反激电源设计例学习笔记

0.总述

反激式开关电源是开关电源的一种，开关电源（英语：Switch Mode Power Supply，SMPS），又称交换式电源、开关变换器或开关电路，是一种高频化电能转换装置，是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压，透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源的输入多半是交流电源（例如市电）或是直流电源，而输出多半是需要直流电源的设备，例如个人电脑，而开关电源就进行两者之间电压及电流的转换。

返驰式变换器（Flyback converters）也称为反激式转换器或Flyback变换器，是一种输入及输出电路之间有电气隔离的变换器，可以用在交流-直流转换及直流-直流转换。返驰式变换器可以视为是有变压器的降压-升压变换器，原理类似降压-升压变换器，而将其电感器转换为变压器，因此除了电压转换外，还有变压器隔离的效果。若是驱动等离子灯或是多倍压器，会省略输出端整流用的二极管，此时会称为返驰式变压器。

如果把电力传输网络比作站点，那么开关电源就像是一个个的货车，一个个的火车，把电力分成一份一份的打包带走传输到别的地方。

借用一下B站up主工科男孙老师的小图图来做个描述：

如果你想要的电源是工频交流电变成所需的直流电的话，这个结构十分满足你的需求。

倘若你只是想把电压进行升降压变换，此时就可以抹去前面的那一部分的整流电路，当然不去除也是可以的，可以作为一种防反接的技术手段。

从图中我们可以看到一个反激电源大致分为以下几个部分：

电源输入（算上滤波，能量输入部分）
变压器（核心部分）
控制器（驱动部分）
MOS管（控制执行部分）
副边（输出部分）

一个一个慢慢来捋一下

1.电源输入

以交流国网工频输入为例，输入为220V50HZ交流电，首先经过整流桥变成了变化率比较大的直流电，然后通过一个比较大的整流电容，变成了比较平稳的直流电，电压大致为220V*1.414=311.08V，我们看作310V直流。细节就不展开了，整流桥也没什么好讲的。

或者你也可以直接给个直流输入，这样就相当于带隔离的DC-DC变换器，不过纹波会大点，要注意一下滤波。

2.变压器

状态描述

最麻烦，也是最核心的部分。变压器在反激电源中犹如地铁系统的列车，是作为电力运输的工具，地铁列车也是最难搞的那部分。

在反激式开关电源中，变压器的模型分为两个状态。

通态，此时变压器的原边相当于一个电感，作为储能原件使用，也就是前面说的卡车与地铁。由于二极管的存在，此时变压器副边不会产生电流，负载的电压通过副边的电容来维持。

断态，原边MOS断开的时候，由于电感的电流不能突变，电压不会立即消失，此时由于原边的电流方向会反向，副边会感应出产生一个顺向的电流，二极管导通，副边部分进行充电，能量送出去。

极性反向问题

我猜到很多人搞不懂电流反向的问题，关于原边电流反向，我们聚焦于原边电感。导通的时候是上正下负，可以把电感当作一个小电池，现在给它充电，电流方向从上到下。

MOS管关断的时候，这个小电池也就是原边电感就要进行放电了，此时电流就会反向。就像是一个弹簧，你使劲按它，它会存储能量，你放开手的时候他就会反过来释放掉那个能量。

要是还是理解不了，你可以看看下面这个说法：

充电的时候那是那样，上正下负。

放电的时候由于磁场与电场这两个场能是不能突变的，有个逐渐减小的过程（毕竟是宏观的能量），所以在理解意义上极性是暂时不会变的。还是上正下负，变压器模型可以视作副边为负载，就如图所示，但是此时对于原边电流方向变化了，变成了从下到上。我们人类攻城狮规定了电流是从正极流向负极的方向，所以此时的极性实际上是反过来了。

关于变压器的计算

其计算极其复杂，目前我知道的有AP法与经验法。最简单的办法就是找别人的经验公式做出一个表格进行简要计算，下面这个是张飞老师做的。

我自己计算的过程与方法太繁琐了，暂时不在此赘述，改日单独拿出来讨论一下。

3.控制器

以德州仪器经典款开关电源芯片UC3843的手册为例：

虽然不明白为什么，但是手册的应用实例给的是2843（不过高版本是向下兼容的）。

接触一个芯片首先要从应用功能看起，这个芯片应用功能是Transformer-coupled DC-DC converters和Switching regulators of any polarity。

然后一个一个看它的引脚功能。

VCC与GND就不用说了;OUTPUT是MOS管的驱动脚;RT/CT是频率控制脚位;VREF为电压参考脚;ISENSE为电流采样脚位,一般该脚电压要低于1V;VFB与COMP是误差放大器的输入与输出，用于调节反馈环的增益；其余部分参数参考手册就可以一一确认。想要确认其他的参数，首先要确认好自己的需求。比如输入与输出的参数，预期效率等。下图是官方给出的12V4A输出的一个参数示意。

确认功能后就可以进行定量分析了，首先是芯片的运行频率。

一般情况下，芯片的运行频率在50K-500K不等，没有layout经验的新手建议低频率开始练手，例如100Khz.

反馈回路

反馈回路也是及其重要的一部分，所谓反馈就是将输出引导到输入端进行比较，芯片根据相对应的差异进行调整，而达到稳压效果。反馈有很多方式，可以直接从电源输出引出来一条线通过RC滤波与分压引到芯片的反馈引脚。也可以在变压器加一路绕组做隔离再通过光耦反馈到芯片的反馈端。

1.直接反馈

例如TI官方给的100K工频的离线式反激电路的示意图，就是直接引出来的输出然后通过电阻分压反馈到3844的Vfb引脚。这种方案便宜、简单，但是牵一发动全身。一旦电阻有问题极易影响到反馈的效果，并且电阻分压的精度不是很高。

2.隔离反馈

使用较多的方式都是通过一个光耦进行线性耦合做隔离反馈，难度不高并且安全。

4.MOS管

MOS管作为执行器是必不可缺的，几乎是本次设计第二重要的器件。经过估计原边的峰值电压加上阈值可以达到600V左右，所以选择MOS管的Vds不能低于这个值。同时还要关注MOS管的Rdson参数，这是电源效率低以及发热的重要原因之一，从开发者角度来讲Rdson肯定是越低越好，但同时Rdson小的管子价格一般不是很美丽。还要关注ID这个参数，ID的值不能低于浪涌电流的值，否则有烧管子的风险。

举个例子：

下面三个管子都可以用于600V，2A的场合，但是价格却大相径庭。