【原创】菜鸟课堂3--flyback的分析和设计

菜鸟们最早可能接触,也是可能接触最多的电路拓扑应该是flyback.至少我刚刚接触电源的时候,最先就是flyback.不会设计,连分析也不懂,唯一能做的是模仿(额,难听点就是抄袭了:( ).这样子的状态持续了一段时间后,才开始慢慢的有一些了解.为了让菜鸟能更快的上手,少走弯路,于是有了这一章.
为了分析flyback电路,我们从flyback的源头开始说吧.Flyback是从最基本的三种电路中的buck-boost演变而来的.所以对buck-boost的分析,一定有助于对flyback的分析,而且buck-boost看起来似乎要比flyback简单,至少它没有变压器吧.
为了证明我没有骗你,下面将要开始来对buck-boost进行演变,最终会演变成flyback.

500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/71/253371227954509.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">  图一

图一 是buck-boost的原型电路. 把电感L绕一个并联线圈出来,如图二:
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/71/253371227954536.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">  图二

把L的2个并联线圈断开连接,并且改变圈数比,改为:1:n,如图三:
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/71/253371227954558.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">  图三
把图三中的二极管沿着所在回路移动,变成阴极朝外的样子,并且,改变输出电压V和接地的位置如图四:

500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/71/253371227954587.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">  图四

把图四中的Q顺着回路移动到变压器下方,如图五:
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/71/253371227954620.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">  图五

把图五的电路,重新整理一下成图六.^_^,这样子和你见到的flyback有点像了吧.
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/71/253371227954644.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">   图六

以上说明,我们研究buck-boost的行为特性,对研究flyback的行为特性有很大的帮助.

在做分析之前,先来认识一下,我们做分析的2个强有力的武器:
1. 电感的伏秒平衡,说的是在一个周期里面,电感上的伏秒乘积的和总是为零的;
2. 电容的充放电平衡,说的是在一个周期里面,电容电流的充放电之和总是为零的.
^_^,这个体现了自然的和谐.只有和谐的电路才能工作嘛,要和谐,要和谐.
把buck-boost电路重画如下,并且设定其中的电压电流的正方向如图七所示:

把buck-boost电路重画如下,并且设定其中的电压电流的正方向如图七所示:
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/71/253371227954705.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">    图七

不错

支持,不要沉哦

顶啊 ....顶住

1. 电路工作在连续状态(CCM),也就是说电感电流L是连续的,任何时候电感中总存在电流.(电路的另一种工作状态DCM将在以后的章节中分析)
2. 在一的假设下,电路工作就可以分成2个状态,状态1,Q开通,二极管D关断,这个状态时间长度为t1, ,Ts为周期,这个状态记为d,状态2,Q关断,二极管D开通,这个状态记为 ,d' ＝1-d.
3. 电感L中的电流 纹波和电容C上的电压纹波相对其直流分流来说都很小.一个好的设计,要求输出的电压纹波总是很小,所以,C的纹波小,总是成立的.
4. 所有的损耗都不讨论先.即,电路所有原件是理想的.
5. 电路工作在一个稳定的状态下.

做好了假设,马上就开始分析电路了.  今天先到这里,周一继续.

第一个工作状态:mosfet Q开通,二极管D关断.如图八所示:
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228136810.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">  图八
列写状态方程:
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228136832.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">   (1)
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228136840.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">    (2)
因为有前面的假设,所以2可以简化为:
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228136881.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">   (3)
状态1的持续时间为 dTs.

第二个工作状态:Mosfet Q关断,二极管D开通.如图九所示:
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228136903.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">     图九

500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228136954.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">    (4)
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228136962.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">    (5)
状态2持续时间为(1-d)Ts,记为d'Ts.

在状态1,二极管D关断,所承受的反压为:
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228137754.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">    (10)
利用等式8的结果,则(10)可以写为:500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228137772.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">     (11)
同理可在状态 2 计算Mosfet所承受的电压:500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228137911.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">    (12)
等式 11 和等式 12 在告诉我们,占空比 d 越大,输出电压V的值越高,Mosfet和二极管D所承受的电压越高(好像是废话,输出电压越高,直观来说器件所承受的电压也越高嘛).等式 11 和等式 12,不仅仅验证了这个直观的想法,而且定量的给出了电压的大小,这个是有意义的事情.

下面研究一下这个电路中的电流吧.
电感的平均电流i等式9 已经给出,是和输出电流相关,那电感的纹波电流呢?
在状态1,电感电流的示意图如图十所示(在画图板里面画的图,难看一点了,能看明白就好了,将就用下吧):
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228137973.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">   图十
从图十中计算:
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228138011.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">    (13)
这个500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228138057.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">的大小是可以被设计的.而且,如果电路是理想无损耗的话,当输入电压和输出电压确定后,这个值是不随着输出电流变化的,它被电感所确定了!这个很重要,对后面的DCM状态的分析很重要.前面有假设500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228138080.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">相对i很小,那现在给出一个具体的值,比如 设计成i的5%.

在进行往下的计算和讨论之前,先插播一个很好很强大的秘籍,方便计算.仔细看哦,一般人我不都告诉的.
额,这个先作为明天的预告吧.明天继续说说这个很实用的计算RMS的方法.

由于这是一个和谐的电路,所以有:
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228137063.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">   (6)
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228137104.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">   (7)
解等式 6 和 7 ,并利用 d+d' =1可得:
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228137204.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">    (8)
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228137213.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">    (9)
从等式 8 看到了在CCM模式下面buck-boost的直流增益,因为flyback是从buck-boost变来的,所以我们猜测flyback的直流增益应该和这个有些像(具体见后文推导).
从等式 9 看到了在CCM模式下面buck-boost的电感的平均电流就等于输出的电流除以d'.
接着马上研究一下mosfet和D所承受的电压.

今天出差回来太晚,今天不更新了.明天继续更新.

很好,很强大,听课中....
楼主,问你几个问题.
1.flyback空载输出正常的现象是恒定电压V0吗?
2.满载和轻载输出电压V01,V02一样吗?
3.Vin在85-265v AC变化时,输出电压V0正常情况下如何变化,范围多大?
谢谢

上图八,q开通,D关段,应该是输出电容放电吧??

哦,我看错,你的IC方向你假定的正方向,你的电流方向是-V/R,是放电,没错

@i=VgdTs/2L来路 不明,请楼主明示 lol

理论再加很多实际经验~
这一系列的贴子确实很有特点.
支持楼主工作之余坚持写下去!~

个人看法,权作讨论吧:
1. flyback空载时基本均处于DCM工作模式,而flyback模块满载时又大多设计成了CCM模式,这样电源经常穿越于两种工作模式之间,因此若不同负载下要获得稳定的输出电压,其反馈环设计稍有难度.但现在大部分PWM-IC均能提供电流控制,所以做到输出恒压是问题不大的.
2. 如1所述,轻载跟满载时大部分设计也已穿越了DCM和CCM两种模式,所以应该还是有一定的负载调整率.但如果反馈做得好,差别应该是不大的(<0.5%).
3. 一般低压大电流时输出电压及效率均会较高压小电流时要低,但变化范围也应能控制在1%以内.

拙见.

由电感上 电压电流关系推导而得:
   U＝L×di/dt
楼主图十中di取的一半.

顶起来,天天来看看.

2.你的意思是说轻载和满载请况下输出电压为V0+-V0*0.5%?
我的现在有个现象是低载输出11.9v,输入电压变化影响不大,变化在0.01级,而满载输出电压11.6v,输入电压越低输出越低,最底11v.
Rsense调小没什么作用

没有电路图也没法说什么具体的.
试着先放宽下限流看看吧,如果没猜错,你板子的空,满载启动应该都有很大差异,甚至满载启动会比较困难吧?

说对了一半,是空载满载电压都不恒定,有0.6v变化,如我上面说的,但是满载启动还是不难
空载电压会跳动,从11.9慢慢降到5v,然后再到11v,应该是ic供电不足的问题吧,我正在重新打样变压器

你可以有意识的把flyback设计成只是连续或者只是断续的状态.一般来说,连续状态会比断续状态更难稳定.

空载这种情况,除了检查你的ic的供电,还请检查431的静态工作点,是否正常

有效值(RMS)的计算,按照公式是这么算:
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228307873.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">   (14)
在电源中,最常见的是梯形波(三角波是梯形波的一种特殊形式),每次都按 14 的方法计算RMS值是不是觉得很烦呢?有没有简单的方法啊?答案,有,下面就是一个很简单的计算诸如梯形波一类分段线性函数的有效值的方法.真的很简单,像梯形波这样子,一般用心算就可以得出来近似值了哦...
一个如图十一的波形,有效值可以这样子计算:
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228307946.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">   图十一
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228308005.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">    (14a)
其中D1,D2,D3,分别表示该段经历的时间占总时间的比例.
好,马上来利用一下我们的秘籍来计算通过Mosfet,二极管D和电感的RMS电流.这个事情很有意义.

500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228308341.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">已经假设为5%的i的大小,则通过Mosfet的RMS电流
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228308381.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">  (15)
有发现什么没有?这个值是不是非常接近于用电感电流的平均值i来计算的RMS值啊(说明在小纹波的情况下,用平均值来代替RMS值,是一个好办法.因为通常来说,平均值都比RMS值好计算^_^).
同理,流过二极管D的RMS电流可以表示为:
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228308547.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">   (16)
流过电感L的RMS电流可以表示为:
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228308569.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">    (17)
到这里,几乎所有的原件都计算了,除了C.下面就来计算C的一些东西.
C上的纹波电压.利用我们前面的假设,在d'时间段内,有:
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228308649.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">    (18)
所以有:
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228308678.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">    (19)
对C进行充放电的电流只是纹波电流,其直流成分都供给了负载,所以有:
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228308697.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">    (20)
其中500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228308759.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);"> 表示输出电流并且500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228308779.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">
好,到现在为止,你已经是一个CCM模式的buck-boost的初级设计师了.

下面开始我们的flyback的分析之旅.首先推出一个叫做简单变压器模型的东西,用这个东西可以简单的模拟变压器,就能对有变压器的电路开始做分析了.图十二,给出了这个简单的模型.
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228309922.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">   图十二
其中Lm代表着励磁电感,其它部分则是一个理想变压器.对一个设计良好的变压器来说,需要的励磁电流,总是占总电流的很小的一部分.这个简单的变压器模型忽略了诸如漏感,耦合电容,层间电容,电阻等参数.但是,这个模型做为开始的分析让然是一个好的选择.
下面就把这个简单的变压器的模型插入到我们的flyback的电路(图六)当中,并规定电压电流的正方向,如图十三所示.
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图，点击可放大。\n按住CTRL，滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/72/253371228309976.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">   图十三
假定这个flyback电路仍然工作在稳定的CCM状态.

写的好累,休息一下.
今天到这里...
最近在看一个美国电视剧'The Legend of the seeker'. 不知道有看这个的兄弟不?