從Buck-Boost到Flyback

2021-02-07 硬體十萬個為什麼

電源的拓撲有很多種，但是其實我們能夠理解一種拓撲，就可以理解其他拓撲結構。因為組成各種拓撲的基本元素是一樣的。

對於隔離電源。大家接觸最多的電路拓撲應該是 flyback。

但是大家一開始做電源的時候，不會設計,連分析也不懂,唯一能做的是模仿(額,難聽點就是抄襲了)。這樣子的狀態持續了一段時間後,才開始慢慢的有一些了解。但對於新手來說，如果能從基本拓撲結構BUCK、BOOST進行演變成更複雜的拓撲結構，那麼我們融會貫通的理解各種拓撲結構，就變得非常容易。

其實理解隔離電源，相對非隔離DCDC來說，需要多理解一個基本元素——變壓器。然後很多基本原理也可以通過基本拓撲進行演變。

本文就是做了一個演變的過程分析。

為了分析 flyback 電路,我們從 flyback 的源頭開始說吧。Flyback 是從最基本的三種電路中的buck-boost 演變而來的。所以對 buck-boost 的分析,一定有助於對 flyback 的分析,而且buck-boost 看起來似乎要比 flyback 簡單,至少它沒有變壓器。

下面將要開始來對 buck-boost 進行演變,最終會演變成 flyback。

Buck-Boost電路——降壓或升壓斬波器，其 輸出均勻電壓U0大於或小於輸進電壓Ui，極性相反。

圖一 是 buck-boost 的原型電路。把電感 L 繞一個並聯線圈出來,如圖二:

把 L 的 2 個並聯線圈斷開連接,並且改變圈數比,改為:1:n,如圖三:

把圖三中的二極體沿著所在迴路移動,變成陰極朝外的樣子,並且,改變輸出電壓V和接地的位置。（二極體的作用是單向導通，電路沒有其他分支電流，在一個環路中的兩個位置，效果可以等效。）

（Buck Boost是實現反壓的，但是我們隔離電源並不是需要反壓，所以我們需要調換一下電源的極性。）

如圖四:

把圖四中的 Q 順著迴路移動到變壓器下方,如圖五:

（開關的位置其實在哪都可以，只是我們不希望MOS的打開條件Vgs的伏值不要太高。）

轉變一下變壓器的繞線方向，則形成了Flyback

以上說明,我們研究 buck-boost 的行為特性,對研究 flyback 的行為特性有很大的幫助。因為兩個電路各工作過程都是極其類似的。只是在buck boost的拓撲中，只有一個電感，進行儲能，而在flyback電路中，是一個變壓器。原邊側的電磁能量，在原邊側電路突然斷開的時候，能夠把能量傳遞到副邊側。


對於Buck-Boost拓撲來說：

第一個工作狀態:mosfet Q 開通,二極體 D 關斷.如圖八所示:

此時，輸入電源對電感進行充電。電容原先充電的能量，對負載進行供電，保持其原來的電壓。


第二個工作狀態:Mosfet Q 關斷,二極體 D 開通.如圖九所示:


此時，電感會維持原來的電流。


我們來看下flyback的工作過程：

假定這個 flyback 電路仍然工作在穩定的 CCM 狀態。

在狀態 1 mosfet Q 開通,二極體 D 關斷,電路如圖所示。

類比於剛剛我們提到的BuckBoost的狀態一，此時對電感進行充電，電容維持負載的電流。


在flyback的狀態 2 Mosfet Q 關斷,二極體 D 開通，此時變壓器的副邊對負載和電容進行充電。

剛剛我們討論的是CCM情況。flyback有個另外的情況DCM。

工作在DCM情況下的flyback比在CCM下多了一個工作狀態 3. 工作狀態1 和工作狀態2 與CCM的工作狀態 1 和 2 相同,在工作狀態 3 下,Mosfet Q 和二極體 D 都處於關斷狀態.三個工作狀態經歷時間分別為 d1Ts,d2Ts,d3Ts.

一、基礎知識

電源的分類

開關電源各種拓撲結構的特點

開關電源Buck電路CCM及DCM工作模式

選擇隔離電源還是非隔離電源？


二、電路設計

1、輸出電容的選擇

關於Buck電源的輸出電容的容值如何計算？

2、輸入電容的選擇

開關電源的輸入電容的選擇

3、輸出電感的選擇

Buck電路選擇輸出電感

4、MOSFET的選擇

開關電源MOSFET選型與使用

5、電源中的緩衝吸收電路

開關電源中的緩衝吸收電路

6、開關電源損耗

開關電源的八大損耗

7、自舉電容

Boot電容(自舉電容)的工作原理

8、電流檢測

開關電源的輸出電流檢測

9、電源緩啟動

電源緩啟動原理

10、VTT電源

為什麼DDR電源設計時需要VTT電源


三、PCB設計

開關電源PCB設計要點分析
BUCK電路原理及PCB布局與布線注意事項

非隔離式開關電源PCB布局設計技巧

開關電源的PCB布線設計技巧——降低EMI


四、環路穩定性

環路補償

電源環路穩定性評價方法


五、電源測試

開關電源測試項目

電源紋波測試

電源效率測試

電源相關的測試


六、電源可靠性

電源輕載嘯叫問題及實例

電源的可靠性設計

諧波過高導致 UPS 輔助電源板頻繁損壞

多電源電路的可靠性設計案例

消除Buck電源轉換器中的EMI問題


七、設計實例

一個BUCK電源電路設計測試過程

1V20A模塊選型

POE電源模塊設計詳解

AC-DC電源設計實踐分享


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