间，即开关晶体导通期间，电感上依旧跨着输入电压，电感的电流也是线性上升，只不过是从零点上升。①在开关晶体ON期间，即sTDt10，ILVtv)(（2.10）dvLititLLL0)(1)0()(LtVI（2.11）②在sTDt1时，LTDVTDisIsL11)(（2.12）（2）当开关晶体被OFF，且电感电流大于零时，①ssTDDtTD)(211，二级体顺偏，OLVtv)(（2.13）dvLTDititTDLsLLs1)(1)()(1LTDtVTDisOsL)()(11（2.14）②当sTDDt)(21时，0)(])[(2121LTDVTDiTDDisOsLsL（2.15）（3）由（2.14）可以看出，电感的电流以一个斜率下降，当电流降到零时，二极体不再导通，负载所需的能量不再由电感提供，将由输出电容负担。这时电感电流为零，电感的电压也为零，我们称此转换器已工作在sTD3期间，2131DDD。①TtTDDs)(21期间，0)(tvL（2.16）0)(tiL（2.17）由2.12与2.15可得，sOsITDVTDV21（2.18）（2.18）依旧是磁性元件“伏－秒平衡”式子，如果由负载电流的角度（负载电流连续期间）来看，其大小恰等于通过二极体电流的平均值，也就是RVIOO21)(21DTDisL，(面积公式)由（2.15）可得LTDVTDisOsL21)(，所以LTDVIsOO222（2.19）其中R为负载电阻值，将（2.18）化简，得到2D得关系式，LsRTLD22（2.20）代入（2.18）得，LIOMDVVD21（2.21）由以上得推导得知，在D.C.M.工作的时候，工作周期1D与负载的轻重有关（2.20），这个现象与C.C.M.是不同的。从以上分析推论知（2.21）：输入电压低，切换频率高，电感大，负载电流大都有将转换器推向C.C.M.的趋势，这从公式推导和电路物理意义，都容易得到。现在如果将切换频率sT，电感值L与输出电压OV固定，则可以得到一条代表C.C.M.与D.C.M.的边界曲线公式：由（2.21）得,12OIVVDDOIIVVVDDD122，2212222)()(OIIVVVDDDD代入（2.19），得2222OIIsOOVVVLTVI（2.22）这条曲线在设计转换器与分析转换器的工作范围都很重要，设计就是依此曲线设计。（4）电路曲线三、Flyback转换器工作原理Flyback不同于Buck-Boost的地方，仅在于将电感器衍生成一个“耦合电感”，也就是俗称的“变压器”，但不同于一般变压器，耦合电感“实实在在”的存储能量，不只是变压器的磁化能量。就是因为将电感变成耦合电感，所以可以将初/次级隔离，而且利用匝数比的控制，使转换器的工