反激式变换器简介：参数、拓扑和控制器

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简介

反激式变换器是用于医疗设备和笔记本电脑等应用的多功能电力电子器件。这种变换器也称为隔离式升降压变换器，其电路简单，可以调节系统的输出电压(V_OUT)，同时最大限度地减少电磁干扰 (EMI)。

本文将介绍反激式变换器及其拓扑、有用参数和操作，还将讨论 MPS 的 AC/DC 反激式控制器（MPX2002和MPX2003），它们同时具备原边调节 (PSR) 和副边调节 (SSR)的能力。

反激式变换器的参数和拓扑

在反激式变换器中，电感被分割以形成耦合电感，它也被称为反激式变压器。耦合电感将变换器的输入与其输出隔离。图 1 为反激式变换器的示意图，其组成如下：

V_IN：输入电压，即电路的电源。
C_IN和C_OUT：分别为输入和输出电容。电容用于存储和释放到稳压器V_IN和输出电压(V_OUT)的电荷。
Control：来自IC 控制器的信号，用于导通原边MOSFET。它允许电流流过L_P，并传输至输出。
L_P和L_S：分别为原边和副边电感。耦合电感存储并释放能量，并根据各自绕组中的匝数确定V_OUT。
D：二极管，通过将交流电(AC) 转换为直流电(DC)对V_OUT进行整流，使电流只能沿一个方向流动。
R_L：用于模拟反激式变换器功耗的负载。

图1: 反激式变换器拓扑

反激式变换器注意事项

选择反激式变换器时，需要考虑一些重要的因素，其中包括确定一些基本参数，例如V_IN、V_OUT、L_P和L_S。下面列出了另外一些注意事项：

变压器匝数比N_P:N_S（N_P为原边绕组匝数，N_S为副边绕组匝数）直接影响V_OUT。如果 N_S增加，则 V_OUT按比例增大；如果N_S减小，V_OUT也成比例减小。N_P 与V_OUT的关系则成反比，N_P增加，V_OUT 按比例减少；反之亦然。
占空比是导通时间与总开关周期的比率(t_ON / τ_SW)。占空比根据 V_OUT和变压器匝数比确定 V_IN；占空比越高，V_OUT越高。
保护机制和隔离能力对于反激式变换器满足 UL 1577 和 IEC 62368 等安全标准至关重要。可针对 EMI 性能来优化保护功能，以确保设备不会在次优条件下运行。

反激式变换器操作

反激式变换器工作的本质是存储和传输能量。其工作周期包括导通时间(t_ON)和关断时间(t_OFF)，它们由 MOSFET 的开关状态来控制（见图 2）。t_ON期间，MOSFET处于导通状态，电流从输入端流经L_P，为耦合电感充电；t_OFF期间，MOSFET 处于关断状态，耦合电感通过二极管消磁，然后该电流为 COUT充电并为负载供电。这个过程可以简化为以下几个步骤：

t_ON开始。当 MOSFET 导通时，电流流过L_P，能量存储在变压器的磁场中。
t_ON结束。
t_OFF开始。当 MOSFET 关断时，存储的能量通过副边二极管/MOSFET 传输到输出，对C_OUT充电并提高V_OUT。
t_OFF结束。

图2:t_ON和t_OFF

这个周期不断循环，从而实现V_OUT的调节。尽管反激式变换器都遵循上述整体流程工作，但仍然可以选择一些其他流程和模式来提升效率。

连续导通模式 (CCM) 和断续导通模式 (DCM)

反激式变换器可以在连续导通模式 (CCM) 或断续导通模式 (DCM) 下运行。

在 CCM 模式下，MOSFET 在电感完全放电之前从 t_OFF切换到t_ON，从而防止电感电流(I_L)降至零。在 DCM 模式下，能量则被完全释放，这意味着有一段时间I_L为零；当 I_L为零时，二极管和 MOSFET 均处于关断状态。

由于 CCM 具有恒定电流，因此建议在负载变化的应用中采用此模式，因为它可以提供更稳定的 V_OUT。对于中等或重载应用，CCM 也通常更加有利。

但对轻载而言，则建议采用DCM模式。在 DCM 模式下，轻载瞬态响应更快；而且，如果副边二极管/MOSFET 在t_OFF期间具有零电流开关 (ZCS)，DCM的效率也更高。ZCS在电流一达到零时就立即关断开关器件，可降低开关器件的功耗。

表 1 对这两种模式进行了简要的比较。

表1: CCM 和 DCM

参数	CCM	DCM
效率	效率较低	效率较高
瞬态响应	响应较慢	响应更快
电磁干扰	表现较差	性能更高
变压器	尺寸较大	尺寸较小
电感 RMS 电流和纹波	较低	较高

原边调节 (PSR) 和副边调节 (SSR)

反激式变换器面临的最大难点之一是保持输入与输出之间的隔离，这种隔离将变换器分为原边和副边。

有了原边调节 (PSR)，变换器可以用很少的组件来调节输出。辅助绕组与输入电压共享相同的接地参考，因此无需外部光耦合器（见图 3）。而辅助变压器与V_OUT相关，因此可以利用变压器的匝数比来控制系统。

图3: 原边调节

建议将 PSR 用于高压应用，因为它可以降低隔离电压要求，从而降低总成本。不过，PSR 在I_L最低时对电压进行采样，因此不能提供持续的监控，这也意味着调节时间较长。

副边调节（SSR）能够提供更精确的调节。在 SSR 中，V_OUT被直接采样，并通过光耦合器，在不破坏隔离屏障的情况下将该信号发送到变换器（见图 4）。SSR 还允许设计人员利用其他方法来进一步优化调节，例如使用升级绕组或加权反馈。

图4: 副边调节

但是，SSR 需要额外的外部元件。这会增加解决方案的尺寸和成本，并且还会降低系统的可靠性，因为更多的组件意味着更多的故障可能性。

表 2 对PSR 和 SSR 进行了简要的比较。

表2: PSR 和 SSR

	原边调节	副边调节
成本	较低成本	更高成本
复杂性	不太复杂	更复杂
V_OUT调节	更差	更好
瞬态响应	响应较慢	响应更快
可靠性	更可靠	可靠性较差
交叉调节	更差	更好

同步整流(SR)

同步整流器 (SR) 可代替二极管。由于同步整流采用有源控制开关，例如功率 MOSFET；而MOSFET 具有较低的导通电阻(R_DS(ON))，因此压降比二极管更小。所以，采用同步整流可降低功耗并提高效率。

同步整流使用比较器来采样电压并在特定时间打开晶体管，以允许电流沿正确的方向流动。尽管增加外部组件会使系统变得更加复杂，但它提高了效率；而且，由于功耗较低，还可使PCB具有较低的整体温度。

MPS的反激式控制器

反激式变换器是模块化电源，它由反激式控制器和用于实现所需功能配置的所有电源开关和变压器组成。

反激式控制器是用于控制电源的IC。它由放置在单个芯片中的微电子电路设计而成，芯片封装在典型的塑料封装内（例如 SOIC-8、SOICW-16 和 TSOICW16-15）。反激式控制器具有多项功能，例如所有的控制电路、电压和电流调节器以及用于导通和关断功率半导体的驱动器。

MPX2002是MPS提供的一款一体化反激式控制器，它采用 SOIC-W16 或 TSOICW16-15 封装，并集成了原边驱动电路、副边控制器、SR 驱动器和符合安全标准的反馈电路（见图 5）。

MPX2002 兼具 PSR 和 SSR 的优点。它具有可匹配原边 MOSFET 信号的 SR，并具有集成 SR 控制器来调节 SR MOSFET ，具备高度灵活性。

图5: MPX2002

MPX2002在重载条件下以 CCM 模式运行，但在负载降低时会切换至准谐振 (QR) 模式。根据负载的变化切换工作模式让MPX2002 可以在宽负载范围内保持高效率。

MPX2002 还同时为原边和副边提供超强的保护功能。原边保护功能包括：

短路保护(SCP)：SCP 可保护MPX2002 免受过流(OC) 情况的影响。它是一种防浪涌方法，在第一次触发后器件不会关闭；但在 8 个开关周期内如果 SCP 被触发两次，则原边停止切换；一旦触发条件消除，则恢复正常工作。
CS 短路保护（SSP）：如果 CS 引脚电压在设定时间内未达到设定值，则启动 SSP 以防止原边电流过载。该保护仅在前几个开关周期内起作用。
过压保护(OVP)：IC 可以启动OVP以防止组件因OV 条件的应力而损坏。
欠压保护(BOP)：触发BOP 可确保器件不会因V_IN不足而出现断电情况。
原边过温保护(POTP)：原边的POTP可防止器件因过热而损坏。当原边结温超过 POTP 阈值（约 150°C）时，切换即停止，直到结温下降约 40°C。
原边过流保护(POCP)：器件启动期间，原边会对副边进行监控。如果原边未在 OCP 时间(t_OCP)内启动，则判断为故障情况。在此故障条件下，POCP 标志被设置，并且原边运行于保护模式下。
原边外部保护(PEP)：MPX2002 具有通用保护引脚(PEP)。MPX2002 每 100µs 到 200µs 监控一次 PEP 上的电压。如果 PEP 引脚电压低于设定的保护阈值 0.5 V，则PEP 标志被拉高。该引脚可用于指示外部组件的 OTP，也可用于 OVP（见图 6）。

图6: 原边外部保护

副边保护功能包括：

副边欠压锁定(SUVLO)保护：为了防止副边在电压不足的情况下工作，副边在电源电压(VDD) 超过其上升阈值之前不会工作。一旦 VDD 降至下降阈值以下，副边即关闭。
副边过载保护(SOLP)：MPX2002 的IS 引脚通过电流采样电阻对输出电流进行采样。如果 IS 电压超过过载阈值且时间超过延迟时间，则触发 SOLP ，器件停止开关。
副边OVP (SOVP)：副边也具有OVP 功能以保护MPX2002 免受过压影响。
FB 开环保护(FBOLP)：如果发生故障情况，MPX2002 可能会丢失其反馈环路，V_OUT 也可能失控。为保护电路，MPX2002 会检查V_OUT和 FB 引脚电压。一旦FB 引脚电压低于其阈值一段设定的时间，则副边启动 FBOLP 以保护器件。
SR 栅极开路/短路保护（SGOP/SGSP）：SR 驱动器具有SGOP，可在SR 无法成功导通时保护电路免遭损坏。直到原边再次启动后，副边才会启动。
SRD 异常保护（SRDP）：如果副边启动并且有连续7 个原边开关脉冲，但 SR 栅极没有达到 SRD 引脚设定的阈值，则直到原边或副边触发欠压锁定 (UVLO)保护，副边才会恢复。
副边过温保护 (SOTP)：与 POTP 类似，SOTP 也有相应的保护阈值，它设置 SOTP 标志，直到副边结温降至迟滞阈值以下。

MPX2003是另一款一体化反激式控制器，它可以采用 CCM、DCM 和 QR 模式工作。该器件集成了控制器、副边 SR 以及采样和驱动电路，并100%通过生产 HIPOT 合规性测试。与 MPX2002 一样，MPX2003 也采用 SOICW-16 封装和 TSOICW16-15 封装。

MPX2003 提供的保护功能也与 MPX2002 相同，并且支持相同的安全准则。除此之外，MPX2003 的DIN VDE V 0884-17 认证正在进行中，而且该器件具有更出色的开关频率(f_SW)，f_SW可高达 140kHz。

总结

反激式变换器采用耦合电感将变换器分为两个部分（原边和副边），并在宽V_IN范围内调节 V_OUT。这些变换器可在不同负载条件下以 CCM 模式运行，或者以低输出功率的 DCM 模式运行来提高效率。反激式控制器位于反激式变换器的电源模块内，用于控制电路并进行优化。

MPX2002是一款一体化反激式控制器，它具有反激式变换器的所有典型优势，如高效率、出色的 V_OUT调节和简单的设计；同时它还提供丰富的保护功能，可同时保护变换器的原边和副边免受故障条件的影响。MPX2003是另一款将获得额外安全功能认证的类似器件，它可以实现更高的开关频率。 MPS 提供具有 PSR、SSR 或两者的反激式控制器。请访问 MPS 官网，了解更多 MPS反激式控制器，找到满足您应用需求的解决方案。