四种不同类型开关电源的工作原理和特点

一、反激1.1工作原理Ton 级储能电路：VBUS---变压器初级绕组NP---开关管Q1 --SGND Toff 级放电电路： 变压器次级绕组PIN12---次级侧二极管D1---负载---变压器次级绕组PIN8。

图1 Ton级等效电路

图2 Toff阶段的等效电路

图3 反激VDS测量波形

1.2特点电路简单，PWM（脉冲宽度调制）控制适应全电压输入，一般占空比设置为0.5（Ton/Toff）以保证安全运行，是硬开关对mos体内的寄生二极管没有速度要求，即变压器在Ton周期内完成储能过程；在Toff时间段释放能量，完成变压器消磁复位，有效防止变压器磁饱和；对变压器的漏感要求较高，漏感容易产生高峰值电压，因此MOS.SKY的电压应力要求比较高。

1.3如何选择功率器件以12VDC输出电压为例，如何选择功率器件。

1:主开关管 Q1 耐压选择：VDS 反射电压Vor=(Vo+Vf)*N N 是变压器匝数比（N=7.2）和变压器漏感产生的峰值电压，与变压器漏感有关。漏感越小，峰值电压越低，假设为100V；

漏感的大小与磁芯形状和变压器绕制工艺有关。一般情况下，三明治绕法产生的漏感较小；

反射电压Vor=(Vo+Vf)*N=(12+0.7)*7.2=91.5

Vds=Vinmax+峰值电压+反射电压

=353+100+91.5=544.5V需要10%余量，所以选择600V MOS。

2:二次侧整流二极管 D1 的反向耐压选择VKA=(V0+Vf)+(Vinmax/N)=12.7+353/7.2=61.73V留有余量，故选用100V反向耐压整流管。

3:关于器件电流的选择，当然有一定的计算经验值可以作为参考。流经器件的实际电流直接涉及器件本身产生的热量。是否加散热器，封闭式还是开放式，与散热有很大关系。根据实际应用情况，一般采用实验的最终结果来选择器件电流的大小。

二、双管正激2.1工作原理Ton 级Q1 Q2 同时导通：VBUS---开关管Q1---变压器初级绕组NP---开关管Q2---Rsense---SGND。由于端子相同，副边整流二极管D3导通，按照设计的匝数比输出所需电压。同时，续流电感LF3进行储能和充电。

在Toff阶段，Q1和Q2同时关断。 根据楞次定律原理（感应电动势的变化总是阻碍原电动势的变化），变压器原边同一端子发生变化。此时呈现的效果是变压器初级侧的电压钳位。每个开关管与原边绕组之间并联有续流二极管D1、D2。当Q1 Q2关断时，变压器原边储能有一条放电通路，通过D1 D2反馈给高压电解电容C1，对电解电容放电，D1 D2起到变压器初级复位和消磁的作用，将Q1 Q2所承受的电压钳位在输入电压VBUS上；消磁复位路径： 变压器初级PIN4---二极管D2---高压电解电容C1---SGND---二极管D1---变压器初级PIN1 同理，副边续流电感LF1同端极性发生变化，续流电感LF1通过续流二极管D4向负载释放能量； Ton Toff 开启和关闭后，完成一个完整的循环，然后再次开始循环。

图2 Q1和Q2同时导通原边和副边等效电路

图3 Q1和Q2同时关断原边和副边等效电路

线路优点：的每个桥臂都是由一个二极管和一个开关管串联而成。因此，从电路结构上来说，不存在桥臂直通的问题。高可靠性是双管前进的最大特点。

2.2 特点

电路复杂，控制方式适应单电压输入。添加PFC功率因数校正，可实现全电压输入，两个开关管Q1、Q2同时导通和截止；为保证运行安全，占空比一般设置为0.5（Ton/Toff），驱动功率大，为硬开关。对MOS体内寄生二极管的速度没有特殊要求。转换效率不高，一般在85%~88%之间。与LLC谐振线相比，调试方便；一般用于廉价的低端市场。

2.3如何选择功率器件1: 主开关管Q1 Q2 耐压选择： VDS 由于被二极管D1 D2 钳位，所以MOS Q1 Q2 承受的电压为VBUS 电压；

VDSmax=VBUS=264*1.414-20=353V，选择500V MOS即可；

2:副边整流二极管D3 D4的反向耐压选择：

VKA=(V0+Vf)+(Vinmax/N)=12.7+353/7.2=61.73V留有余量，故选用100V反向耐压整流管。

三、LLC谐振半桥3.1原理工作原理概述： 实际上有六种工作状态。我们只描述两个最重要的状态；上下管交替开启；

当Q1导通时，Q2处于截止状态：充电电路VBUS--Q1--谐振电感Lr--主变压器NP--谐振电容Cr-SGND。此时，主绕组NP储存能量。同时，副边同端D1导通，对端D2截止。所需电压通过电解电容C2按匝数比滤波输出；等效电路所示（图2）

当Q1截止时，Q2处于导通状态： 放电电路主变压器NP(PIN2)-谐振电容Cr-Q2(起续流作用)-谐振电感Lr-主变压器NP(PIN1)。同时，原边和副边由于楞次定律而变化，同一端的极性发生变化，D1截止，D2导通，根据设计匝数比，通过电解电容C2滤波输出至所需电压；如等效电路所示（图3）。

谐振半桥LLC : 的优点是转换效率高，并且对零功率器件的电压应力要求低。

图2 充电电路的等效电路； Q1导通Q2关断原边和副边等效电路

图3 放电电路的等效电路，Q1关断，Q2导通，原边和副边等效电路

3.2特点电路比较复杂。 PFM控制方法适用于单电压输入。添加PFC功率因数校正电路可实现全电压输入。 （一般固定架构为Active PFC+LLC半桥。）为了保证安全运行，一般占空比设置为=0.5（Ton/Toff）。驱动信号驱动两个开关管Q1Q2以互补关系交替工作，两个驱动信号之间有一个死区时间，通常为350nS。较新的驱动方案具有自动死区调节功能，更安全，驱动功率高。它是一种软开关，对MOS体内的寄生二极管Trr有速度要求。转换效率一般>90%。一般用于以高转换效率为卖点的场合。

3.3如何选择功率器件以12VDC输出电压为例，如何选择功率器件。

1:主开关Q1 Q2选用： VDS MOS耐压。 Q1 Q2承受的电压为VBUS电压； VDSmax=VBUS=264*1.414-20=353V，选择500V MOS；

2: 副边整流二极管D1 D2 反向电压选择

如下图所示，次级绕组NS1和NS2的电压为12V。当D1导通、D2截止时，D2承受的理想反向电压为12*2=24V。考虑到需要留余量并选择通用器件，综合考虑选择40V SKY。

图4 次级绕组

四、反激QR准谐振模式4.1工作原理反激式谐振方式QR与普通反激式线路不同（具体见图1、图2）。还有一个附加的谷值检测电路。主要作用是减少开关振荡次数，降低损耗，有利于提高转换效率，减少EMI发射。

工作原理：仅具有反激式开关电源准谐振QR的概念。检测原理是VDS电压处于下降阶段，产生多次振荡。当检测到第一个振荡波的第一个谷点时（具体见图3），开关MOS导通，可以避免剩余的振荡波形。因此，这减少了多重振荡损耗和EMI 发射量。

谷点检测：有两种检测方式：一种是在变压器主绕组NP上检测，另一种是在VCC绕组上检测。

图1 底部检测电路

图2 底部检测电路

图3 谷底检测

4.2特点电路简单，是普通反激电路的改进版。 PWM控制方式适用于较宽的电压输入范围。为了保证安全运行，占空比一般设置为0.5（Ton/Toff）。为什么叫准谐振？因为准谐振比较接近谐振电路模式，但并不是真正意义上的谐振。成本低，转换效率接近90%。一般用于以高转换效率为卖点的场合。

五、各线路相同的地方以及主要区别1、反激、双管正激、LLC谐振半桥前端可加功率因数电路PFC；

2、反激式、双管正激式、LLC谐振半桥的副边都可以添加同步整流方案来驱动SR-MOS，提高转换效率；

3、反激和双管正激属于硬开关，对高压开关MOS中的寄生二极管Trr没有严格要求。 LLC谐振半桥是软开关，对高压开关MOS中的寄生二极管Trr有要求，最好是100-200nS；

4、从前面的分析可以看出，除了反激式需要600V及以上的HV MOS外，剩下的两管正激和LLC谐振半桥500V HV MOS就足够了；反激式开关电源有其自身的特点，主要是由于反激式电源/反激式QR的反射电压和漏感峰值电压造成的VDS比较高（具体参见1.1图3反激式VDS实测波形），而变压器漏感是真实存在的，只能减小而不能消除。