直流电源速成班

电源可分为两种类型：根据输出电压类型，可分为直流电源或交流电源。这些类型根据系统的终需求和项目规范所需的复杂性而变化。有时，普通转换器不够安全，尤其是在工业和医疗应用中，毫无疑问必须遵守安全元件。因此，直流电源必须遵守非常严格的操作标准，并且必须满足的操作参数。

直流电源

工业和医疗环境中使用的电源需要满足多项要求。单级转换器不满足其中的大多数。事实上，它们没有在设备的输入和输出之间提供足够的电流隔离，这个问题可能会给操作员和设备本身带来重大安全风险。正因为如此，设计人员更喜欢使用多级转换技术（DC/AC 和 AC/DC），这些技术当然更复杂，但提供了的安全系数。

电气隔离是所需的另一个重要元素，通过级间变压器的存在来确保。不同类型的转换允许将直流电源分为不同的类别。因此，设计人员在设计直流电源时，必须满足高功率密度、极高效率以及各种波形的低谐波失真；电源的体积和重量必须尽可能小；源和负载之间的电流隔离必须是的；并且必须有流向和功率因数控制的可能性。

因此，为了在与输入隔离的同时消除输出信号中的谐波问题，使用了两级电源。其中重要的一种是反激式转换器，其原理图如图 1所示。它与负载电隔离。反激式转换器的操作分两个阶段进行：

在阶段，电子开关 Q1 闭合，能量存储在 Np 电感器中。

在第二阶段，电子开关 Q1 打开，能量通过 Ns 传递给负载，从而避免了输入和输出之间的直接连接。

如果 Ns 在次级导通期间完全放电，则电源工作在断续导通模式；否则，它以连续导通模式运行。

图 1：反激式转换器原理图

即使在电子仿真中，也始终建议考虑采用非理想电子元件。虽然理想元件可加快仿真过程并简化数学计算，但使用真实元件可提供更高的准确性，并且更接近实际电路的行为。事实上，真正的电子元件具有一些固有的缺陷，包括内阻、寄生电容、饱和和温度效应、噪声和其他非线性。

在仿真中预测这些影响有助于防止设计问题并更准确地评估电路可靠性和性能。然而，永远记住电子仿真是一种设计和分析工具，但不能完全取代实验测试，这一点很重要。因此，采用真实的电子元件有助于确保模拟尽可能接近现实，使设计开发更容易、更快速，并有可能解决任何问题。在这个例子中，一些电子元件的特征是有额外的非理想元素。它们如下：

电池的内阻为 0.3 Ω。

开关信号不是完美的矩形，而是包含持续约 2 毫秒的上升和下降斜坡。

电子开关的大小设计为具有 0.2 Ω 的导通电阻和 1 MΩ 的关断电阻。

初级和次级两个电感具有 0.1 Ω 的串联电阻和几皮法的并联电容。

两个电感的电感耦合并不理想，但已固定在90%。

所有这些非理想特性使得获得相当可靠的模拟成为可能。在电路工作的阶段，Np 线性充电，而在第二阶段，Np 倾向于保持电流恒定，其电压反转。现在，次级电感器上的电压允许电流流动。电容起着至关重要的作用，如果它的值足够高，输出电压是相当恒定的。电感器绕组必须遵循的规则，它们的方向也必须符合特定标准，否则系统将无法工作。电感器是一种极化元件，但在这些情况下，其正确方向对电路的成功至关重要。值得注意的是电路的动态信号，如图2所示。它们如下：

从顶部开始，张图描述了电子开关的驱动信号 （Vpulse）。在建议的示例中，它的频率为 25 kHz，理论上是矩形信号。

第二张图显示了次级电感输出端的信号 （Vs）。当然，由于电感器的存在，它包含大量非常高的频率。这些是不需要的信号，应使用多种技术尽可能消除或减少。

第三张图显示了初级电感 （Il1） 上的电流趋势。

第四张图显示了次级电感 （Il2） 上的电流趋势。

，第五张图显示了转换器的输出电压。它非常稳定和连续，但仍然包含一些开关信号的残余。下面的频谱图证实了这一事实，它显示了输出信号的 FFT 分析。除了开关频率 （25 kHz） 的基波分量之外，还可以看到其他更高频率的峰值，可达兆赫频率。

所示示例使用正常的开关电子开关驱动信号，具有 50% 或可变占空比，但一些更复杂的设备使用更复杂的信号，以或多或少不同的步骤组织，具有不同的占空比和电压率。

图 2：出现在反激式转换器关键点的动态信号，以及输出信号的频谱图

用的测量仪器检测次级电感上的电流信号，可以看到由于电路的电感元件与其他元件之间形成谐振而产生的高频振荡信号（见图3 ）寄生电感和电容元件（PCB、电线、金属部件的几何排列等）。

在此示例中，信号的幅度很小，但出于电路中存在的所有意图和目的，其频率约为 4 MHz。这是一个相当正弦的信号，可以在系统运行期间不断重复，这可能会导致形成额外的干扰频率。可以通过采用合适的低通滤波器来衰减这些频率。在开关设备中，存在由寄生和不需要的现象引起的高频正弦（和非正弦）信号是很正常的。这些现象会导致电信号失真、电磁干扰和噪声，从而对开关设备的运行及其可靠性产生不利影响。为了限度地减少此类影响，电路设计人员使用优化 PCB 布局等设计技术，

图 3：由于电路中的寄生元件，次级电感器上的电流可能包含高频振荡信号。

初级电感上的电流线性增加，可以通过以下关系计算：

其中i p是初级电感上的电流，V s是次级电感上的电压，L p是初级电感的电感。

这种类型的电源在结构上非常简单且便宜，并且通常在不太坚固的负载不需要非常高的功率时使用。然而，输出电压可能很高。应该记住，这种配置中使用的开关设备通常在极端条件下工作，尤其是在施加电压方面。此外，设计人员必须非常小心地抑制来自电源脉冲的干扰，这可能会在反向极化期间损坏 BJT。这种类型的电路设计可以很好地调节功率和电压，这些值可以通过改变系统的某些操作参数来获得。

结论

反激式转换器是一种开关电源，与传统电源相比具有许多优势。由于它能够产生高输出电压，因此可以高效可靠地提供电力。此外，由于其闭环架构，它可以提供稳压和隔离的输出电压，保护用户和电路免受电压浪涌的影响。

尽管反激式转换器对许多应用来说是一个有吸引力的选择，但它也带来了一些需要解决的挑战，例如电磁噪声和过载波对电路性能的影响。但是，通过正确的设计和预防措施，可以限度地减少或解决这些问题。

反激式转换器为许多电子应用提供灵活、高效和高度可定制的解决方案，使其成为希望限度地提高设备性能和可靠性并实现低系统成本的电路设计人员的理想选择。