讲义Flyback电路原理.docx

1、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 ”等容的理解，能更加透彻些。. . .Flyback 转换器原理主要容：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：I Flyback 变压器设计II Flyback 电路的 EMI 分析. . .序 言Flyback

2、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

3、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 DCDC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

4、， 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）输入电压在很大的围波动时，仍可有较稳定的输出，目前已可实现交流输入在85265V 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，

5、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、 BuckBoost 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 BuckBoost 电路开始。（一） BuckBoost 电路组成BuckBoost 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 1 Buck 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）

6、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 i 1 ）增大，电感将产生与 1 （电流 i1 ）反向的磁通 2 （电流 i2 ），阻碍外电路磁通 1 （电流 i1 ）的增大；外电路通过电感的 1（电流 i1 ）减小，电感将产生与 1（电流 i1 ）同向的磁通 2（电流 i2 ），阻碍外电路 1 （电流 i 1 ）减小的减小。以下就 BuckBoost 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（ T

7、urned On 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 i1 增大，电感将产生与 i1 反向的电流 i 2 ，阻碍外电路电流 i1 的增大”。外电路电流 i1 （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 V1 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（ Turned Off或 Opened），此

8、时外电路通过电感的电流 i1 急剧减小（几乎为零），由楞次定律，“电感将产生与磁通 1 （电流 i1 ）同向的磁通 2 （电流 i2 ），阻碍外电路 1 （电流 i1 ）的减小”；外电路电流 i1 （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 V1 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（ Duty Cycle

9、，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 BH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，0 t DTsvL (t ) VI（2.1 ）. . .1 ti L (t) iL (0)

10、 vL ( )dL 0VI ti L (0)在 t DTs 时，L（2.2 ）V I DT si L ( DT s ) i L (0)L（2）当开关晶体被 OFF时， DTs t Ts ，二级管顺偏导通，所以vL (t ) VO1ti L (t) iL ( DTs )vL ( )dLDTsi L (DTs ) VO (t DTs )L当 t Ts 时，（2.3 ）（2.4 ）（2.5 ）i(T ) iL(DT)VO (1 D)Ts（2.6 ）LssL在稳态操作情况下， i L (0)i L (Ts ) ，将（ 2.3 ）代入（ 2.6 ）得i L (Ts )i L (0)VI DTsVO (1

11、 D)TsLL（2.7 ）. . .也就是VI DTs VO (1 D )Ts（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：VO DMVI 1 D，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

12、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（ Equivalent Series Resistance ）ESL：在 AC下的串联等效低电感（ Equivalent Series Inductance ）。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，

13、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 (1 D )Ts 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

14、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：D1Ts - 开关晶体导通期间D2T - 开关晶体被 OFF，且电感电流大于零期间D3Ts - 开关晶体被 OFF，且电感电流等于零期间。. . .（1）在 0 到 D1Ts 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。在开关晶体 ON期间，即 0

15、 tD1Ts ，vL (t )VIiL (t)1tiL (0)vL ( )dL0VI tL在 t D1Ts 时，（2.10 ）（2.11 ）i L (D1Ts )VI D1TsL（2.12 ）（2）当开关晶体被 OFF，且电感电流大于零时， D 1 T st ( D 1 D 2 )T s ，二级体顺偏，vL (t)VO1tiL (t) iL (D1Ts )vL ( )dLD1TsVO (t D1Ts )i L (D1Ts )L当 t ( D1 D 2 )Ts 时，（2.13 ）（2.14 ）. .iL ( D1 D2 )Ts iL ( D1Ts )VO D2Ts0L（2.15 ）（3）由（ 2

16、.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 D3Ts 期间，D3 1 D1 D2。 ( D1 D2 )Ts t T 期间，vL (t )0（2.16 ）i L (t )0（2.17 ）由 2.12 与 2.15 可得，VI D1Ts VO D2Ts（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I OVO1RiL (D1Ts ) D2，( 面积公式 )2由

17、（ 2.15 ）可得VO D2Tsi L (D1Ts )，所以LVO D 22TsI O（2.19 ）2L. . .其中 R为负载电阻值，将（ 2.18 ）化简，得到 D2 得关系式，D22L（2.20 ）LRTs代入（ 2.18 ）得，D1VOD 2MLVI（2.21）由以上得推导得知，在D.C.M.工作的时候，工作周期 D1 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 Ts，电感值 L 与输出电压

18、 VO 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：D2VI,D2VI由（ 2.21 ）得 D1VOD2D1VI VO，D22(D 2)2(VI)2VID2D1VO代入（ 2.19 ），得VO TsVI2I O22（2.22 ）2LVIVO. . .这条曲线在设计转换器与分析转换器的工作围都很重要，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

19、。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，使转换器的工作点设计更有弹性。另外，多组输出的应用更简单容易。公式推导和 Buck-Boost 几乎一样，为更接近实际情况，将二极体顺向压降考虑进去（在低输出电压时相差很大）。（一）先推导 C.C.M. 的工作情形（1）在开关晶体 ON期间，即 0t DT s ，vLP (t )VI（2.23 ）1ti LP (t )iLP (0)vLP ( )dLP0. .VI ti LP (0)（2.24 ）LP此时，二极体反偏不导通，负载电流全部由输出电容提供。vLS (t )NS VI（2.25 ）N Pi LS (t )

20、0（2.26 ）在 t DT s 时，iLP (DTs ) iLP (0)VI DTs（2.27 ）LP（2）当开关晶体 OFF时，二极体顺偏，DT S t TSvLS (t )(VO VD )（2.28 ）1tiLS (t ) iLS ( DTS )vLS ( )dLSDTSNP iLp (DTS )(VO VD )(t DTS )（2.29 ）NSLSi LS (DTS )N PiLP ( DTS )其中N S就是“变压器公式”得到的。对应到初级侧，可以得到. . .vLP (t) N P (VO VD )N Si LP (t ) 0当 t TS 时，i(T )N P iLp( DT)VO

21、 (1 D )TSLSSN SSLS由（ 2.27 ）和 iLP (0)NSiLS (0) ，所以NPNPiLp (DTS )NP iLP (0)VI DTs iLS (0)NSNSLP（2.30 ）（2.31 ）（2.32 ）N P VI DTs NS LP因为 i LS (TS )i LS (0) 所以，NP VI DTsVO (1 D)TSNSLP因为LSLP(N P)2LSN S，所以VI DN P(VOVD )(1 D)（2.33）N SN P(VOVD )D或 N SVI1 D（2.34 ）（ 2.34 ）就是 C.C.M.中输出 / 输入电压关系式。. . .（ 3）电路波形.

22、. .观察各元件的电压与电流波形，除了耦合电感的特性外， Flyback 电路确实与Buck-Boost 电路完全类似，电流的导通模式都完全一样。. . .（二） D.C.M公式推导（ ）在 tD Ts 时，11VI D1Tsi LP ( D1Ts )L P对应到次级侧，vLS (t )N SVIN Pi LS (t)0（2）当开关晶体被 OFF的瞬间，二极体顺偏，N P VI D1TSN S VI D1TSi LS ( D1TS )N PLSNS LP在次级侧电感电流大于零期间， D1Tst (D1 D 2 )TsvLS (t )(VO VD )i LS (t ) iLS (D1TS )1t

23、LSvLS ( )dD1TSN S VI D1TS(VO VD )(tD1TS )N PL SLS在 t (D1D2 )Ts 时，i LS ( D1 D 2 )TS 0 ，所以 (2.42)变成（2.37 ）（2.38 ）（2.39 ）（2.42 ）. .N SVI D1TS (VO VD ) D2TS（2.43 ）N P同样可以得到“ 伏秒平衡式 ”。由 (2.42) 可以看出，电感的电流依一个斜率下降，当电流降到零时【 t ( D1 D 2 )Ts 】，电感的能量已消耗殆尽，二极管不再导通，负载所需的能量不再由电感提供，转由输出电容负担，这时电感的电流为零，相对电感的电压也为零，我们称工作在D3Ts 期间。（3） D31 D1D2 ，vLP (t)vLS (t )0i LP (t)i LS (t )0负载电流大小恰为通过二极体电流的平均值，也就是I OVO 1iLS (D1Ts )D2(VO VO ) D22TsR 22LS其中， R为负载电阻值，将（ 2.46 ）化简，可得关系式（2.44 ）（2.45 ）（2.46 ）2IOLSNP VOVDD2D 2VO )Ts，由（ 2.43 ）可得，D1VI(VONS