反激式稳压器的特性及应用

对于寻找合适的开关DC/DC转换器（“稳压器”）的工程师来说，很少考虑反激式转换器，因为它们设计起来很麻烦。但是，如果应用要求高电压（功率相对较低） ），反激型是自成一体的。

由于它用于产生高电压，因此反激式稳压器采用变压器确保电流隔离，出于安全考虑，取代了（非隔离）电感器。传统的开关升压/降压（“降压”/“升压”）调节器。然而，使用变压器确实使这种类型的稳压器不适合高功率应用。

本文仔细研究了反激式稳压器，探讨了它的优点和缺点，并描述了应用类型这种类型的稳压器最适合。

需要隔离

开关降压/升压稳压器对电源转换工程师来说是一个主力。可靠，高效，相对易于设计（尽管不像线性稳压器那么简单 - 参见TechZone文章“了解线性稳压器的优缺点”），以及丰富的降压/升压稳压器，如Fairchild Semiconductor KA34063A - 单片100 Hz至100 kHz开关电源 - 通常是设计师下一个项目的候选名单。

如同这些设备一样受欢迎，它们确实存在一个缺点：如果设备是调节器正在通电需要高电压，没有办法将电压与可能发现危险的电压隔离（例如，敏感的电子元件和脆弱的人）。

反激式调节器克服了这个问题。通过集成变压器 - 充当耦合电感器 - 转换器可获得所需的电流隔离，以确保高压输出应用中的安全性。这使得反激式转换器可用于产生设备所需的高电压，例如CRT管，绝缘测试设备，复印机和氙闪光灯。 （请注意，虽然存在其他隔离拓扑，例如正激转换器，但反激是最简单的，因此也是最便宜的类型。）

反激式稳压器拓扑还带来了另外两个关键优势：消除初级和次级电路之间的接地回路，提高了抗噪性（参见TechZone文章“功率模块的传导和辐射减少技术”），以及系统中输出连接的简易性，而不会与主要接地相冲突。图1显示了反激式稳压器的拓扑结构是如何从降压/升压稳压器设计中得出的（为了清晰起见，开关控制器已被排除在原理图之外）。

图1：反激式稳压器源自降压/升压稳压器设计。请注意，在反激式设计中用变压器替换降压/升压稳压器的电感器（美国国家半导体提供）。

反激式稳压器与其他类型相比具有一些其他微妙优势。首先，降压或升压电压最初可以通过初级线圈的匝数与次级线圈的匝数比来设定，然后通过调整脉冲宽度的占空比，可以巧妙地调整输出电压（与所有开关稳压器一样）调制（PWM）集成在开关控制器中。其次，反激式稳压器拓扑结构可以轻松实现多个输出。第三，不需要其他开关拓扑所需的输出电感，这可能是一个棘手的设备（参见TechZone文章“电感器在完成基于功率模块的解决方案中的作用”）。

反激式设计有一些权衡。首先是高输出纹波电流和电压的问题。这可以通过用作滤波器的附加外部组件在一定程度上减轻，但是设计这样的滤波器电路是具有挑战性且耗时的。其次，可能是最严格的缺点是反激式稳压器的功率限制。

在运行中，反激式稳压器的变压器磁芯中的磁通量永远不会反转其极性。这意味着磁芯可能很容易使磁芯饱和 - 这会影响稳压器的工作 - 除非它对于给定的功率输出来说是沉重而笨重的。因此，反激式稳压器倾向于用于相对低功率的应用（通常低于50 W），因此可以使用合理尺寸的变压器。

应该注意的是，输出侧的高压并不是需要隔离电源的唯一原因。隔离提供良好的抗噪能力这一事实使反激式设计成为一个不错的选择，例如，为仅需要低电压的RS-485和RS-232等通信接口供电，同时也受益于噪声 - 所有变压器

虽然对于有能力的工程师来说从头开始设计反激式稳压器是完全可行的，但将电源基于a来自一家主要半导体供应商的开关稳压器模块。这些模块通常是完全集成的芯片，只需几个额外的外部元件即可实现高性能反激式设计。

德州仪器（TI）的TPS55010就是这类产品的一个很好的例子。该芯片旨在为PLC，数据采集和测量设备提供隔离电源。开关频率可在100至2,000 kHz范围内调节。

TI表示，使用相同的外部变压器，TPS55010可通过调节初级侧电压为不同的输入和输出电压组合提供解决方案。

简化原理图如图2所示。

图2：使用TPS55010的反激式稳压器电路的简化原理图。

凌力尔特还提供专为隔离式反激拓扑设计的单片开关稳压器。 LT3573将NPN电源开关与所有控制逻辑集成在一个16引脚MSOP封装中。该芯片采用3至40 V的输入电源供电，无需外部电源设备即可提供高达7 W的输出功率。图3显示了芯片的效率曲线，输入电压为24 V，输出电压为5 V，输出电流为800 mA时峰值为78％。

图3：凌力尔特公司的LT3573配置为5 V输出反激式稳压器的效率曲线。

从图2中的反激式稳压器原理图可以看出，变压器是一个外部元件，因为它（显然）太大而且太大而无法集成到芯片中。这可能被视为一种不便，但不仅仅是传统降压/升压稳压器拓扑结构中对电感器的要求（除了在电感器集成到模块中的少数情况之外，请参阅TechZone文章“Design Trade-将电感器集成到功率模块中“”。

事实证明，变压器是反激式设计中的关键部件，需要满足许多关键性能特性，以确保稳压器的良好性能

首先，变压器需要具有足够的电感，以便在宽负载范围内以连续导通模式工作。此外，高电感变压器将抑制纹波电流，否则会影响初级和次级电路。

其次，变压器应尽可能紧凑，同时仍满足其他性能标准。较小的变压器使用较少的铁氧体材料，成本较低，并且占用较少的电路板空间。

第三，经验法则是应限制变压器的功耗（磁芯和绕组损耗）不到总功率的百分之三。设计人员应使用包含多股细线的铜绕组 - 其直径不大于开关频率下铜的集肤效应深度的两倍 - 以最大限度地减少绕组损耗。

构建变压器的替代方案是考虑WürthElectronics等制造商提供的众多现成器件之一，可提供单正或双正负输出电压（图4）。

图4：WürthElectronics公司生产一系列适用于反激式稳压器的变压器。

希望试验反激式稳压器的工程师可以获得允许测试原型设计的评估套件。例如，TI的美国国家半导体产品包括基于该公司LM5020开关控制器的反激式稳压器评估套件LM5020EVAL。

总之，反激式稳压器是需要的设计技术的理想选择。开关降压/升压DC/DC稳压器，可通过隔离处理高压，确保安全运行。反激式稳压器最适合相对较低的功率运行（低于50 W），需要仔细设计/选择输出变压器，以降低成本，限制产品尺寸，并抑制输出电压和电流纹波。