电源拓扑从入门到精通 - 4_src电路

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其实双管正激原理相当简单，我们用示意图来表示：见图，双管正激总是两个 MOS 管同时导通和同时关闭，不难看出双管同时导通时 MOS 管承受的电压为电源电压，二极管 D1 和 D2 此时是反向截止的。

 

两管同时关闭时，原边励磁线圈电压极性反转成下正上负（如果不能理解这一点则需要翻一下电磁学的书了），大小与输入电压相同。此时二极管 D1 和 D2 导通，MOS 管承受的电压不会高于电源电压。

 

如果这两个图看懂了，那么恭喜你双管正激的的原理你已掌握。

双管正激的不便之处在于：两 MOS 的管驱动通常需要用采用驱动芯片。

 

RCD 钳位是一种低效率的方法，但电路相当简单，而且占空比不再局限在小于 0.5，可以大于0.5。这是通过调整电阻的阻值来实现的，电阻阻值小了放电自然就快了。

 

RCD 钳位对于不在乎效率的场合不失为一种简单有效的方法。同时 RCD 钳位并不是单管正激所特有，其钳位原理和反激变换器的 RCD 钳位完全一样，比较一下两者的电路拓扑自然就明白，左边的是反激，右边的为正激，可以看出除了变压器的同名端不同外，其余完全一样。
 

 

有源钳位也是常用的钳位方法，我们先看看 “有源钳位” 这四个字是什么意思？有源----有什么源？为何叫有源钳位？估计很少有人知道。

 

我们常常看到或听到 “主动 PFC”， “被动 PFC”，“有源滤波”，“无源滤波” 等，名称叫得的很乱，其实这是翻译的问题，在英文里元器件就两种：Active 和 Passive。

▪ Active：指半导体器件，中文翻译常常翻译成“主动”、“有源”，就是晶体管、集成电路之类的半导体器件；

 

▪ Passive：中文常常翻译成“被动”、“无源”。实际指电阻电容电感。

 

所谓主动 PFC 就是用到了 晶体管或集成电路，“有源滤波”也一样。因此，一看到有源就知道电路里一定用到了半导体器件，诸如三极管、继承电路等；一看无源必然是电阻、电容、电感组成的电路。

单端正激最有效的钳位莫过于有源钳位，这有源钳位听上去很高大上的样子，实际电路并不复杂，一个 MOS 管一个电容而已。由于用到了有源器件（active）而称为有源钳位，不过钳位电路本身虽不复杂，但控制电路要求很高，我们以理解钳位原理为主，控制部分交给专门集成电路去做。

我们先来认识一下有源钳位的电路构成，有源钳位分两种：

1）Low Side Active Clamp，如图：

 

2）High Side Active Clamp， 如图：

 

比较一下高位驱动钳位和低位驱动钳位，不难发现除了钳位电路连接点不同外，所用的 MOS 也不一样，一个是 P-MOS，一个是 N-MOS。

有源钳位目前应用很广，是很好的单端正激钳位方式，好处主要表现在：

❶ MOS 管的电压应力小
❷ 零电压切换
❸ EMI 小
❹ 占空比可做到大于50%
❺ 损耗小

顺便说有源钳位电路不但可以用在正激上，同样可以应用在反激电源的钳位。

 

接下来讲 Synchronous Rectification，我们先看两个实际电路认识一下高端驱动和低端驱动（花一分钟看一下受益无穷）：

1） 高端驱动

 

2）低端驱动
低端有源钳位由于必须使用 P-MOS 管，因此 gate 的驱动电压为负，借助于专用 IC，这个负电压的问题就很好解决了。

 

有源钳位内容有点多，我们先搁置一下，稍后再轮转回来继续。

? 小知识

▪ 有源的称为器件，比如三极管、二极管、集成电路等；

▪ 无源的称为元件，比如电阻电容电感等。

故有半导体器件厂，无线电元件厂之分。

有牛人用 MOS 管代替二极管弄出了所谓的同步整流，见下图，效率大大提高。可惜了我怎么想不出来，不过想想也就释然了，因为我不是牛人，我们把牛人的思路搞清了也就站在了牛人的肩膀上了。

 

同步整流更常见的画法如下：

 

为何称为同步整流？什么和什么同步？同步整流怎么就效率高了呢？

 

有三种拓扑各位一定听到过：

❶ 推挽式 （PUSH/PULL）
❷ 半桥 （HALF BRIDGE）
❸ 全桥 （FULL BRIDGE）

这三种拓扑都有一个相同的拓扑名称：对称变换器

 

? 什么是对称变换器？

? 顾名思义，对称一定是偶数。

? 变化器中什么东西为偶数才能称得上对称呢？

? 毫无疑问是开关（switch）。

? 电源中用什么东西做开关？

? 不用说也知道 MOS 管。因此这种变换器中 MOS 管一定是对称使用的，或者数量一定是偶数的。

我们先来熟悉一下第一种：推挽式变换器，也称推拉式变换器，如图所示：

 

图中的 T1 及 T2 为开关，实际电路中为 MOS 管。

推挽式变换器实际是两个正激变换器的组合，副边的频率是原边的两倍，因此滤波电感电容可用得较小，输入输出符合变压器原理，副边的输出电压为：

Vout = 2Vin * D* Ns/Np

Vin：输入电压
D： 占空比
Ns： 副边绕组匝数
Np：原边绕组匝数

通常推挽式变换器通常用在低输入电压的场合，由于变压器绕组电流为两个方向分别导通，因此无需复位电路，磁芯的利用率很高，损耗较小。

换一种画法可能会更容易看出推挽式变换器的结构，如图：

 

推挽式变换器通常采用专用 IC 来完成控制，比如 LM5030 等，下图是 LM5030 应用实例的简化图，可帮助理解。

 

半桥（Half Bridge）—— 一个常用的拓扑
何为半桥？顾名思义就是半个桥啦。如图，Q1 和 Q2 为桥的一边，桥的那端没有东西了，好吧，弄两个电容搁在那里权且支撑一下，于是半桥的名称由此诞生。

 

各位，先花半分钟看一下图，看看半桥两个 MOS 管、两个电容和变压器是怎么连接的。

 

半桥也是很厉害的一种拓扑，做个 500W 电源全不在话下，做个 1000W 也是拿得起放得下。

半桥拓扑其实就是基于变压器隔离的正激拓扑，既然是变压器毫无疑问其输入输出的关系符合变压器原理，从图中可以看出当 C3 = C4 时，C3 和 C4 的节点为输入电源的一半，如图所示，当 Q1 导通时，加在变压器原边的电压为 C3 上的电压，即输入电压的一半。因此对半桥来说，MOS 管的电压应力较小。

 

半桥虽然很厉害的样子，但也是有很大的缺陷的。由于变压器的电压仅为输入电压的一半，在相同的输出功率情况下很，明显输入电流会增大一倍，MOS 管的功耗明显上升，因此效率会打折扣。所以，半桥比较适合高输入电压的应用。

 

注意图中的 CB 为隔直电容，防止直流电流流过磁芯。

 

迄今为止我们以认识了不少拓扑形式，但是这些拓扑都有一些难以克服的问题，主要表现在：

 

❶ 工作频率低，磁芯体积大，磁芯损耗高

❷ 开关损耗大，整体效率低

❸ 硬开关导致EMI噪声高

❹ 散热器体积大

❺ 整机体积大

其实也没有什么好办法来改善这些拓扑的效率、体积及 EMI 的问题，于是经过不懈的努力谐振拓扑出现了（说的好像是我发明一样的）。

 

谐振拓扑 (RESONANT TOPOLOGIES) 主要有以下三种：• 串联谐振变换器

• Series Resonant Converter，简称 SR 或 SRC

• 并联谐振变换器

• Parallel Resonant Converter，简称 PR 或 PRC
• LLC 谐振变换器

• LLC resonant converter，简称 LLC

LLC 比串联谐振和并联谐振强多了。串联谐振和并联谐振最大的问题是不适合宽电压输入和宽范围负载。而 LLC 厉害多了，主要表现在：

❶ 宽电压输入范围内很大限度的减小开关损耗
❷ 高电压输入时小化循环能量损耗
❸ 最小化 MOS 管开关损耗（零电压时开即所谓的 ZVS，及最小电流时关）

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