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电源拓扑 - 开关稳压（隔离型）

区别于非隔离型开关稳压，在隔离型开关稳压拓扑中，能量是通过相互耦合的磁场元件（变压器）传递，源极与负载仅仅是通过磁场耦合的，所以在输入与输出之间有电隔离。

隔离型 DC-DC 拓扑结构

对隔离型 DC-DC 转换器而言，常用拓扑一般是反激式（Flyback），正激式（For-ward）和推挽式（Push-pull）这三种。

在这些隔离型转换器中，从输入到输出的能量传递是通过变压器完成的。能量通过相互耦合的磁场元件（变压器）传递，源极与负载仅仅是通过磁场耦合的，所以形成了输入与输出之间的电隔离。与非隔离型转换器一样，稳压的过程是通过 PWM 控制器在反馈回路中调节输出电压实现。

反激式 Flyback

反激式（Flyback）转换器可以把一个较高的输入电压，转换为一个较低的稳定输出电压。当开关 \(S_1\) 闭合的时候，能量存储在变压器的磁芯中，而当开关 \(S_1\) 断开的时候，再把能量传递到次级端。其拓扑图如下：

注：图中的开关 \(S_1\) 实际为电子开关（可为功率 MOS 管），此处为了易于理解，简化为普通的开关。

基本原理：

  1. 开关 \(S_1\) 闭合（蓝色实线）
    • 此时变压器 \(T_1\) 的初级绕组侧形成环路，流经初级绕组电感的 \(L_P\) 的电流 \(I_{S1}\) 以 \(\frac{V_{in}}{L_P}\) 的速率增长。此时不会有电流通过次级绕组电感 \(L_S\) 流至负载，负载电流是由电容 \(C_1\) 提供的。
    • 此时变压器输入的能量为：\(\frac{V_{in}*t_{on}}{N}\)（N 为匝数比）
  2. 开关 \(S_1\) 断开（绿色虚线）
    • 此时由于变压器 \(T_1\) 中的磁场崩塌，导致初级与次级绕组中的电压反相，初级绕组中储存的能量被传递到次级绕组，传递过程中次级绕组的电压迅速上升，并且伴有一个脉冲电流，这个电流以 \(\frac{V_{out}}{L_S}\) 的速率下降，并给负载供电、给电容 \(C_1\) 充电。二极管 \(D_1\) 在这里充当峰值整流器。
    • 此时变压器输出的能量为：\(V_{out}*t_{off}\)

因为变压器的能量传递守恒（即能量守恒），\(\frac{V_{in}*t_{on}}{N}=V_{out}*t_{off}\)，可得到：

\[ V_{out}=\frac{1}{N}\cdot\frac{δ}{1-δ} \cdot V_{in} \]

各节点的波形曲线：

可以发现，Flyback 与 Buck-Boost 传递公式只相差了 1/N 这个系数。Flyback 的优点在占空比很小的情况下，输出电压可以调得很高，所以很适用于输出高电压的电源。其次，也可以添加多个次级绕组，实现多个输出，且极性可以各不相同，适用于低成本设计。

Flyback 的缺点是，需要谨慎选择变压器气隙磁芯，不应使其进入饱和状态，因为如果磁滞现象很严重的话，会使变压器的效率大幅降低。另外，因峰值电流很高，绕组中的涡电流损耗也是一个问题。这两个问题限制了 Flyback 的实际可操作频率范围。最后当 S1 打开的瞬间，初级绕组上会出现一个很大的感性尖峰，这会对开关场效应管造成很大的压力。

正激式 Forward

正激式 Forward 可根据关于匝数比的函数，生成一个稳定的输出电压。其拓扑图如下：

基本原理：

  1. 开关 \(S_1\) 闭合（蓝色实线）
    • 此时变压器 \(T_1\) 的初级绕组侧形成环路，流经初级绕组电感的 \(L_P\) 的电流 \(I_{S1}\) 以 \(\frac{V_{in}}{L_P}\) 的速率增长。由于初级与次级绕组是互相耦合的，所以初级绕组中电流增大，会导致次级绕组上产生感应电流，次级绕组两端感应电压为 \(\frac{V_{in}}{N}\)。次级绕组上的电流以 \(\frac{V_{in}}{L_1 N}\) 的速率增长，通过整流二极管 \(D_1\) 和输出电感 \(L_1\)，最终给负载 \(R_L\) 与输出电容 \(C_1\) 供电。
    • 此时变压器输入的能量为：\((\frac{V_{in}}{N}-V_{out})\cdot t_{on}\)（N 为匝数比）
  2. 开关 \(S_1\) 断开（绿色虚线）
    • 当电容 \(C_1\) 两端的电压逐渐上升到上限阈值时，会产生一个「关断」的反馈信号（一般由光耦器件实现），使得开关 \(S_1\) 断开，中断了源电流供应。此时复位绕组与二极管 \(D_3\) 共同保持变压器中的磁场不消失（但也将导致电流以 \(\frac{V_{in}}{L_P}\) 的速率下降）。次级绕组两端电压会出现极性反转，反向电流以 \(\frac{V_{out}}{L_1}\) 的速率下降，经过续流二极管 \(D_2\) 电感 \(L_1\)，为负载 \(R_L\) 与输出电容 \(C_1\) 供电。当 \(C_1\) 两端的电压下降到阈值时，将产生一个「开启」的反馈信号，让 \(S_1\) 再次闭合，开始一个新的周期。
    • 此时变压器输出的能量为：\(V_{out}\cdot t_{off}\)

根据变压器的能量传递守恒（即能量守恒），\((\frac{V_{in}}{N}-V_{out})*t_{on}=V_{out}\cdot t_{off}\)，可得：

\[ V_{out}=\frac{δ}{N} \cdot V_{in} \]

各节点的波形曲线：

相比 Flyback 的区别是，Forward 是连续将能量通过变压器从初级传递到次级的，而不需要将能量储存在变压器的气隙磁芯中。这样一来磁芯不再需要气隙，相应地也不会带来损耗和 EMI 辐射。因为磁滞损耗在 Forward 中不再是哥严重的问题，所以磁芯的电感可以很大，峰值电流可以因此降低，这一来又进一步减小了绕组和二极管中的损耗，也降低了输入输出的纹波电流。

所以，在相同输出功率下，Forward 比 Flyback 效率高，但缺点是成本也相对高，且需要设置一个最小负载以保持不会进入非连续模式，因为在非连续模式下，能量传递的方式是完全不同的。

有源钳位正激式 Active Clamp

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推挽式 Push-Pull

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参考与致谢

原文地址：https://wiki-power.com/
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