探究不同模式下反激式開關(guān)電源的損耗

裴向會

摘 要：反激式開關(guān)電源對比于其他類型電源具有結(jié)構(gòu)簡單、工作更為穩(wěn)定可靠、控制性好等突出特點，這些特點是反激式開關(guān)電源實現(xiàn)多路輸出隔離的小功率電源的顯著優(yōu)勢，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能量提供給負載，使得反激式開關(guān)電源的損耗相對較大、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，希望能夠為提高反激式開關(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)濟的快速發(fā)展帶動著技術(shù)的進步、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)電源正在廣泛被應用于各個領(lǐng)域[1]。針對反激式開關(guān)電源的優(yōu)勢，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，得出相應結(jié)論，對改進反激式開關(guān)電源的設(shè)計，提高其效率有一定的指導意義。

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刻；Ts為變換器結(jié)束工作時刻；U為初級電壓；I為初級電感電流；I1為次級電感電流[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。

導通工作時，變換器初級電壓作用到次級，再經(jīng)過次級二極管截止，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刻；Ts為變換器結(jié)束工作時刻；U為初級電壓；I為初級電感電流；I1為次級電感電流。

導通工作時，變換器初級電壓作用到次級，再經(jīng)過次級二極管的截止，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電源效率的影響情況在不同的輸入電壓和負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通損耗、截止損耗和開關(guān)損耗，開關(guān)時間和反應時間可忽略不計，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，整個導通占空比越大，輸出端損耗就越小，開關(guān)管的占空比為0.45時，反激式開關(guān)電源的損耗最低，效率最高。

3、實驗研究

3.1 兩種不同模式下電源滿載時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中各項數(shù)據(jù)對比可以看出CCM模式下的電流峰值不論是初級還是次級都相對較小，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損耗情況詳見下表：

3.2 不同負載對反激變換器的影響

結(jié)合耗能結(jié)果進行分析，實驗和分析結(jié)果基本一致：滿載時，反激變換器效率低；輕載時，反激變換器損耗情況嚴重，效率較低；半載時，負載電流情況合適，反激變換器功率損耗也相對較??；負載剛剛過半，達到0.6占比時，反激變換器效率較高，甚至可達到90%[3]。

3.3 CCM模式下的電源空載情況

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

實驗額定輸出電壓V為220V，當輸出電壓紋波為100mV時，電壓精度為0.81%。當輸出電壓紋波為150mV時，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現(xiàn)途徑，應用普遍。然而，近年來其耗能情況備受關(guān)注，本文通過對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)電源的耗能情況進行實驗和分析，耗能情況合理。針對反激式開關(guān)電源的耗能結(jié)果和分析情況，希望能夠為有關(guān)反激式開關(guān)電源的更優(yōu)質(zhì)設(shè)計提供幫助，促進低耗能、高效率的反激式開關(guān)電源的設(shè)計和生產(chǎn)，更好地服務于社會生產(chǎn)和人們生活。

參考文獻：

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

[2]陳永真.開關(guān)電源進入高效率功率變換時代[N].中國電子報，2004.

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

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