反激式转换器凭借其低成本、易于构建等优点，在中小功率设备和电器中应用非常广泛。根据开关模式的不同，它主要分为固定开关频率（FF）和可变开关频率（QR）两种工作方式。本案例以制造规格为例，输入电压为 $17V$，开环输出电压设计为 $24V$，下面分小节介绍具体的设计流程与参数取舍。
1 SS 反激转换器
下图展示了基于固定频率（FF）模式工作的 SS 反激转换器电路结构。整个功率级由 MOS 管开关 $Q$、隔离式变压器（原边绕组 $L_p$、副边绕组 $L_s$）、输出整流二极管 $D$、磁化电感 $L_m$ 以及输出滤波电容 $C_o$ 构成。
当开关管 $Q$ 导通时，输入电压直接作用在变压器原边绕组两端。由于原边与副边绕组极性相反，此时输出二极管处于反向截止状态，能量并不会从输入传递到输出，而是存储在变压器气隙和磁芯中。等到 $Q$ 关断，存储的能量通过副边绕组释放，$L_s$ 向阻性负载供电，完成一个周期的能量转移。
在 $Q$ 导通期间，原边电感 $L_p$ 两端承受的固定电压可以通过下式计算：
$$
L_p = \frac{(V_{in\_min} - 1) \cdot T_{on\_max}^2 \cdot V_{in\_min}}{2.5 \cdot P_{o\_min} \cdot T}
$$
其中，$V_{in\_min}$ 表示最小输入电压，$T_{on\_max}$ 为最大导通时间，$P_{o\_min}$ 为最小输出功率，$T$ 是由开关频率决定的工作周期。
变压器原、副边绕组的匝比 $N$ 可以用下式表示：
$$
N = \frac{N_p}{N_s} = \frac{V_{in}}{V_o} \cdot \frac{D_{max}}{1 - D_{max}}
$$
这里 $D_{max}$ 是 SS 反激变换器的最大占空比。结合仿真设置与实际参数要求，本案例中 SS 反激变换器的主要电气参数取值为：
- 输入电压 $V_{in} = 17\text{V}$
- 输出电压 $V_o = 24\text{V}$
- 开关频率 $f_s = 150\text{kHz}$
- 原副边匝比 $N_P:N_S = 20:31.55$
- 磁化电感 $L_m = 1\text{mH}$
- 输出电容 $C_o = 22000\mu\text{F}$
- 最大占空比 $D_{max} = 0.5$
2 QR 反激转换器
QR 反激本质上是一种谷值开关导通的 DCM 反激拓扑，也常被称为变频反激或准谐振反激。它广泛出现在充电器、适配器以及各类辅助电源中。接下来介绍 QR 反激的设计方法与核心方程。
上图给出了 QR 反激变换器的电路结构。各部分器件作用如下：$Q$ 为功率 MOS 开关管，$C_c$ 是钳位电容，$T_r$ 代表变压器绕组，$L_{lk}$ 是漏电感，$L_m$ 为磁化电感，$L_p$ 是变压器原边电感，$L_s$ 为副边等效电感，$C_o$ 是输出滤波电容，$D$ 是整流二极管，输出端接阻性负载。
当开关管 $Q$ 刚导通时，输入电压被强制加到变压器原边，磁化电感 $L_m$ 开始充电，同时钳位电容 $C_c$ 进入放电状态。$C_c$ 两端的电压让二极管 $D$ 处于反向偏置。开关关断后，副边二极管 $D$ 导通，变压器开始去磁，之前存储的能量被释放到负载。
当副边电流衰减到零，变压器两侧绕组完成去耦。这时反射到原边的输出电压 $N \cdot V_o$ 与原边电压不再相等。如果钳位电容上的电压 $V_c$ 足够高，二极管的导通行为就取决于 $C_c$ 与等效电感之间的谐振过程。变压器绕组 $T_r$ 的匝比 $N$ 需要结合峰值占空比 $D_{pk}$ 来确定：
$$
N \ge \frac{V_{in}}{V_o} \cdot \left(\frac{1}{D_{pk}} - 1\right)^{-1}
$$
钳位电容的取值可以从 $C_c$ 与漏感 $L_{lk}$ 之间的能量平衡入手。由于漏感中的能量几乎全部会转移到钳位电容上，这个能量守恒关系可以写作：
$$
\frac{1}{2} C_c \cdot \delta V_c^2 = \frac{1}{2} L_{lk} \cdot I_{p\_pk}^2
$$
其中，$\delta V_c$ 是钳位电容 $C_c$ 两端允许的最大电压抬升量，$I_{p\_pk}$ 是原边峰值电流。谐振周期以及开关导通、关断时间的表达式如下：
$$
T_s(t) = T_{on}(t) + T_{do}(t) + \frac{T_{qr}}{2} = \frac{I_{p\_pk}(t) \cdot L_m}{V_{in}} + \frac{I_{p\_pk}(t) \cdot L_m}{N \cdot V_o(t)} + \frac{T_{qr}}{2}
$$
式中 $T_{do}(t)$ 表示副边二极管的导通时间，$T_{qr}$ 可以理解为开关管两端的准谐振死区时间。对应的开关频率 $f_s$ 可以表示为：
$$
f_s = \frac{1}{T_s} = \left( I_{p\_pk}(t) \cdot L_m \cdot \left( \frac{1}{V_{in}} + \frac{1}{N \cdot V_o(t)} \right) + \frac{T_{qr}}{2} \right)^{-1}
$$
从上面的推导可以看出，QR 反激的开关频率并不是固定值，而是会随着负载和输入电压动态变化。理解这一点对于后续的环路设计和 EMI 预判都很有帮助。
发表于 2 小时前
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