正激(Forward)和反激(Flyback)是两种最常见的隔离型开关电源拓扑,它们都使用变压器实现输入输出的电气隔离和电压变换。它们之间的核心区别在于变压器的工作方式和能量传递的机制。
我们先看看反激电路:
Q1:开关管,可以调控开通与关断的时间,Q开通时,输入端为负载及电
感L提供能量。
D1:续流二极管,Q关断时,电感L提供释放能量,续流二极管为电感L提
供释放通路。
T:变压器,实质上是耦合储能电感,原边绕组Np在Ton时存储能量,副
边绕组Ns在Toff时释放所存的能量。
C1:输入端功率电容, C2:输出端功率电容
当开关管Q1导通时:变压器初级线圈Np电压极性为上正下负,次级线圈Ns为上负下正。由于二极管反向截止,次级回路实际没有电流,此时初级线圈相当于一个电感,用于储能。期间负载所需的能量由电容C2负责提供。
当开关管Q1断开时:二极管D1导通,此时,变压器中所存的能量通过副边绕组Ns在输入电压Vo之下向负载及电容C2释放。即:由于电感上的的电流不能突变,为阻止这个突变,初级线圈Np上会感应出一个为上负下正的电压。此时次级线圈Ns为上正下负,二极管正向导通,次级回路一部分给电容充电,一部分给后级负载供电。这个过程初级线圈释放能量。
总的来说,反激拓扑就是把输入的一个直流电经过开关管开关产生了一个PWM波,将PWM波送入到变压器的初级线圈Np,然后次级线圈感应出的电压经过整流滤波输出另一个直流电。其主要特点:“先储能、后释放”且能量传递发生在开关管关断阶段的特性。
再看看正激电路:
Q1:开关管,可以调控开通与关断的时间。
D1:整流二极管,Q1开通时,为电感L储能和负载耗能(Ton)提供能量供给通路。
D2:续流二极管,Q1关断时,为电感L向负载释放所存能量(Toff)提供释放通路。
T1:变压器,承担即时能量传输与初次极电气隔离的任务。
L1:电感器,以先存储后释放的方式传输能量。
C1:输入端功率电容, C2:输出端功率电容。
开关管Q1开通时:整流二极管D1导通,续流二极管D2反偏截止,此时,Vs通过变压器T1、整流二极管D1,向负载提供能量,同时为处于储能状态的电感L1提供能量。Ton状态中,前Ton/2时间电容C2放电,后Ton/2时间是电容C2充电,其充放电是平衡的。
开关管Q1关断时:整流二极管D1截止,续流二极管D2导通,此时,电感L1通过续流二极管D2,将所存能量的一部分提供给负载。Toff状态中,前Toff/2时间电容C2充电,后Toff/2时间电容C2放电,其充放电是平衡的。
总的来说,正激电源的变压器主要用于能量传输而非能量存储,没有内在的复位机制。当开关管关断时,励磁电流存储的能量需要专门路径释放,否则会产生高压尖峰损坏开关管。复位绕组和复位二极管提供了能量回馈路径,可以将励磁能量无损地回馈到输入电源。其主要特点:“即时传递、同步工作”且能量传递发生在开关管导通阶段的特性。
正激和反激的差异对比如下表所示:
正激: “直通车”。开关管开:能量直接从输入经变压器、输出电感到输出。需要“刹车”(复位电路)让变压器准备好下次传递。
反激: “先存后取”。开关管开:能量存进变压器(初级)。开关管关:存好的能量从变压器(次级)释放到输出。
我们在实际运用中选择哪种拓扑主要取决于功率等级、成本要求、效率目标、尺寸限制和输出电压路数。小功率低成本首选反激;中高功率追求效率或功率密度则考虑正激及其改进型(如双管正激、有源钳位正激)。