开关电源，在多数电子工程师印象中，就是银亮色金属网孔外壳式的方块电源。这是实验室调试常用的电源类仪器，也是众多工控设备中广泛使用的成品电源，常见输出电压有+5V，+12V，-12V，+24V等。这就是今天我们要介绍的经典开关电源—单端反激式变换器，其功率一般在150W以内。它的应用场景有小型仪器、仪表、家用电器、自动化设备控制电源等等。   常见拓扑结构大概有11类，分别是降压转换器(BUCK)，升压转换器(BOOST)，前置转换器，两开关前置转换器，反激变压器（FBT），推挽式转换器，半桥转换器，半桥式谐振转换器(包含3种)，全桥式转换器。但一般非电源类电子工程师使用较多在电源工具都是以反激变压器（FBT）为核心器件的开关电源，其使用的便捷性、功率范围较大、安全可靠等诸多优点，是广大电子工程师将之作为首选开发调试工具的重要原因。
反激变压器（FBT） 反激变压器（FBT) 是基于基本降压/ 升压拓扑结构的转换器隔离变压器。其基本原理图和开关波形如图3所示。 在反激变压器中，功率开关（Q1) 与变压器（T1) 原边绕组串联。变压器用来存储开关导通时的能量并提供输入电压源VIN 和输出电压VOUT 之间的隔离。
稳态运行时，开关导通时间为TON，绕组同名端相对于非同名端的电压极性为正。在TON 期间，二极管D1 变为反向偏置而变压器可看作一个电感。电感值等于变压器原边励磁电感LM，储存来自输入电压源VIN 的磁能（见公式1）。因此，变压器原边电流（励磁电流IM）从其初始值I1 线性上升到IPK，如图3 （D）所示。当二极管D1 变为反向偏置时，负载电流（IOUT）由输出电容（CO）提供。输出电容值应足够大，这样才可保证在TON 时间内提供相应的负载电流，同时使输出电压跌落的程度为所规定的最大值。 在TON 的末期，当功率开关关断，变压器励磁电流将继续保持原有方向。励磁电流将在变压器同名端和非同名端之间感应负电压。二极管D1 变为正向偏置并将变压器副边绕组电压钳制为输出电压。变压器原边绕组中的储能通过反激作用传递到副边。这一储能将向负载提供能量并对输出电容进行充电。由于变压器中的励磁电流不能在开关关断瞬间进行充电，原边电流传递到副边，而副边电流的值为原边电流和变压器匝数比NP/NS 的乘积。 耗散存储的漏能 在导通期间的末期，开关将关断，此时反激变压器磁芯的漏能将没有电流通路进行耗散。有许多方法可耗散这一漏能。图3 中的方法是使用由D2、RS 和CS 构成的缓冲电路。采用这一方法时，磁芯中的漏磁通将在原边绕组的非同名端感应出正向电压。这将使得二极管D2正向偏置并提供磁芯中漏感储能的续流通路以及将原边绕组电压钳制为一个安全值。在这一过程中， CS 将被充电直至比折回副边反激电压稍高，这一电压又称反激超调电压。多余的反激能量将在电阻RS 中耗散。稳态时，如果所有其他条件仍保持不变，钳位电压将直接与RS 成比例。反激超调将提供其余强制电压以在反激作用时驱动电流至副边漏电感。这将导致变压器副边电流快速增加，从而提升反激变压器的效率。
连续导通模式 图3（D）给出了反激变压器在连续导通模式下工作时的波形。连续导通模式与反激变压器磁芯的不完全去磁现象相一致。在导通期间TON 磁芯磁通从初始值（0）线性增加到（PK）。在稳态状态下，TON 期间磁芯磁通的变化应等于TOFF 期间磁通的变化。这一点对于避免饱和很重要。稳态运行和连续运行模式下的输入和输出电压的关系如公式2所示。
当工作在连续导通模式下时，占空比与从转换器汲取的负载电流无关，且对于直流输入电压来说是个常数。然而，在实际情况中，负载将使得变压器内部损耗和输出二极管D2 的损耗增加。为保持恒定的输出电压，即使在恒定直流输入电压条件下，连续导通模式控制也需对占空比作微小调整。 因为原边绕组中出现副边折回电压和转换器磁芯中的漏感储能，功率开关所承受的的最大电压应力VDS 可由公式3 给出。如果采用反激变压器作为离线电源的通用输入，考虑到副边折回电压为180V 且变压器漏感储能导致的电压尖峰（比理想值高出20%），功率开关的额定电压应为700V。  电容的选择 如图3 （E）所示的脉动电流ID1 流入，而DC 负载电流流出输出电容，这将导致反激变压器的输出电容承受较高的电压应力。在反激变压器中，输出电容的选择基于流经电容的最大纹波电流的RMS值（由公式6 给出）和输出电压纹波的最大峰- 峰值要求。输出电压纹波的峰- 峰值取决于流经电容的纹波电流和其等效串联阻抗（ESR） 。电容的ESR 和纹波电流将导致电容内部温升，这将影响电容的预期寿命。因此，电容的选择主要取决于纹波电流额定值和ESR 值，以此满足有关温升和输出电压纹波的指标要求。如果输出纹波电流较大，建议采用多个电容并联以替代单个且数值较大的电容。这些电容应距二极管阴极接线端等距离放置，这样每一个电容才能均分电流。
空气隙 为增加吞吐容量并减少反激变压器磁芯的磁饱和程度，在变压器磁芯中插入了空气隙。这一空气隙并不随着磁芯材料的饱和磁通密度（BSAT）的改变而改变；然而，它却增加了达到饱和的磁场强度H并减少了剩余磁通密度BR，如图4 所示。因此，空气隙增加了delta BH 的工作范围，从而增加了反激变压器的吞吐量。 反激拓扑的优点 在最大输出功率为5 至150 瓦的低成本电源应用中， 反激拓扑应用广泛。反激拓扑未使用输出电感，这样节省了成本、减小了体积和反激变压器中的损耗。它非常适合于输出电压高达400V 而输出功率为较低的15-20 瓦的应用场合。由于省去了输出电感和续流二极管（用于前置转换器），因此反激变压器拓扑非常适用于高输出电压应用。 在反激变压器中，当出现一个以上的输出时，如果输入电压和负载变化，输出电压将出现互相跟踪的现象，这与前置转换器相比要好许多。这是由于省去了输出电感，输出电容直接连到变压器副边并在开关关断期间（TOFF）作为一个电压源。
应用方面的考虑 对于同样输出功率等级且输出电流要求大于12-15 安培的场合，流经输出电容的峰- 峰纹波电流RMS 值将变得非常大且难以实现。因此，对于输出电流要求较大的场合，最好选择前置转换器结构而非反激结构。 |
