返馳式(shi)拓撲設(she)計(ji)——實現(xian)*化(hua)電源(yuan)

返馳式(shi)（flyback）拓樸是(shi)zui常(chang)見(jian)的式(shi)電源(yuan)拓樸結(jie)構(gou)，因為它(ta)可(ke)以(yi)用個低邊(bian)開(kai)關(guan)電晶(jing)體(ti)和有(you)限的外(wai)部元件(jian)數提(ti)供(gong)多個輸出(chu)。不(bu)過(guo)，返馳式(shi)電源(yuan)也(ye)存在些(xie)特(te)殊，如果設(she)計(ji)人員沒有(you)充(chong)分理(li)解並(bing)對其(qi)進(jin)行分析(xi)，就可(ke)能(neng)它(ta)的整體(ti)表現(xian)。

　　針對這種(zhong)拓樸結(jie)構(gou)，本文(wen)將以(yi)簡(jian)單(dan)的數學(xue)方(fang)法揭(jie)開(kai)返馳式(shi)電源(yuan)設(she)計(ji)神秘(mi)面紗，指(zhi)導設計(ji)人(ren)員完(wan)成(cheng)個*化(hua)的設計(ji)。

　　返馳式(shi)轉(zhuan)換器(qi)

　　根據(ju)應用的不同，直流(liu)-直流(liu)應用（DC/DC應用）可(ke)能(neng)需(xu)要多個輸出(chu)，而(er)且(qie)需(xu)要(yao)輸(shu)出。此外(wai)，輸入(ru)與(yu)輸出(chu)的可(ke)能(neng)必(bi)須標準或提(ti)供(gong)阻抗(kang)匹配(pei)。

　　式(shi)電源(yuan)不(bu)能(neng)防止用戶(hu)接(jie)觸(chu)到(dao)潛在的致命(ming)電壓(ya)和電流(liu)，而且還有(you)能方(fang)面的優勢(shi)。利(li)用中(zhong)斷接(jie)地迴(迴)路(lu)，式(shi)電源(yuan)可(ke)以(yi)保持儀(yi)器(qi)精(jing)密度(du)，並能(neng)在不犧(xi)牲匯流(liu)排優點的條件(jian)下(xia)順利地透過(guo)負電源(yuan)匯(匯)流(liu)排提(ti)供(gong)正穩壓(ya)電壓(ya)。

　　對(dui)設(she)計人(ren)員來說，返馳式(shi)拓樸結(jie)構(gou)歷來是輸(shu)出(chu)功率(lv)100W以(yi)下(xia)的電源(yuan)式(shi)轉(zhuan)換器(qi)的。這種(zhong)拓樸結(jie)構(gou)只需要個磁元(yuan)件(jian)和個輸出(chu)整(zheng)流(liu)管，因而具有(you)簡單(dan)和低成本的優勢(shi)，同時(shi)它(ta)也(ye)可(ke)以(yi)輕(qing)鬆實(shi)現(xian)多(duo)工(gong)輸(shu)出(chu)。

　　但返馳式(shi)拓樸結(jie)構(gou)的缺點是需要個容值的輸出(chu)電容(rong)器(qi)，功率(lv)開(kai)關(guan)管和輸出二體(ti)的電流(liu)應力(li)較，氣隙(xi)區(qu)渦流(liu)損耗較，變(bian)壓(ya)器(qi)鐵(tie)芯較大(da)以(yi)及可(ke)能(neng)存在的EMI問題(ti)。

　　返馳式(shi)轉(zhuan)換器(qi)源於降壓(ya)-升壓(ya)拓樸結(jie)構(gou)，其(qi)主要缺(que)點是只在開關(guan)MOSFET導通時(shi)間內才從源收(shou)集(ji)能(neng)量。在後來的切(qie)斷期(qi)間，來自(zi)次側(ce)繞(rao)組的這種(zhong)能量從電感(gan)傳(chuan)遞到(dao)輸出(chu)端(duan)。這是(shi)返馳式(shi)和降壓(ya)-升壓(ya)拓樸結(jie)構(gou)的特(te)點。（圖(tu)1）

　　圖(tu)1：執(zhi)行在連續(xu)導通模(mo)式(shi)下(xia)的返馳式(shi)電源(yuan)。

　　次(ci)側(ce)電流(liu)和二次(ci)側電流(liu)同時(shi)流(liu)過時，返馳式(shi)變(bian)壓(ya)器(qi)並不像(xiang)傳(chuan)統(tong)變(bian)壓(ya)器(qi)那(na)樣(yang)正常工(gong)作(zuo)，實(shi)際(ji)上只有(you)小(xiao)部份能量（磁化(hua)能(neng)量）被儲(chu)存在變壓(ya)器(qi)中。返馳式(shi)變(bian)壓(ya)器(qi)像是同鐵(tie)芯上的多個電感(gan)器(qi)，而非個的變壓(ya)器(qi)。理想(xiang)的情況(kuang)是(shi)，變壓(ya)器(qi)並不儲(chu)存能量，的能量都在瞬(shun)間從次(ci)側(ce)轉(zhuan)移(yi)到(dao)二次(ci)側。

　　返馳式(shi)變(bian)壓(ya)器(qi)可(ke)作(zuo)為(wei)儲(chu)能(neng)裝(zhuang)置(zhi)，能量儲(chu)存在鐵(tie)芯的氣隙(xi)或坡(po)莫(mo)合金(jin)粉芯(xin)的分佈式(shi)氣隙(xi)當中。

　　電感(gan)變(bian)壓(ya)器(qi)的設計(ji)應盡量減(jian)少漏電感(gan)、交流(liu)繞組損耗和磁芯損耗。

　　漏電感(gan)（Leakage inductance）是(shi)次(ci)側電感(gan)的部份，未(wei)與二次(ci)側電感(gan)相(xiang)互(hu)耦(ou)合。保持盡(jin)可(ke)能(neng)低(di)的漏電感(gan)十(shi)分重(zhong)要(yao)，因為它(ta)會降低(di)變(bian)壓(ya)器(qi)的效率(lv)，還會導致開(kai)關(guan)元件(jian)的漏出(chu)現(xian)。漏(lou)電感(gan)可(ke)被(bei)看(kan)作為儲(chu)存在變壓(ya)器(qi)中的部份能量，它(ta)不會轉移(yi)到(dao)二次(ci)側和負載。這種(zhong)能量需要(yao)通過(guo)個外(wai)部緩衝器(qi)在次側(ce)耗(hao)散掉。緩(huan)衝器(qi)的配置(zhi)將在後面予(yu)以(yi)討論(lun)。

　　當MOSFET開啟(qi)且(qie)電壓(ya)施加在次側(ce)繞(rao)組時(shi)，次側(ce)電流(liu)線上升。輸(shu)入(ru)電流(liu)的變化(hua)是(shi)由(you)輸(shu)入(ru)電壓(ya)、變(bian)壓(ya)器(qi)次側電感(gan)和導通時(shi)間決定(ding)的。在這段時間內，能量被儲(chu)存在變壓(ya)器(qi)鐵(tie)芯中(zhong)，輸出(chu)二體(ti)D1被反(fan)向偏(pian)置，能(neng)量不會轉移(yi)到(dao)輸出(chu)負載。當MOSFET關閉時(shi)，磁(ci)場(chang)開始(shi)下降，顛(dian)倒(dao)了(le)次側和二次(ci)側繞組之(zhi)間的。D1被正向偏(pian)置，能(neng)量轉移(yi)到(dao)負載。

　　斷續(xu)傳(chuan)導模式(shi)與(yu)連續傳(chuan)導模式(shi)：

　　返馳式(shi)轉(zhuan)換器(qi)像其(qi)他(ta)的拓樸結(jie)構(gou)樣有(you)兩種(zhong)不同的工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)──斷續(xu)導通模(mo)式(shi)（DCM）和連續導通模(mo)式(shi)（CCM）。當輸出電流(liu)的增加(jia)過(guo)值時(shi)，斷續(xu)模式(shi)設(she)計電路(lu)將轉為(wei)連續(xu)模(mo)式(shi)。在斷續(xu)模式(shi)時(shi)，導通時(shi)間內儲(chu)存在次側(ce)的能量都會於下(xia)週(週)期(qi)開始(shi)之(zhi)前(qian)轉(zhuan)移到(dao)二次(ci)側和負載；而(er)且(qie)，在二次(ci)電流(liu)達到(dao)零值和下個週(週)期(qi)開始(shi)間的瞬(shun)間還會有(you)死(si)區(qu)時(shi)間。在連續(xu)模(mo)式(shi)下(xia)，當下個週(週)期(qi)開始(shi)時，仍會有(you)些(xie)能(neng)量留(liu)在二次(ci)側。返馳式(shi)轉(zhuan)換器(qi)可(ke)以(yi)在兩種(zhong)模(mo)式(shi)下(xia)執(zhi)行，但它(ta)具有(you)不同的特(te)徵(zhi)。

　　斷續(xu)導通模(mo)式(shi) 方(fang)面具有(you)較的峰值電流(liu)，因此在切(qie)斷時(shi)有(you)較的輸出(chu)電壓(ya)。另(ling)方(fang)面，它(ta)具有(you)快的負載瞬(shun)態(tai)響(xiang)應，次側(ce)電感(gan)較低(di)，因此變(bian)壓(ya)器(qi)尺寸(cun)可(ke)以(yi)較小(xiao)。二體(ti)的反向恢復時間並不(bu)重(zhong)要(yao)，因為在反向電壓(ya)施加之(zhi)前(qian)正向電流(liu)為零。在斷續(xu)導通模(mo)式(shi)下(xia)，電晶(jing)體(ti)的開啟(qi)隨(sui)零集電電流(liu)出現(xian)，降低(di)了(le)傳(chuan)導EMI的噪(zao)音(yin)。

　　連(lian)續(xu)導通模(mo)式(shi) 具有(you)較低(di)的峰值電流(liu)，並因此降低(di)了(le)輸出(chu)電壓(ya)。但由(you)於(yu)它(ta)的右半(ban)平面（RHP）零(ling)點迫使(shi)轉(zhuan)換器(qi)的總頻(pin)寬降低(di)，所(suo)以(yi)其(qi)迴(迴)路(lu)比較復雜。由(you)於(yu)連(lian)續(xu)導通模(mo)式(shi)對(dui)大多數應用而(er)言是(shi)加(jia)的選(xuan)擇，因此以(yi)上對(dui)該(gai)模(mo)式(shi)進(jin)行了多(duo)的細節分析(xi)。

確定(ding)返馳式(shi)變(bian)壓(ya)器(qi)：繞組匝(za)數比(bi)及其(qi)電感(gan)

　　設(she)計(ji)人員不得(de)不處(chu)理(li)的*個難(nan)題就(jiu)是確定(ding)返馳式(shi)變(bian)壓(ya)器(qi)。通常他(ta)們(men)可(ke)以(yi)從(cong)返馳式(shi)電源(yuan)變(bian)壓(ya)器(qi)標準目(mu)錄(lu)中進(jin)行選(xuan)擇，而無需昂(ang)貴的定(ding)製變(bian)壓(ya)器(qi)。許多供(gong)應商都可(ke)以(yi)針對不(bu)同應用和功率(lv)大(da)小(xiao)提(ti)供(gong)完(wan)整(zheng)系列(lie)的變壓(ya)器(qi)，但重(zhong)要(yao)的是要(yao)了(le)解如何選(xuan)擇zui合適(shi)的變壓(ya)器(qi)。除(chu)了二次(ci)側繞組的功率(lv)大(da)小(xiao)和匝數，變(bian)壓(ya)器(qi)還可(ke)根據(ju)次(ci)側/二次(ci)側繞組匝(za)數比(bi)，以(yi)及次側(ce)或二次(ci)側電感(gan)來分類(lei)。

　　如果忽(hu)略開關(guan)MOSFET和輸出整流(liu)二體(ti)兩端(duan)壓(ya)降的影(ying)響(xiang)，在穩態(tai)執(zhi)行條件(jian)下(xia)，導通時(shi)間（）的電壓(ya)*秒(miao)應該等於(yu)切(qie)斷期(qi)間（）電壓(ya)*秒(miao)：

　　（1）

　　公(gong)式(shi)中(zhong)：

　　是輸入(ru)電壓(ya)

　　是(shi)輸(shu)出電壓(ya)

　　是(shi)返馳式(shi)變(bian)壓(ya)器(qi)的次側(ce)匝(za)數/二次(ci)側匝數匝(za)比(bi)

　　那(na)麽，zui大佔(佔)空比(bi)的數匝(za)比(bi)和zui小(xiao)輸(shu)入(ru)輸(shu)出電壓(ya)之(zhi)間的直接關係是(shi)：

　　（2）

　　其(qi)中(zhong)D為(wei)佔(佔)空比(bi)：/開關週(週)期(qi)。

　　在許多(duo)情(qing)況下，選(xuan)定(ding)的zui大佔(佔)空比(bi)為5，但是在寬輸(shu)入(ru)電壓(ya)範(範)圍(wei)的應用中(zhong)，重(zhong)要(yao)的是要(yao)了(le)解如何*化(hua)以(yi)下(xia)關係(係)：zui大(da)佔(佔)空比(bi)、變壓(ya)器(qi)匝比、峰值電流(liu)和額定(ding)電壓(ya)。

　　返馳式(shi)拓樸結(jie)構(gou)的主要優(you)點是可(ke)以(yi)在佔(佔)空比(bi)大於5的條件(jian)下(xia)工(gong)作(zuo)。zui大(da)佔(佔)空比(bi)的增加(jia)降低(di)了(le)變壓(ya)器(qi)次側的峰值電流(liu)，因而達(da)到(dao)次側(ce)銅變壓(ya)器(qi)利用係(係)數的效果(guo)，並降低(di)輸(shu)入(ru)源(yuan)的紋波。同時(shi)，zui大(da)佔(佔)空比(bi)的提(ti)可(ke)增加(jia)主開關(guan)MOSFET漏源(yuan)之(zhi)間的zui大應力(li)電壓(ya)，並(bing)增加(jia)二次(ci)側的峰值電流(liu)。

　　在開始(shi)設計轉(zhuan)換器(qi)之(zhi)前(qian)，重(zhong)要(yao)的是要(yao)了(le)解zui大佔(佔)空比(bi)、變壓(ya)器(qi)次側/二次(ci)側匝數比(bi)（Np/Ns）、次(ci)側MOSFET的zui大電壓(ya)應力(li)、次側(ce)和二次(ci)側zui大電流(liu)之(zhi)間的關係(係)。

　　公(gong)式(shi)（2）顯示(shi)輸出電壓(ya)Vo和輸入(ru)電壓(ya)Vi（因為其(qi)簡(jian)單(dan)沒有(you)考慮Q1和二次(ci)側整流(liu)管Q2兩端(duan)的壓(ya)降）之(zhi)間的主要關(guan)係。為(wei)了(le)在整個輸入(ru)電壓(ya)範(範)圍(wei)Vo的穩壓(ya)，zui大(da)佔(佔)空比(bi)可(ke)以(yi)任(ren)意選(xuan)定(ding)個《1的理論(lun)值。

　　然(ran)後可(ke)以(yi)計(ji)算Np/Ns：

　　（3）

　　此(ci)處(chu)表示(shi)主MOSFET的漏源(yuan)之(zhi)間的zui大電壓(ya)，可(ke)由(you)公(gong)式(shi)（4）及公式(shi)（5）和（6）得(de)知，分別(bie)表(biao)示(shi)了變壓(ya)器(qi)次側和二次(ci)側的平均(jun)電流(liu)。

　　公式(shi)中(zhong)：

　　是二次(ci)側整流(liu)二體(ti)的正向壓(ya)降

　　是(shi)傳(chuan)導期(qi)間開關(guan)MOSFET的壓(ya)降

　　是(shi)整(zheng)體(ti)電源(yuan)效率(lv)

　　是(shi)zui大(da)輸(shu)出電流(liu)

　　透過zui大化(hua)佔(佔)空比(bi)的利用係(係)數U（D）函(han)數可(ke)以(yi)得(de)到(dao)*佔(佔)空比(bi)：

　　利用係(係)數（Ui）是(shi)用輸(shu)出(chu)功率(lv)除(chu)以(yi)二次(ci)側開關MOSFET和整流(liu)二體(ti)的總zui大(da)應力(li)之(zhi)和得(de)出的。

　　圖(tu)2：返馳式(shi)轉(zhuan)換器(qi)的利用係(係)數與(yu)佔(佔)空比(bi)的關係(係)，zui大(da)化(hua)利(li)用係(係)數的佔(佔)空比(bi)為30-4。

　　圖(tu)中(zhong)的兩條(tiao)曲(qu)線顯示(shi)只考慮開關(guan)MOSFET應力(li)（藍色虛線）計(ji)算出來的利用係(係)數，以(yi)及考慮二次(ci)側開關MOSFET和整流(liu)二體(ti)（紅(hong)色虛線）的利用係(係)數。

　　如果要(yao)*化(hua)額定(ding)輸(shu)入(ru)電壓(ya)的電源(yuan)效率(lv)，次(ci)側(ce)/二次(ci)側變壓(ya)器(qi)匝數比(bi)就(jiu)得(de)利用佔(佔)空比(bi)來計算(suan)，以(yi)使(shi)利(li)用係(係)數zui大(da)化(hua)，其(qi)值在30-4之(zhi)間。

　　上面的曲線考慮的是主動元(yuan)件(jian)上的理論(lun)應力(li)電壓(ya)。在實際(ji)進(jin)行時，重(zhong)要(yao)的是評估MOSFETzui大(da)應力(li)電壓(ya)和變壓(ya)器(qi)數匝(za)數比(bi)如何隨(sui)所(suo)選(xuan)擇的zui大佔(佔)空比(bi)而變化(hua)，並(bing)選(xuan)擇個可(ke)在開關(guan)MOSFET的zui大擊(ji)穿(chuan)電壓(ya)內給(gei)出(chu)‘圓(yuan)形(xing)’（round）匝(za)數比(bi)值。
確定(ding)次(ci)側(ce)電感(gan)

　　選(xuan)擇次側和二次(ci)側電感(gan)有(you)幾個標準(準)。

　　*，選(xuan)擇可(ke)從(cong)滿(man)載到(dao)某些(xie)zui小(xiao)負載均(jun)在連續(xu)模(mo)式(shi)執(zhi)行的次側(ce)電感(gan)。

　　第(di)二，透(tou)過確定(ding)zui大(da)二次(ci)側紋波電流(liu)來運算(suan)次(ci)側和二次(ci)側電感(gan)。

　　第(di)三，運算(suan)次側(ce)電感(gan)，以(yi)保持盡(jin)可(ke)能(neng)的右半(ban)平面零(ling)點（RHP），因而大(da)幅(fu)地提(ti)閉(bi)環(huan)穿越(yue)頻(pin)率(lv)。

　　實(shi)際(ji)上，*個標準(準)只用於(yu)特(te)殊情況(kuang)，而選(xuan)擇的磁化(hua)電感(gan)可(ke)作(zuo)為(wei)變壓(ya)器(qi)尺寸(cun)、峰值電流(liu)和RHP零點之(zhi)間的*折衷(zhong)。

　　為(wei)了(le)確定(ding)二次(ci)側zui大紋波電流(liu)來計算(suan)次(ci)側和二次(ci)側電感(gan)，可(ke)用以(yi)下(xia)公式(shi)計(ji)算出二次(ci)側電感(gan)（）和次側電感(gan)（）：

　　（8）

　　公(gong)式(shi)中(zhong)是開關頻(pin)率(lv)，是(shi)允(yun)許(xu)的二次(ci)側紋波電流(liu)，通常設置在約為(wei)輸出電流(liu)值的30-50％：

　　（9）

　　那(na)麽，等效次(ci)側電感(gan)可(ke)從(cong)以(yi)下(xia)公式(shi)獲(huo)得(de)：

　　（10）

　　如前所(suo)述，次(ci)側電感(gan)和佔(佔)空比(bi)會影(ying)響(xiang)右半(ban)平面零(ling)點（RHP）。RHP增加(jia)了(le)閉環(huan)特(te)的相位(wei)滯(zhi)後，迫使(shi)zui大(da)穿越(yue)頻(pin)率(lv)不(bu)過(guo)RHP頻(pin)率(lv)的1/4。

　　RHP是佔(佔)空比(bi)、負載和電感(gan)的函數，可(ke)引(yin)發(fa)和增加(jia)迴(迴)路(lu)增益(yi)，同時(shi)降低(di)迴(迴)路(lu)相位(wei)裕(yu)度(du)。通常(chang)的做法(fa)是(shi)確定(ding)zui差(cha)情況(kuang)的RHPZ頻(pin)率(lv)，並(bing)設(she)置(zhi)迴(迴)路(lu)單(dan)位(wei)增益(yi)頻(pin)率(lv)低(di)於(yu)RHPZ的三分。

　　在返馳式(shi)拓樸結(jie)構(gou)中，運算(suan)RHPZ的公式(shi)是(shi)：

　　（11）

　　可(ke)以(yi)選(xuan)擇次側電感(gan)來削弱這種(zhong)不良(liang)效果(guo)。

　　圖(tu)3的曲線顯示(shi)次側電感(gan)對(dui)次(ci)側和二次(ci)側電流(liu)和RHP零點的影(ying)響(xiang)：隨著電感(gan)的增加(jia)紋(wen)波電流(liu)會減(jian)少，因此輸(shu)入(ru)/輸(shu)出紋(wen)波電壓(ya)和電容(rong)器(qi)大小(xiao)也(ye)可(ke)能(neng)減(jian)少。但增加(jia)的電感(gan)增加(jia)了(le)變壓(ya)器(qi)次側二次(ci)側繞組數，同時(shi)減(jian)少了RHP零點。

　　圖(tu)3：返馳式(shi)設(she)計次側、二次(ci)側紋波電流(liu)、RHP零點與次側電感(gan)的關係(係)。

　　般(ban)建(jian)議不應使(shi)用過(guo)大(da)的電感(gan)，以(yi)免(mian)影(ying)響(xiang)整個系統的整體(ti)閉環(huan)能和尺寸(cun)，以(yi)及返馳式(shi)變(bian)壓(ya)器(qi)的損耗。上述圖(tu)形(xing)和公式(shi)只在連續(xu)導通模(mo)式(shi)下(xia)的返馳式(shi)執(zhi)行才。

　　選(xuan)擇功率(lv)開(kai)關(guan)MOSFET並(bing)計算其(qi)損耗

　　MOSFET的選(xuan)擇基於(yu)zui大(da)應力(li)電壓(ya)、zui大(da)峰值輸(shu)入(ru)電流(liu)、總功率(lv)損耗、zui大允(yun)許(xu)工(gong)作(zuo)溫(wen)度(du)，以(yi)及驅動器(qi)的電流(liu)驅動能(neng)力(li)。MOSFET的源汲(ji)擊(ji)穿(chuan)（Vds）必(bi)須大於：

　　（12）

　　MOSFET的連續(xu)漏(lou)電流(liu)（Id）必須大於次(ci)側(ce)峰值電流(liu)（公式(shi)15）。

　　除(chu)了zui大額定(ding)電壓(ya)和zui大額定(ding)電流(liu)，MOSFET的其(qi)他(ta)三個重(zhong)要(yao)參(can)數是(shi)Rds（on）、閘(zha)閾值電壓(ya)和閘電容(rong)器(qi)。

　　開關MOSFET的損耗有(you)三種類(lei)型，即導通損耗、開關(guan)損耗和閘電荷(he)損耗：

　　導通損耗等於(yu)損耗，因此在導通狀(zhuang)態(tai)下源和汲之(zhi)間的總電阻(zu)要(yao)盡(jin)可(ke)能(neng)zui低(di)。

　　開關損耗等於(yu)：開(kai)關(guan)時(shi)間*Vds*I*頻(pin)率(lv)。開(kai)關(guan)時(shi)間、上升時(shi)間和下降時(shi)間是MOSFET閘(zha)汲(ji)米(mi)勒(le)電荷(he)Qgd、驅(qu)動器(qi)內部電阻(zu)和閾值電壓(ya)的函數，zui小(xiao)閘(zha)電壓(ya)Vgs（th）電流(liu)通過MOSFET的漏源(yuan)。

　　閘(zha)電荷(he)損耗是由(you)閘(zha)電容(rong)器(qi)充(chong)電，以(yi)及隨後的每個週(週)期(qi)對地放(fang)電引(yin)起(qi)的。閘電荷(he)損耗等於(yu)：頻(pin)率(lv)* Qg（tot）* Vdr

　　不(bu)幸(xing)的是，電阻(zu)zui低(di)的元件(jian)往(wang)往有(you)較的閘電容(rong)器(qi)。

　　開關損耗也(ye)會受(shou)閘(zha)電容(rong)器(qi)的影(ying)響(xiang)。如果閘(zha)驅(qu)動器(qi)對大容(rong)量電容(rong)器(qi)充(chong)電，則(ze)MOSFET需(xu)要(yao)時間進行線區(qu)提(ti)升，則(ze)損耗增加(jia)。上升時(shi)間越快，開(kai)關(guan)損耗越低(di)。不(bu)幸(xing)的是，這將導致頻(pin)噪(zao)音(yin)。

　　導通損耗不取(qu)決於(yu)頻(pin)率(lv)，它(ta)還取(qu)決於(yu)和次側RMS電流(liu)的平方(fang)：

　　（13）

　　在連續(xu)導通模(mo)式(shi)下(xia)，返馳式(shi)執(zhi)行的次側(ce)電流(liu)看來像圖(tu)4上部所示(shi)的梯形(xing)波形(xing)。

　　Ib等於(yu)次(ci)側(ce)峰值電流(liu)：

　　Ia是從以(yi)上的公式(shi)（5）得(de)出的平均(jun)電流(liu)，減(jian)去(qu)半(ban)ΔIp電流(liu)為：

　　（16）

　　那(na)麽開關管的RMS電流(liu)可(ke)從(cong)下(xia)式(shi)得(de)到(dao)：

　　（17）

　　或其(qi)迅(xun)速(su)接(jie)近(jin)：

　　

（18）

　　開(kai)關(guan)損耗（）取(qu)決於(yu)轉(zhuan)換期(qi)間的電壓(ya)和電流(liu)、開關頻(pin)率(lv)和開關時間，如圖(tu)4所(suo)示(shi)。

　　圖(tu)4：換向期(qi)間MOSFET兩端(duan)的電流(liu)和電壓(ya)波形(xing)。

　　在導通期(qi)間，MOSFET兩端(duan)的電壓(ya)為(wei)輸(shu)入(ru)電壓(ya)加(jia)反(fan)映在次側(ce)的輸出(chu)電壓(ya)，電流(liu)等於(yu)平(ping)均(jun)中(zhong)間zui電流(liu)減(jian)去(qu)半(ban)ΔIp：

　　（19）

　　（20）

　　在關閉(bi)過(guo)程中，MOSFET兩(liang)端(duan)的電壓(ya)為(wei)輸(shu)入(ru)電壓(ya)加(jia)反(fan)映在次側(ce)繞(rao)組的輸出(chu)電壓(ya)，再加(jia)上用於(yu)箝(qian)位(wei)的齊納(na)箝(qian)位(wei)電壓(ya)和吸收漏電感(gan)。開(kai)關(guan)管切(qie)斷電流(liu)為次側峰值電流(liu)。

　　（21）

　　開關時間取(qu)決於(yu)zui大(da)閘(zha)驅動電流(liu)和MOSFET的總閘(zha)電荷(he)，MOSFET寄(ji)生電容(rong)器(qi)是調節MOSFET開(kai)關(guan)時間的zui重(zhong)要(yao)的參數。電容(rong)器(qi)Cgs和Cgd取(qu)決於(yu)元(yuan)件(jian)的幾何(he)尺寸(cun)並(bing)與源(yuan)電壓(ya)成(cheng)反(fan)比。

　　通(tong)常(chang)MOSFET製造商沒有(you)直接提(ti)供(gong)這些(xie)電容(rong)器(qi)值，但是可(ke)以(yi)從(cong)Ciss、Coss和Crss值獲(huo)得(de)。

　　導通開(kai)關(guan)時間可(ke)以(yi)使(shi)用下(xia)列(lie)公(gong)式(shi)用閘(zha)電荷(he)來估計(ji)：

　　（22）

　　（23）

　　公(gong)式(shi)中(zhong)：

　　Qgd是閘漏電荷(he)

　　Qgs是(shi)閘(zha)源電荷(he)

　　是(shi)當驅動電壓(ya)被(bei)拉(la)升至(zhi)驅(qu)動電壓(ya)時(shi)的導通時(shi)間驅動電阻(zu)

　　是(shi)當驅動電壓(ya)被(bei)下(xia)拉至(zhi)接(jie)地電壓(ya)時(shi)的內部驅動電阻(zu)

　　是(shi)閘(zha)源閾值電壓(ya)（MOSFET開(kai)始(shi)導通的閘電壓(ya)）

　　緩(huan)衝器(qi)：

　　漏電感(gan)可(ke)以(yi)被(bei)看作(zuo)是(shi)與變(bian)壓(ya)器(qi)的次側(ce)電感(gan)串(chuan)聯的寄(ji)生電感(gan)，其(qi)次(ci)側(ce)電感(gan)的部份沒有(you)與二次(ci)側電感(gan)相(xiang)互(hu)耦(ou)合。當開關MOSFET關(guan)閉(bi)時(shi)，儲(chu)存在次側(ce)電感(gan)中(zhong)的能量透過(guo)正向偏(pian)置二體(ti)流(liu)動到(dao)二次(ci)側和負載。儲(chu)存在漏電感(gan)中(zhong)的能量則變(bian)成了(le)開(kai)關(guan)接(jie)腳(jiao)（MOSFET汲）上巨(ju)大(da)的電壓(ya)。漏(lou)電感(gan)可(ke)以(yi)透(tou)過短(duan)路(lu)二次(ci)側繞組來進行測(ce)量，而次(ci)側電感(gan)的測(ce)量通常(chang)由(you)變(bian)壓(ya)器(qi)製造商給(gei)出(chu)。

　　耗散漏電感(gan)能(neng)量的種常(chang)用方(fang)法(fa)是透(tou)過個與次(ci)側(ce)繞(rao)組並(bing)聯的齊納(na)二體(ti)來阻斷與(yu)之(zhi)串(chuan)聯的二體(ti)實現(xian)的，如圖(tu)5所(suo)示(shi)。

　　（圖(tu)5：齊納(na)箝(qian)位(wei)電路(lu)）


 

漏電感(gan)能(neng)量必須透過個外(wai)部箝位(wei)緩衝器(qi)來耗散：

　　（24）

　　齊納(na)電壓(ya)應低於(yu)開(kai)關MOSFET的zui大漏(lou)源(yuan)電壓(ya)減(jian)去(qu)zui大(da)輸(shu)入(ru)電壓(ya)，但要到(dao)足以(yi)在很短(duan)的時間內耗散這能(neng)量才可(ke)以(yi)。

　　齊納(na)二體(ti)的zui大功率(lv)損耗為：

　　（25）

　　返馳式(shi)設(she)計資(zi)源：

　　為(wei)了支(zhi)援返馳式(shi)設(she)計，德(de)州(zhou)儀(yi)器(qi)公司開(kai)發(fa)特(te)別(bie)適(shi)合返馳式(shi)應用的系列(lie)PWM穩壓(ya)器(qi)和器(qi)。圖(tu)6顯示(shi)個採(採)用LM5000穩壓(ya)器(qi)的5W返馳式(shi)電源(yuan)，它(ta)是用WEBENCH進(jin)行模擬(ni)的，其(qi)輸(shu)入(ru)電壓(ya)變(bian)化(hua)範(範)圍(wei)從(cong)10至(zhi)35V，1A時(shi)的輸出(chu)電壓(ya)等於(yu)5V。該(gai)設(she)計(ji)遵循(xun)上述過(guo)程，Coilcraft變(bian)壓(ya)器(qi)的次側(ce)與(yu)二次(ci)側匝數比(bi)等於(yu)3，次(ci)側(ce)電感(gan)為(wei)80μH，可(ke)良(liang)好的穩壓(ya)輸(shu)出(chu)電壓(ya)，將次側(ce)峰值電流(liu)大幅(fu)地降至(zhi)1.3A以(yi)下(xia)，也(ye)使(shi)內部開關(guan)MOSFET兩(liang)端(duan)的zui大電壓(ya)低(di)於(yu)60V。80μF的次側(ce)電感(gan)了(le)二次(ci)側紋波電流(liu)峰-峰值在平均(jun)電流(liu)的3以(yi)內，同時(shi)保持20kHz以(yi)上的右半(ban)平面零(ling)點。

　　圖(tu)6：採(採)用WEBENCH線上模(mo)擬(ni)工(gong)具的5W返馳式(shi)設(she)計

　　WEBENCH是德(de)州(zhou)儀(yi)器(qi)公司的網(wang)上設(she)計(ji)工(gong)具，用四個簡單(dan)步(bu)驟即可(ke)完(wan)成(cheng)實(shi)現(xian)個完(wan)整(zheng)的開關(guan)電源(yuan)設(she)計(ji)。圖(tu)7和圖(tu)8顯示(shi)了用WEBENCH設(she)計(ji)獲得(de)的波德(de)圖(tu)（Bode plot）和開關波形(xing)。

　　（圖(tu)7-8：輸(shu)出(chu)電壓(ya)和開關接腳(jiao)的波德(de)圖(tu)和開關波形(xing)）