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电子产品&设备:开关电源FLY-关键波形分析!

电子产品&设备开关电源使用越来越广泛!基本的FLY变换器原理图如下所示,在需要对输入输出进行电气隔离的低功率<75W~的开关电源应用场合,反激变换器(FLY Converter)是最常用的一种拓扑结构。简单、可靠、低成本、易于实现是反激变换器突出的优点;接下来我将电源的关键部分的波形进行分析!

开关电源-FLY原理方案设计如下:

开关电源系统主要器件为:开关MOS管,开关变压器,输出整流二极管;同时这三个器件也是EMI的产生的骚扰源头;开关电源-FLY其变压器的架构都会设计有气隙的磁芯变压器,当主开关器件MOSFET导通时,能量以磁通形式存储在变压器中,并在MOSFET关断时传输至输出。由于变压器需要在MOSFET导通期间存储能量,磁芯都要有气隙(大部分能量在气隙中),基于这种特殊的功率转换过程,所以FLY反激式变换器可以设计转换传输的功率有一定的限制,但很适用低成本中低功率应用的电子产品&设备的供电系统的应用!

再来看一下FLY反激变换器的工作机理如下图:

FLY反激变换器在正常工作情况下,当MOSFET关断时,初级电流(Id)在短时间内为 MOSFET的Coss(即Cgd+Cds)充电,当Coss两端的电压Vds超过输入电压及反射的输出电压之和(Vin+nVo)时,次级二极管导通,初级电感Lp两端的电压被箝位至nVout。因此初级总漏感Lk(即Lkp+n2×Lks)和Coss之间发生谐振,产生高频&尖峰高压,如MOS管上的过高的电压可能导致产品的可靠性问题。

参考上图:FLY-反激式变换器可以工作在连续导通模式(CCM)和不连续导通模式(DCM)模式下;

当工作在CCM模式时,次级二极管保持导通直至MOSFET栅极导通,而MOSFET导通时,次级二极管的反向恢复电流被添加至初级电流,因此在导通瞬间初级电流上出现较大的电流尖峰;

当工作在DCM模式时,由于次级电流在一个开关周期结束前电流为零,可以实现零电流的开关模式;这个DCM模式下对EMI是有利的;因此我一般是建议电子产品&设备使用FLY开关电源系统时要设计工作在DCM模式下;但此时会出现Lp和MOSFET的Coss之间发生谐振!以下进行Data分析;

如上图所示的包含寄生元件的FLY变换器结构图,其中Cgs、Cgd和 Cds分别为开关管MOSFET的栅源极、栅漏极和漏源极的杂散电容,Lp、Lkp、Lks和Cp分别为变压器的初级电感、初级电感的漏感、次级电感的漏感和原边线圈的杂散电容,Cj为输出二极管的结电容。

注意:开关MOS-S脚到C1的红色走线与Coss& Lkp与Coss的谐振会造成我们30MHZ-50MHZ的频域EMI辐射问题!

在开关管开通瞬间,由于电容两端电压不能突变,杂散电容Cp两端电压开始是上负下正,产生放电电流,随着开关管逐渐开通,电源C1电压Vin对杂散电容Cp充电,其两端电压为上正下负,形成流经开关管和Vin的电流尖峰;

同时Cds电容对开关管放电,也形成电流尖峰,但是此尖峰电流不流经Vin,只在开关管内部形成回路;另外,如果变换器工作在CCM模式时,由于初级电感Lp两端电压缩小,输出二极管D开始承受反偏电压关断,引起反向恢复电流,该电流经变压器耦合到原边侧,也会形成流经开关管和Vin的电流尖峰。

在开关管开通阶段,输出二极管D截止,电容Cp两端电压为Vin,通过初级电感Lp的电流指数上升,近似线性上升。

在开关管关断瞬间,初级电流id为Coss充电,当Coss两端的电压超过Vin与nVo(输出二极管D开通时变压器副边线圈电压反射回原边线圈的电压)之和时,输出二极管D在初级电感Lp续流产生的电压作用下正偏开通,Lk和Coss发生谐振,产生高频震荡电压和电流。

在开关管关断阶段,输出二极管D正偏导通,把之前存储在Lp中的能量释放到负载端,此时副边线圈电压被箝位等于输出电压Vo,经匝比为n的变压器耦合回原边,使电容Cp电压被充电至nVo(极性下正上负),初级电感Lp两端的电压被箝位至nVo。当Lp续流放电结束后,输出二极管D反偏截止,Lp和Coss、Cp发生谐振,导致Cp上的电压降低。

FLY-MOS管的源极流出的电流(Is)与流入的电流(Id)波形进行对比分析。

A.示波器测试开关MOS的漏极(Id)的电流:

CH1:IC-CS(采样电阻)CH2:VDS  CH3:IC-DRV(驱动)CH4:Id(测试漏极D)

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