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反激式电源如何反射电压,关键是认识磁场的产生和穿梭路径

常见电源中,由于反激式电源能量变换处理方式的特殊性,总是先存储能量再释放能量给负载,所以当释放能量的时候副边或二次侧电压会通过匝数比反射到原边或一次侧,我们看看它的反射原理。

反射原理的核心

反射原理的核心其实就是个元器件的原理,这个就是反激电源的磁性元器件—'变压器',这里我们再强调一下,这里的变压器其实就是个储能电感,线圈绕在同一个磁芯上,通过磁场耦合变换传递能量;

绕在同一个磁芯的两个或多个线圈

我们知道变压器或者反激式'变压器',线圈都是绕制在同一个磁芯上,电流通过线圈便会产生磁场,在这种相对空气或者非磁性介质中,良磁性材料的磁芯具有良好的磁导率,所以磁场几乎全部会被束缚在磁芯中(当然不能排除一些漏磁,比如通过空气闭合的少量磁场);

良导磁介质中,磁场被束缚在磁芯中,如下红色虚线

一旦磁场产生,并且是变化的磁场(大小或方向都是变化的量,反激式中大小在变化),通过线圈就会在线圈上产生'感生'或者'感应'电动势。

如下是对反激式开关电源开通过程原理图示意,一次侧线圈'Np'通过电流,这样便成为磁场的供应'源头'

我们用'磁棒绕线法'来观察磁场产生是怎么样穿过磁芯的,如下,在开通过程中,原边线圈通过电流'ip',那么由ip产生的磁场在磁芯中就会产生磁场线,如下图磁力线图,磁力线穿过Np的同时借助磁芯穿过Ns。

如下图,在开通时开关管Vds是饱和导通,导通电压接近'零',如下图,蓝色波形代表开关管功率两端'Vds',随着导通时间的增加,原边电流在增加,如下黄色波形代表电流,电流增加代表磁场在增加,所以一次侧'Ns'标有'黑点'的同名端感应电压为负,磁芯储能,二次侧由于二极管反偏二截止。从磁棒绕线看,互为同名端的线圈端,绕线方向是一致的,同进或者同出是互为同名端的,因为这正好从侧面表示了磁场的方向(右手螺旋定则)。

顺带再从绕线方向认识一下同名端和异名端(实则反映了磁场方向)

右手螺旋定则通过电流判断磁场方向,四指是电流,大拇指表示磁场方向

如下,从绕线方式看同名端,所谓同名端就是同方向绕制,异名则是刚好相反

读懂变压器的同名端和异名端

如下,从绕线方式来看,异名端是反向绕制(实则是电流方向改变了,磁场反向随之改变的结果)

※记住,由于同名端和异名端实质是从磁场加强和削弱角度去定义的,所以在两个及以上互有耦合的线圈场合(比如变压器或耦合电感)才是有意义的

在二次侧线圈产生负电压:Vin*Ns/Np,其中Vin是输入电压

我们再利用'磁棒绕线法'来观察开关管MOSFET关断的情况

如下是开关管关断后,释放能量时,通过二次侧线圈'Ns'给负载释放能量的电流走向图

'磁棒绕线法'可以看出释放能量时,磁场逐渐减弱(磁芯复位,不复位同样面临饱和的问题),副边线圈流过电流,磁场开始由二次侧线圈'Ns'提供,磁力线依旧是穿过整个磁芯,那么同样会在原边线圈上感生电压—感应电动势,这就是一次侧反射电压的来源,方向如下

反射电压和直流母线电压'Vin'是叠加的,所以抬高了一次侧电压,如下波形是断续模式下的一次侧'Vds'波形。

所以,反激式电源中原边发射电压的理解并不难,它是能量的存储和释放分开(不同步)进行的结果,其结果是在开关管MOSFET开通时,一次侧线圈'Np'产生磁场,整个磁场通过借助磁芯穿过在磁芯上绕制的所有线圈(无论是Np还是Ns都是人为根据功能定义的,磁场并不知道),在其它线圈上产生感应电动势

当开关管MOSFET关断时,二次侧线圈'Ns'成为产生磁场的源头,磁场同样借助磁芯传递给原边线圈,原边线圈上感应出一个电压,这个就是我们说的反射电压(对于负载端向输入端的电压我们称为反射)

※把握要点,无论几组绕线,它们都是'同一个磁芯'、无论哪个线圈产生磁场都是被束缚在这个磁芯中,并且'穿梭在'整个磁芯中,这样就等效作用在磁芯上面的所有线圈上面,磁场变化在线圈上感应出电压

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