在電子產(chǎn)品中，調(diào)節(jié)器是一種可以不斷調(diào)節(jié)功率輸出的設(shè)備或機(jī)制。在電源領(lǐng)域有不同種類的穩(wěn)壓器可用。但主要是，在 DC 到 DC 轉(zhuǎn)換的情況下，有兩種類型的穩(wěn)壓器可用：線性或開關(guān)。

線性穩(wěn)壓器使用電阻壓降調(diào)節(jié)輸出。因此，線性穩(wěn)壓器提供較低的效率并以熱量的形式損失功率。開關(guān)穩(wěn)壓器使用電感器、二極管和電源開關(guān)將能量從其源傳輸?shù)捷敵觥?/p>

開關(guān)穩(wěn)壓器的類型

共有三種類型的開關(guān)穩(wěn)壓器可用。

1. 升壓轉(zhuǎn)換器（升壓穩(wěn)壓器）

2. 降壓轉(zhuǎn)換器（降壓穩(wěn)壓器）

3. 反激式轉(zhuǎn)換器（隔離穩(wěn)壓器）

我們已經(jīng)解釋了升壓穩(wěn)壓器和降壓穩(wěn)壓器電路。在本教程中，我們將描述反激式穩(wěn)壓器 電路。

降壓穩(wěn)壓器和升壓穩(wěn)壓器的區(qū)別在于，降壓穩(wěn)壓器中電感、二極管和開關(guān)電路的放置與升壓穩(wěn)壓器不同。此外，在升壓穩(wěn)壓器的情況下，輸出電壓高于輸入電壓，但在降壓穩(wěn)壓器中，輸出電壓將低于輸入電壓。降壓拓?fù)浠蚪祲恨D(zhuǎn)換器是 SMPS 中最常用的基本拓?fù)渲?。這是一種流行的選擇，我們需要將較高的電壓轉(zhuǎn)換為較低的輸出電壓。

除了這些穩(wěn)壓器之外，還有另一種穩(wěn)壓器是所有設(shè)計(jì)人員的熱門選擇，即反激式穩(wěn)壓器或反激式轉(zhuǎn)換器。這是一種通用拓?fù)洌捎糜谛枰獊碜詥蝹€(gè)輸出電源的多個(gè)輸出的情況。不僅如此，反激式拓?fù)湓试S設(shè)計(jì)人員同時(shí)改變輸出的極性。例如，我們可以從單個(gè)轉(zhuǎn)換器模塊創(chuàng)建 +5V、+9V 和 -9V 輸出。兩種情況下的轉(zhuǎn)換效率都很高。

反激式轉(zhuǎn)換器的另一件事是輸入和輸出的電氣隔離。為什么我們需要隔離？在某些特殊情況下，為了最大限度地降低電源噪聲和安全相關(guān)操作，我們需要隔離操作，其中輸入源與輸出源完全隔離。讓我們探索基本的單輸出反激操作。

反激式轉(zhuǎn)換器的電路操作

如果我們看到如下圖所示的基本單輸出反激式設(shè)計(jì)，我們將確定構(gòu)建一個(gè)所需的基本主要組件。

一個(gè)基本的反激式轉(zhuǎn)換器需要一個(gè)開關(guān)，它可以是一個(gè) FET 或晶體管、一個(gè)變壓器、一個(gè)輸出二極管、一個(gè)電容器。

最主要的是變壓器。在了解實(shí)際電路操作之前，我們需要了解變壓器的正常工作。

變壓器由最少兩個(gè)電感器組成，稱為次級(jí)線圈和初級(jí)線圈，它們纏繞在一個(gè)線圈架中，中間有一個(gè)鐵芯。磁芯決定了磁通密度，這是將電能從一個(gè)繞組傳輸?shù)搅硪粋€(gè)繞組的重要參數(shù)。另一個(gè)最重要的事情是變壓器相位，初級(jí)和次級(jí)繞組中顯示的點(diǎn)。

此外，正如我們所見，PWM 信號(hào)連接在晶體管開關(guān)上。這是由于開關(guān)的關(guān)閉頻率和開啟時(shí)間。

在反激式穩(wěn)壓器中，有兩個(gè)電路操作，一個(gè)是變壓器初級(jí)繞組充電時(shí)的開啟階段，另一個(gè)是關(guān)閉或當(dāng)電能從初級(jí)傳輸?shù)酱渭?jí)時(shí)變壓器的傳輸階段，終于到負(fù)載了。

如果我們假設(shè)開關(guān)已經(jīng)關(guān)閉了很長時(shí)間，那么電路中的電流為 0，并且沒有電壓存在。

在這種情況下，如果開關(guān)打開，則電流將增加，電感器將產(chǎn)生電壓降，該電壓降為點(diǎn)負(fù)，因?yàn)槌跫?jí)點(diǎn)端的電壓更負(fù)。在這種情況下，由于磁芯中產(chǎn)生的通量，能量會(huì)流向次級(jí)。在次級(jí)線圈上，會(huì)產(chǎn)生相同極性的電壓，但電壓與次級(jí)線圈與初級(jí)線圈的匝數(shù)比成正比。由于點(diǎn)負(fù)電壓，二極管被關(guān)閉，次級(jí)不會(huì)有電流流動(dòng)。如果電容器在前一個(gè)開關(guān)-關(guān)閉-打開周期中充電，輸出電容器將只向負(fù)載提供輸出電流。

在下一個(gè)階段，當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，流過初級(jí)的電流會(huì)減少，從而使次級(jí)點(diǎn)端更加積極。與之前的開關(guān) ON 階段相同，初級(jí)電壓極性也在次級(jí)上產(chǎn)生相同的極性，而次級(jí)電壓與初級(jí)和次級(jí)繞組比成正比。由于點(diǎn)正端，二極管開啟，變壓器的次級(jí)電感為輸出電容和負(fù)載提供電流。電容器在導(dǎo)通周期中失去了電荷，現(xiàn)在它再次被重新填充，并能夠在開關(guān)導(dǎo)通期間為負(fù)載提供充電電流。

在整個(gè)開關(guān)打開和關(guān)閉周期中，輸入電源與輸出電源之間不存在電氣連接。因此，變壓器隔離輸入和輸出。

根據(jù)開啟和關(guān)閉時(shí)間的不同，有兩種操作模式。反激式轉(zhuǎn)換器可以在連續(xù)模式或非連續(xù)模式下工作。

在連續(xù)模式下，在初級(jí)充電之前，電流變?yōu)榱悖h(huán)重復(fù)。另一方面，在非連續(xù)模式下，下一個(gè)周期僅在初級(jí)電感電流變?yōu)榱銜r(shí)開始。

反激式轉(zhuǎn)換器的效率

現(xiàn)在，如果我們研究效率，即輸出與輸入功率之比：

（Pout / Pin） x 100%

由于能量不能被創(chuàng)造也不能被摧毀，它只能被轉(zhuǎn)換，大多數(shù)電能將未使用的能量釋放成熱能。而且，在實(shí)際領(lǐng)域也沒有理想的情況。效率是選擇穩(wěn)壓器的一個(gè)重要因素。

開關(guān)穩(wěn)壓器的主要功率損耗因素之一是二極管。正向壓降乘以電流 （Vf xi） 是未使用的功率，它會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量并降低開關(guān)穩(wěn)壓器電路的效率。此外，對于熱/熱管理技術(shù)（例如使用散熱器或風(fēng)扇來冷卻電路的散熱），這是電路的額外成本。不僅正向壓降，硅二極管的反向恢復(fù)也會(huì)產(chǎn)生不必要的功率損耗和整體效率的降低。

避免使用標(biāo)準(zhǔn)恢復(fù)二極管的最佳方法之一是使用具有低正向壓降和更好反向恢復(fù)的肖特基二極管。另一方面，開關(guān)已改為現(xiàn)代 MOSFET 設(shè)計(jì)，在緊湊和更小的封裝中提高了效率。

盡管開關(guān)穩(wěn)壓器具有更高的效率、固定設(shè)計(jì)技術(shù)、更小的組件，但它們比線性穩(wěn)壓器噪聲大，但它們?nèi)匀粡V受歡迎。

使用 LM5160 的反激式轉(zhuǎn)換器示例設(shè)計(jì)

我們將使用德州儀器 （TI） 的反激式拓?fù)?。該電路可在?shù)據(jù)表中獲得。

該LM5160包括以下特點(diǎn)-

4.5V 至 65V 寬輸入電壓范圍

集成高邊和低邊開關(guān)

無需外部肖特基二極管

2A 最大負(fù)載電流

自適應(yīng)恒定導(dǎo)通時(shí)間控制

無外部環(huán)路補(bǔ)償

快速瞬態(tài)響應(yīng)

可選的強(qiáng)制 PWM 或 DCM 操作

FPWM 支持多輸出 Fly-Buck

幾乎恒定的開關(guān)頻率

電阻可調(diào)高達(dá) 1 MHz

程序軟啟動(dòng)時(shí)間

預(yù)偏置啟動(dòng)

±1% 反饋電壓基準(zhǔn)

LM5160A 允許外部 VCC 偏置

堅(jiān)固設(shè)計(jì)的固有保護(hù)功能

峰值電流限制保護(hù)

可調(diào)輸入 UVLO 和遲滯

VCC 和柵極驅(qū)動(dòng) UVLO 保護(hù)

具有遲滯的熱關(guān)斷保護(hù)

使用 LM5160A 和 WEBENCH? 電源設(shè)計(jì)器創(chuàng)建定制設(shè)計(jì)

它支持 4.5V 至 70V 的寬輸入電壓范圍作為輸入，并提供 2A 的輸出電流。我們還可以選擇強(qiáng)制 PWM 或 DCM 操作。

LM5160的引腳排列

該 IC 不適用于 DIP 封裝或易于焊接的版本，雖然這是一個(gè)問題，但該 IC 節(jié)省了大量 PCB 空間，并且與 PCB 散熱器相比具有更好的熱性能。引腳圖如上圖所示。

絕對最大額定值

我們需要注意 IC 的絕對最大額定值。

SS 和 FB 引腳具有低電壓容差。

反激式轉(zhuǎn)換器電路圖和工作原理

通過使用此 LM5160，我們將根據(jù)以下規(guī)格模擬 12V 隔離電源。我們選擇了該電路，因?yàn)樗袃?nèi)容都可以在制造商網(wǎng)站上找到。

原理圖使用了大量的組件，但理解起來并不復(fù)雜。輸入端的 C6、C7 和 C8 用于過濾輸入電源。而 R6 和 R10 用于欠壓鎖定相關(guān)目的。R7 電阻器用于接通時(shí)間相關(guān)的目的。該引腳可使用一個(gè)簡單的電阻器進(jìn)行編程?？缃釉?SS 引腳上的 C13 電容是一個(gè)軟啟動(dòng)電容。AGND（模擬地）和 PGND（電源地）和 PAD 與電源 GND 相連。在右側(cè)，C5，0.01 uF 電容是一個(gè)自舉電容，用于柵極驅(qū)動(dòng)器的偏置。R4、C4 和 C9 是紋波濾波器，其中 R8 和 R9 為 LM5160 的反饋引腳提供反饋電壓。這兩個(gè)電阻的比例決定了輸出電壓。C10 和 C11 用于初級(jí)非隔離輸出濾波。

一個(gè)主要組件是T1。它是一個(gè)耦合電感，在初級(jí)和次級(jí)兩側(cè)都有一個(gè) 60uH 的電感。我們可以選擇具有以下規(guī)格的任何其他耦合電感器或sepic電感器-

匝數(shù)比 SEC:PRI = 1.5 ： 1

電感 = 60uH

飽和電流 = 840mA

初級(jí)直流電阻 = 0.071 歐姆

二次直流電阻 = 0.211 歐姆

頻率 = 150 kHz

C3 用于 EMI 穩(wěn)定性。D1 是轉(zhuǎn)換輸出的正向二極管，C1、C2 是濾波電容，R2 是啟動(dòng)所需的最小負(fù)載。

那些想要定制規(guī)格的電源并想要計(jì)算值的人，制造商提供了出色的Excel 工具，您只需在其中簡單地輸入數(shù)據(jù)，Excel 將根據(jù)數(shù)據(jù)表中提供的公式計(jì)算組件值。

制造商還提供了 spice 模型以及完整的原理圖，可以使用德州儀器自己的基于 SPICE 的仿真工具 TINA-TI 進(jìn)行仿真。下面是使用制造商提供的 TINA-TI 工具繪制的原理圖。

下一張圖片可以顯示仿真結(jié)果，其中可以顯示完美的負(fù)載電流和電壓-