反激式開(kāi)關(guān)電源電壓電流波形解析
一、反激開(kāi)關(guān)電源組成概述
反激式開(kāi)關(guān)電源主要由電源輸入電路、MOS 驅(qū)動(dòng)電路、RCD 吸收電路、電源輸出電路以及電壓反饋控制電路構(gòu)成。
二、DCM 穩(wěn)態(tài)下關(guān)鍵點(diǎn)波形分析（不涉及具體元件參數(shù)數(shù)值）
（一）MOS 管導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)的能量傳遞
當(dāng) MOS 管 Q1 導(dǎo)通時(shí)，變壓器 L1 的初級(jí)繞組開(kāi)始充電，能量存儲(chǔ)于初級(jí)繞組中。而在 MOS 管關(guān)斷瞬間，初級(jí)繞組中存儲(chǔ)的能量迅速向次級(jí)繞組傳遞，這一過(guò)程實(shí)現(xiàn)了能量從初級(jí)到次級(jí)的轉(zhuǎn)換，為后續(xù)的電源輸出奠定了基礎(chǔ)。
（二）MOS 管驅(qū)動(dòng)電路相關(guān)波形
左圖示波形 ：展示了 MOS 管驅(qū)動(dòng)電路相關(guān)的典型波形（電流不連續(xù)模式 DCM 下），其中 Uin 對(duì)應(yīng)原理圖中的 V1，Ugs 對(duì)應(yīng) A 點(diǎn)電壓波形。從該波形圖可以直觀地觀察到驅(qū)動(dòng)信號(hào)與 MOS 管電壓之間的時(shí)序關(guān)系以及電壓變化趨勢(shì)。
右圖實(shí)測(cè)波形 ：呈現(xiàn)了某反激開(kāi)關(guān)電源在實(shí)際工作情況下的初級(jí)繞組電流以及 MOS 管 DS 壓降波形。通過(guò)對(duì)比理想示波形與實(shí)測(cè)波形，可以更好地理解電路的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)和特性。
（三）Uds 波形的振蕩現(xiàn)象
左圖的 Uds 波形中存在兩處振蕩波形，分別由初級(jí)繞組漏感 Llk 與 MOS 管寄生電容 Coss 的諧振，以及初級(jí)繞組電感 Lm 與 MOS 管寄生電容 Coss 的諧振產(chǎn)生。由于初級(jí)繞組漏感 Llk 相比初級(jí)繞組電感 Lm 小很多（通常為后者的 1% 至 5%），因此第一處諧振波形的頻率顯著高于第二處。第一處電壓諧振波形會(huì)逐漸恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí) Uds 電壓幅值對(duì)應(yīng)次級(jí)反射電壓。當(dāng)?shù)诙庨_(kāi)始諧振時(shí)，MOS 管處于斷態(tài)，輸出二極管也處于斷態(tài)，次級(jí)繞組電流為零。
在此電路中，電感和電容串聯(lián)諧振的基本模型表現(xiàn)為：在諧振頻率下，電感和電容的阻抗相互抵消，整個(gè)回路中只剩下線路寄生電阻。電感向電容充電，隨后電容又向電感充電，能量在電感和電容之間往復(fù)循環(huán)，由于能量難以迅速消耗，從而形成了諧振電壓波形。
（四）RCD 吸收電路波形
當(dāng) MOS 管關(guān)斷時(shí)，RCD 吸收電路發(fā)揮關(guān)鍵作用，用于吸收 MOS 管 DS 兩端可能出現(xiàn)的電壓尖峰。這可以有效防止 MOS 管 D 極因 Uds 電壓尖峰而遭受擊穿損壞，或者避免對(duì) MOS 管的使用壽命產(chǎn)生不利影響。
鉗位電容電壓 Uc ：Uc 表示鉗位電容 C2 兩端的電壓，其電壓值應(yīng)當(dāng)被控制在設(shè)計(jì)的 Uclamp 鉗位電壓設(shè)計(jì)值以內(nèi)（已忽略二極管正向?qū)▔航担?，并且滿足 Uclamp + Uin＜80%×MOS 管 DS 耐壓這一安全設(shè)計(jì)要求。
實(shí)測(cè)波形細(xì)節(jié) ：在右圖中，V 軸幅值并非以 0V 為起始點(diǎn)，而是以 Uin 為起始點(diǎn)。
當(dāng)電壓上升時(shí)，對(duì)應(yīng) MOS 管關(guān)斷的初始時(shí)刻，此時(shí) Uds 電壓尖峰通過(guò)二極管 D3 向電容 C2 進(jìn)行充電（見(jiàn)電流路徑 ①）。
隨后，當(dāng) Uds 電壓尖峰低于電容電壓時(shí)，二極管 D3 截止，電容 C2 開(kāi)始向電阻放電（見(jiàn)電流路徑 ②）。
當(dāng)電壓上升時(shí)，對(duì)應(yīng) MOS 管關(guān)斷的初始時(shí)刻，此時(shí) Uds 電壓尖峰通過(guò)二極管 D3 向電容 C2 進(jìn)行充電（見(jiàn)電流路徑 ①）。
隨后，當(dāng) Uds 電壓尖峰低于電容電壓時(shí)，二極管 D3 截止，電容 C2 開(kāi)始向電阻放電（見(jiàn)電流路徑 ②）。
（五）電源輸出電路波形
當(dāng)電源處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)：
ton 時(shí)刻（MOS 管導(dǎo)通） ：初級(jí)繞組的電感電流呈線性增加趨勢(shì)。此時(shí)，電容 Co 向負(fù)載 RL 供電，對(duì)應(yīng)的電容放電電流路徑為 Ic1。由于反激開(kāi)關(guān)電源所用變壓器的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組的同相端相反，在 ton 時(shí)刻，初級(jí)繞組為了抑制電流過(guò)大，其感應(yīng)電壓呈上正下負(fù)狀態(tài)，而側(cè)邊繞組 Lp 的感應(yīng)電壓則呈上負(fù)下正狀態(tài)，使得二極管 D1 處于截止?fàn)顟B(tài)。
toff 時(shí)刻（MOS 管關(guān)斷） ：初級(jí)繞組存儲(chǔ)的能量開(kāi)始向次級(jí)繞組傳送。初級(jí)繞組為了維持原電流方向，其感應(yīng)電壓變?yōu)樯县?fù)下正，次級(jí)繞組的感應(yīng)電壓則變?yōu)樯险仑?fù)，二極管 D1 因此處于導(dǎo)通狀態(tài)，次級(jí)繞組通過(guò)二極管 D1 向電容 Co 和負(fù)載 RL 供電。
右下圖展示了某開(kāi)關(guān)電源輸出電壓紋波電壓的實(shí)際測(cè)量結(jié)果。在 ton 時(shí)刻，電容 Co 兩端電壓波形對(duì)應(yīng) Ic1 電流的放電時(shí)間；在 toff 時(shí)刻，電容 Co 兩端電壓波形則對(duì)應(yīng) Ic2 電流的充電時(shí)間。
（六）電壓反饋控制電路波形
在電壓反饋控制電路中，通常會(huì)采用開(kāi)環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的伯德圖，并結(jié)合伯德圖的穩(wěn)定性判據(jù)來(lái)評(píng)估和判斷開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)定性。
幅值裕度與相位裕度 ：足夠的幅值裕度和相位裕度是確保開(kāi)關(guān)電源性能的關(guān)鍵指標(biāo)。如果幅值裕度和相位裕度不足，開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性可能會(huì)變差，甚至可能導(dǎo)致輸出電壓出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，影響電源的穩(wěn)定性和可靠性。
實(shí)際案例 ：下圖展示了一個(gè)開(kāi)關(guān)電源電壓控制頻率補(bǔ)償回路傳遞函數(shù)的伯德圖實(shí)例。從圖中可以看出，相位裕度大于 90°，低頻增益為 40dB，中頻增益為 20dB。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，該開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓保持穩(wěn)定，且具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，這充分驗(yàn)證了在電壓反饋控制電路設(shè)計(jì)中考慮足夠的幅值裕度和相位裕度的重要性。
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