前辈工程师分享（1）：开关电源设计教程—伏秒平衡
品慧电子讯很多工程师都能回想起自己初学电源时的情景，从最基础的理论基础开始，大量的查阅资料。经历了迷茫和困惑，用时间一点点的积累。小编将为大家整理一系列有关开关电源设计的教程，几乎包含了开关电源的所有拓扑。这些教程由前工程师编写，根据自身的自学经验为大家量身打造，希望能够帮助大家走出迷茫，尽快迈上正轨。在本篇文章当中将分享来自前工程师从开关电源到伏秒平衡的相关知识。现在市面上的开关电源，总体来讲，其实就两类，一类是PWM类型的(也许有人会说还有PFM，RCC等等但是归根结底这还是一类的)，包括Flyback、Buck、Boost、Buck-Boost、Flyback、正激、硬半桥、硬全桥、移相全桥、推挽等等。这一系列开关电源的工作核心就是电感伏秒平衡原理。下面就说说伏秒平衡，这个绝对是核心中的核心，容不得半点折扣。先做一下基本的公式推倒：
其实所谓的伏秒平衡就是磁芯的励磁、退磁的过程。电感在Ton时候励磁，储存能量，在Toff时候，退磁，释放能量。从上面的推倒可以看出，用(E*Ton)就直接可以表示磁芯的励磁能量。磁芯在每个工作周期，都要先励磁，然后再复位。因为电源在稳定工作状态，磁芯每个周期储存的能量必须等于释放的能量，要不然磁芯就饱和了。所以就可以推导出下面这个超级简单实用的公式：E1*Ton= -E2*Toff(特别指出，这个公式成立的充要条件是电感各个绕组都在同一个磁芯上，绕组可以是1~n个)E1、E2指的是同一个绕组两端的电压。Ton指的是E1持续的时间。Toff指的是E2持续的时间。这个公式的主要作用在哪里呢?在推导各种PWM拓扑结构的输入输出关系的时候，上面那个公式就非常重要了。有了它，不管是什么拓扑，只要是PWM的，输入输出关系就很容易清晰的证明出来，是非常重要的一个公式。接下来就开始进入正题，讲一下反激式开关电源的设计。反激式开关电源大家再熟悉不过，其优点不在少数，结构简单且成本低廉。最重要的是适应的功率范围比较广，几瓦到200瓦，市电输入，输出电压不超过63V，输出电流不超过15A，在这个范围内，反激式到目前为止还是很有优势的。甚至有的产品为了对成本进行节约，将反激做到了500W。接下来我们就来讲一下反激式开关电源的设计，上面说了伏秒平衡，那个是推导所有的PWN类型的开关电源的基础。12345下一页> - 第一页：开关电源设计教程—伏秒平衡（1）
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图1Mos关开通电源电压加到电感两端，电感有电流流过，感应电压上正下负。二极管反偏，次级电解电容没有有效回路对电感励磁，所以，电感储存能量全部来自初级。电感两端伏秒积为Vin*Ton。
图2开关管关断电感感应电压反转，变为下正上负，电感对输出释放能量，电感磁芯复位。次级电解电容对电感励磁。伏秒积为：Vout*Toff。由同一个磁芯上伏秒平衡原理Vin*Ton+Vout*Toff=0得到：Vout=-(Vin*Ton)/Toff=-Vin* (只对连续模式成立)断续模模式Toff还要减去死区，这样推导的话，应该比较容易让大家理解。<上一页12345下一页> - 第一页：开关电源设计教程—伏秒平衡（1）
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图3如图3所示，主回路关键元器件就那几个：输入主电解电容，变压器，开关管，整流二极管，输出电解电容。下面分析一下反激式的基本工作原理。参照图3，开关管导通：变压器初级电流上升，磁心储存能量，次级线圈与初级同名端相反，二极管截至。初级线圈上面的伏秒积：Vin*Ton。
图4开关管关，初级线圈没有放电回路，因为电感电流不能突变，线圈感应电动势反转，次级二极管导通，磁芯通过次级二极管放电，输出点解电容对磁芯励磁，磁芯复位。开关管关断，次级线圈上的伏秒积：n*Vout*Toff。同一个磁芯上，由伏秒积平衡原理：Vin*Ton=n*Vout*Toff化简 得到反激式输入输出的关系式：Vout=(1/n)*<(Vin*Ton)/Toff>Ton=T*DVoff=T*(1-D)代入上式得Vout=(1/n)上面式子只是对连续模式反激成立，临界或者断续模式需要减去四区，四区时间，次级二极管截止，次级不对磁芯励磁。观察上面的输入输出关系，我们会发现，决定反激式变压器输入输出关系的参数：<上一页12345下一页> - 第一页：开关电源设计教程—伏秒平衡（1）
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图5连续模式。图5是连续模式的主要工作波形，初级次级电流都有一部分是直流成分。
图6在相同的输入电压输入功率条件下，Iavg一定，电流波形越连续，那么初级回路上的峰值电流就越小，特别是关断电流Ipk1，Ipk1对于关断损耗影响非常大。平均电流跟峰值电流的关系这个计算其实很简单，也就初中几何就足够了，计算电流波形的面积。开关管开通阶段，流过电感的电流：(1/2)*(Ipk1+Ipk2)*Ton (体形面积)平均到整个周期就得到输入的平均电流。Iavg=<(1/2)*(Ipk1+Ipk2)*Ton>/(Ton+Toff)设计时候我们是把上式倒过来用的，用平均电流求出峰值电流。一般习惯性的用一个字母K代表Ipk1/Ipk2，这个K值，影响到初级电流的连续程度。连续模式适用于输入电压相对较低，功率相对较大的情况下。关于什么时候使用连续模式，什么时候使用断续模式，这个其实没有绝对的，一般情况下，对于十几瓦以下的东西，一半都使用断续模式，现在PSR在小功率方面比较主流，PSR的充电器一般都是断续模式，有些IC为了适应新的能耗要求，又开始使用谷底导通技术，所以这一类只能工作在断续模式。<上一页12345下一页> - 第一页：开关电源设计教程—伏秒平衡（1）
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图7 临界模式Flyback的工作波形本篇文章主要介绍了伏秒平衡和反激式的设计，希望大家能够充分理解文章当中的知识点。从事电源工程师行业，实践经验的重要性要远远大于基础理论的学习，知识都是在问题的解决和实践中学习到的，而不是对着书本死磕理论得来的。在下一篇教程当中，将为大家梳理反激开关电源的设计流程。
