探究不同模式下反激式開關(guān)電源的損耗

裴向會(huì)

摘 要：反激式開關(guān)電源對(duì)比于其他類型電源具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作更為穩(wěn)定可靠、控制性好等突出特點(diǎn)，這些特點(diǎn)是反激式開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)多路輸出隔離的小功率電源的顯著優(yōu)勢(shì)，高集成智能芯片的產(chǎn)生和廣泛使用，更是讓反激式開關(guān)電源應(yīng)用越來越多。然而，由于反激式開關(guān)電源只有在開關(guān)管斷開期間才能把存儲(chǔ)能量提供給負(fù)載，使得反激式開關(guān)電源的損耗相對(duì)較大、效率低于其他開關(guān)電源。本文通過探究不同模式下反激式開關(guān)電源的耗能情況，希望能夠?yàn)樘岣叻醇な介_關(guān)電源的能量效率提供一定幫助。

關(guān)鍵詞：不同模式；反激式開關(guān)電源；損耗

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展帶動(dòng)著技術(shù)的進(jìn)步、人們生活要求的提高，加之高性能的功率開關(guān)管和高集成智能芯片的出現(xiàn)和使用，更小耗能、高效率的開關(guān)電源正在廣泛被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1]。針對(duì)反激式開關(guān)電源的優(yōu)勢(shì)，如何提高其反激式變換器的能量傳輸效率，降低能源在電路中的損耗，是反激式開關(guān)電源亟待解決的難題[4]。本文通過研究在DCM（斷續(xù)模式）和CCM（連續(xù)模式）兩種不同模式下反激變換器能耗情況及影響因素，分析不同模式下反激式開關(guān)電源耗能的差異，得出相應(yīng)結(jié)論，對(duì)改進(jìn)反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)，提高其效率有一定的指導(dǎo)意義。

1、反激式變換器工作模式

反激式變換器DCM（斷續(xù)模式）和CCM（連續(xù)模式）兩種模式的原邊電流波形梯形和三角形，DCM模式的電流波形如下圖所示：

1.1 DCM模式

DCM模式下反激變換器主要波形中：T1為變換器開始工作時(shí)刻；Ts為變換器結(jié)束工作時(shí)刻；U為初級(jí)電壓；I為初級(jí)電感電流；I1為次級(jí)電感電流[1]。

DCM模式下反激式變換器開關(guān)管的最大占空比受最小輸入電壓、反激電壓、副邊二極管導(dǎo)通電壓的影響，其中U一般為85-265V，反激電壓允許范圍為90-150V。

導(dǎo)通工作時(shí)，變換器初級(jí)電壓作用到次級(jí)，再經(jīng)過次級(jí)二極管截止，最后二極管承受的最大電壓為USmax=UINmax/n+UO [1]

1.2 CCM模式

CCM模式下反激變換器主要波形中：T1為變換器開始工作時(shí)刻；Ts為變換器結(jié)束工作時(shí)刻；U為初級(jí)電壓；I為初級(jí)電感電流；I1為次級(jí)電感電流。

導(dǎo)通工作時(shí)，變換器初級(jí)電壓作用到次級(jí)，再經(jīng)過次級(jí)二極管的截止，二極管承受的最大電壓為USmax=UINmax/n+UO ，同DCM模式一樣。

2、反激變換器損耗情況

反激變換器的能源損耗和對(duì)電源效率的影響情況在不同的輸入電壓和負(fù)載情況下也是不同的[2]。本文研究分析采用的是TOP系列開關(guān)電源集成電路，研究條件是，220V交流電下反激變換器的在不同模式下的損耗情況。由于反激變換器的單側(cè)電路中電流比較小，所以，可忽略部分電路的損耗情況，如EMI濾波電路、鉗位電路、磁珠等，故功率器件、次級(jí)二極管、輸出電容及高頻變換器等損耗是反激式變換器的主要損耗部分，其中二極管損耗包括導(dǎo)通損耗、截止損耗和開關(guān)損耗，開關(guān)時(shí)間和反應(yīng)時(shí)間可忽略不計(jì)，故截止損耗可以忽略[2]。

二極管因內(nèi)部存在電阻，其損耗公式為：PF=UFIF（AV）+rDI2F（RMS）

高頻變壓器損耗分為磁芯損耗和線圈損耗兩部分，其中磁芯損耗主要為交流磁化過程中的磁滯、渦流等，磁芯損耗公式為：Pfe=kfmBpnVe[2]

線圈損耗分為直流、交流兩種損耗，再考慮到濾波電容有等效串聯(lián)電阻 RESR，因此損耗公式為：Pc=Iac2·RESR

開關(guān)管損耗方面，整個(gè)導(dǎo)通占空比越大，輸出端損耗就越小，開關(guān)管的占空比為0.45時(shí)，反激式開關(guān)電源的損耗最低，效率最高。

3、實(shí)驗(yàn)研究

3.1 兩種不同模式下電源滿載時(shí)反激變換器的損耗情況

在同等占空比、輸入電壓條件下，不同模式下反激變換器主要參數(shù)值和耗能情況見表1，通過表1中各項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出CCM模式下的電流峰值不論是初級(jí)還是次級(jí)都相對(duì)較小，CCM模式下梯形波峰值小于DCM模式下三角波峰值，可見在降低變換器損耗方面，CCM模式是更好的選擇。但仍然存在的問題是，CCM模式二次側(cè)高頻變換器和二極管的損耗比DCM模式大、磁芯截面積和高頻變換器體積也大[3]。

DCM和CCM模式下電源模塊滿載時(shí)損耗情況詳見下表：

3.2 不同負(fù)載對(duì)反激變換器的影響

結(jié)合耗能結(jié)果進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)和分析結(jié)果基本一致：滿載時(shí)，反激變換器效率低；輕載時(shí)，反激變換器損耗情況嚴(yán)重，效率較低；半載時(shí)，負(fù)載電流情況合適，反激變換器功率損耗也相對(duì)較??；負(fù)載剛剛過半，達(dá)到0.6占比時(shí)，反激變換器效率較高，甚至可達(dá)到90%[3]。

3.3 CCM模式下的電源空載情況

設(shè)空載時(shí)測(cè)得的輸出電壓均值V1，V為額定輸出電壓，電壓精度計(jì)算公式為：γ=|V1-V|/V×100%[3]

實(shí)驗(yàn)額定輸出電壓V為220V，當(dāng)輸出電壓紋波為100mV時(shí)，電壓精度為0.81%。當(dāng)輸出電壓紋波為150mV時(shí)，電壓精度為1.21%。電壓精度均小于3%，輸出；穩(wěn)定。

結(jié)束語：

反激式開關(guān)電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作性能穩(wěn)定可靠而且控制性能好，是多路輸出隔離的小功率電源的主要實(shí)現(xiàn)途徑，應(yīng)用普遍。然而，近年來其耗能情況備受關(guān)注，本文通過對(duì)DCM（斷續(xù)模式）和CCM（連續(xù)模式）兩種不同模式下反激式開關(guān)電源的耗能情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和分析，耗能情況合理。針對(duì)反激式開關(guān)電源的耗能結(jié)果和分析情況，希望能夠?yàn)橛嘘P(guān)反激式開關(guān)電源的更優(yōu)質(zhì)設(shè)計(jì)提供幫助，促進(jìn)低耗能、高效率的反激式開關(guān)電源的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，更好地服務(wù)于社會(huì)生產(chǎn)和人們生活。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳永真，孟麗囡.高效率開關(guān)電源設(shè)計(jì)與制作[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[2]陳永真.開關(guān)電源進(jìn)入高效率功率變換時(shí)代[N].中國(guó)電子報(bào)，2004.

[3] 張維. 單端反激式開關(guān)電源研究與設(shè)計(jì)[D]. 西安： 西安電子科技大學(xué)， 2011.

[4] 楊立杰. 多路輸出單端反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2007， 3（6）： 23-26.