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标题: 隔离式与非隔离式 [打印本页]

作者: 888888 时间: 2019-10-9 20:01
标题: 隔离式与非隔离式
4.1 非隔离式拓扑结构
在电源中电源的拓扑结构有着不同的形式，这里图 1  所给出的图形示出了三种基础的
DC-DC 电源转换拓扑它们分别是，Buck、Boost、Buck-Boost 。
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优点：结构简单、体积小、成本较低；输出电压调节范围宽。
缺点：前后不隔离，如果用市电供电，人接触电源的输出端或地端可能有触电危险,还有就是在下雨天打雷的时候，由于没有隔离很有可能就会把整个电路的都会烧坏：只能升压或降压或极性转换，输出电压不能与输入电压相等。

4.2 隔离式拓扑结构
由于许多应用中都需要输入/输出隔离，所以基于 Buck、Boost、Buck-Boost 这三种拓扑，推导出了其他的常用拓扑：反激式，正激式，推挽式，半桥式，全桥式
优点：
1.保护人员、设备免遭感应在隔离另一端的危险瞬态电压损害
2.去除隔离电路之间的接地环路以改善抗噪声能力。
3.在系统中轻松完成输出接线，而不与主接地发生冲突。

缺点：
 体积较大，或同等体积的功率较小

4.2.1 正激变换器
单端正激变换器是由 BUCK 变换器派生而来的。图 2 上图为 BUCK 变换器的原理图，将开关管右边插入一个隔离变压器，就可以得到图 2 下图的单端正激变换器
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4.2.2 反激变换器
反激变换器是由 BUCK-BOOST 变换器推演而来的。图 2 上图为 BUCK-BOOST 变换器的原理图，将电感变换一个隔离变压器，就可以得到图 2 下图的反激变换器。
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4.2.3 正激式/ 反激式拓扑比较

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原理图上的区别，在上图的比较中可以看到黄色部分，正激变换器在加入隔离变压器器的同时也加入了一个辅助电感 Nr，它是一个磁复位的电感。但是由 Buck-boost 改造出来的反激变换器去没有这个复位绕组，为什么呢，因为反激变换器的变压器它既是电感又是变压器，所以电感的特性来讲，它是不需要复位绕组的，电感就是一个储能的器件，它在 MOS 开通时储存能量,MOS 关断时释放能量，所以一直在平衡的状态，它是不会到达饱和。

正激变换器，它的 VIN 一直都是加在上面的，当 mos 不断的开通，它的能量也不停的加在原边，所以它的磁芯就会容易饱和，所以这个时候我们就需要加一个复位的电感，释放它原边电感的能量。
下面再对比一下正激和反激的其他特性：
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4.2.4 反激式转换器特性
优点：
1. 采用一个耦合电感器来充当隔离变压器并用于储能。
2.输入和输出地是隔离的。
3.利用占空比和匝数比来实现电压的降低或提升。
4.易于实现多个输出。
5.不需要采用一个单独的输出电感器。
6.最适合较低的功率级别。缺点：
7.高输出纹波电流。
8.高输入纹波电流。
9. 环路带宽可能受限于右半平面(RHP)  零点。
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4.2.5 反激式的优点及应用
 采用最简单的隔离式拓扑，因而具有最低的成本
 使用了数量最少的功率组件：4 个
 最为人们所了解、实现的数量最多而且得到最广泛支持的拓扑之一由于上述原因，对于功率范围<150W 的应用而言反激式转换器是一种上佳的选择。

4.2.6 反激的重要波形
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当开关管开通，电感的电流上升，可以看出它的电流的图形和 BUCK-BOOST 的图形是非常的相似的，它的区别就是在一个原副边的匝比上面而已，这里也可以看出其变压器的就是一个电感的作用。

4.2.7 反激的稳态分析
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上图是开关管的开通电流波形和续流二极管导通的波形，由波形我们也可以看出，开关管的波形加上续流二极管的电流波形就是电感的电流波形。

4.2.8 反激变换器的设计问题

必须选择合适的反激式转换器组件，以便能够处理必要的电流和电压应力。
这些应力由前一章节里给出的公式确定。所有这些应力均与变压器有关：匝数比、电感。

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占空比、匝比这些都是要工程师来设计的，在输入的有最小电压，最大电压，它都有对应的占空比，中间还有一个稳态的工作电压，你要优化在这个点上的效率，当然很少有工程师想的那么多，因为一般反激的应用都是在小功率的场合，对应效率的要求也不是那么苛刻。而且对于尺寸大小要求很高，所以频率要做得很高，应用的功率也不是很大，效率低一点，这个做出来的损耗也不是很大。
下图所示说明了针对反激式变压器的基本要求：

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1.请注意，由于集肤效应的原因，在高开关频率变压器中需要采用多股细导线。
2.为使操作在较宽的负载范围内保持于连续导通模式，需要高电感。
3.由于使用了较高的电感，初级和次级电路中的纹波电流都将较低。

4.2.9 实例–设计规范
一项设计总是从制定设计规范开始的，包括输入电压范围、功率级别、输出电压等等。
占空比和开关频率一般都是预先确定的。通常而言，采用一个介于 200 kHz 和 300 kHz 之间的开关频率可以很好地兼顾开关损耗与滤波器要求。事实上在 65kHz-300 kHz 都有人用，要知道我们的频率和开关损耗是成正比的，和体积是成反比的，当你的设计体积不是很严格的时候，可以用 65 kHz 来做，那样它的效率可以达到更好的效果。如果用 200 kHz 和 300 kHz 之间那么磁芯就可以做小，电源的体积就可以做得更小，纹波也可以做得更好。
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4.2.10 反激式电路实例
（1）隔离型
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上图是国半 LM5020 的做的反激变换器，这是一个隔离型的反激变换器，大家可以看到它上面有个光耦，光耦一定要把 CTR（电流传输比）设置在线性区域，如果不在线性区域当控制环路在调整的时候，CTR 就会变，那么它就会影响到反馈的环路，影响到整个电路的稳定性。这里大家可以参考一下啊，这个电路无论是光耦的供电还是型号的传输都是隔离的，它真正的起到了电气隔离和型号的隔离。

（2）非隔离型
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对于这种非隔离的反激变换器我们可以认为它是优化 DC-DC 里面 BUCK-BOOST 效率的时候，加入了变压器的匝比那么它可以更加优化占空比工作范围。对于这个电路信号不是隔离的，所以对于 EMI 的优化起到了一定的难度。

4.2.11 结论
 反激式拓扑是适合隔离式电源的最简单拓扑。大多数应用是在通信和以太网供电(PoE) 领域，这里的功率级别低于 50W,  现在，802.11 AF, AT 之外的 POE 电源标准还未发布。
 讨论了反激式工作原理并介绍了稳态分析，旨在提供设计指引。
 主要的设计问题是反激式电源变压器。
 采用一个实例来演示设计。
 环路补偿简单，比例积分即可。

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