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旁征博引学电源

植物按照其进化方式,可分为两大类,一类是裸子植物,另一类是被子植物。裸子植物一般比较原始,且多样性较差,像银杏、杉树、柏树等均属于裸子植物。而被子植物相对而言进化得就更高级一些,在地球上的分布也更广,形形色色的开花植物都可以归类为被子植物。被子植物的进化可谓后来者居上,在环境适应性与繁殖方面具有显著的优势。而开关电源按照变压器的工作方式也可以分为两类,分别是正激式开关电源与反激式开关电源。正激式开关电源的功率要大于反激式开关电源,但它的复杂性比反激式要高一些。如果与上面介绍的裸子植物和被子植物相关联,正激式开关电源对应的是被子植物,反激式开关电源则对应裸子植物。这种归类法称之为对比归类法,或者叫联想归类法。但话又说回来,正激式开关电源与被子植物之间真的有内在联系吗,还是八竿子打不着,根本没这回事呢,先看一张图。

这张图左边的是被子植物的木质部放大切片,右边的是裸子植物的木质部放大切片,对比看很明显,被子植物已经进化出了支撑与运输水分相分离的结构,而裸子植物则是支撑与运输水分是一体化的。裸子植物一体化的结构更像是反激式变压器——电感与变压器集成在一起,这种结构的好处是整体相对简单,也比较节省材料,但运输水分的能力不强。而采用相分离的结构就不一样了,支撑功能与运输功能相互分离后,负责运输的管壁会变薄,中央孔隙会变大,这样向上运输水分的能力就会变强,从而更有利于树木快速的生长发育。这一点与正激式开关电源类似,正激式开关电源的变压器与电感是分离的,工作时它们各司其职,发挥出各自的最大效能,这样在大功率输出时就会有更高的工作效率。下图为正激变换器(截图来自开关电源的原理与设计一书)。

图中T1是纯粹的变压器,L是纯粹的电感,工作时他们各司其职,发挥出各自最大的效能。这一点与反激变换器形成鲜明对比,反激变压器其实就是一个集成变压器,集成了变压器与电感的双重功能,工作时既是变压器也是电感,这种集成的方式在小功率开关电源领域有着无可比拟的优势。但输出功率一旦超过百瓦级别,反激变换器的集成优势就没有了,正是因为集成,变压器与电感会相互制约。首先是磁芯材料的制约,变压器倾向于用铁氧体磁芯,因为可以提供大的电感量,减少励磁电流,磁芯损耗也较低;而电感则倾向于用铁硅铝磁芯,铁硅铝磁芯的直流偏置能力强,不容易饱和。在反激变换器中,磁芯材料用的是铁氧体,如果做电感用的话就容易饱和,当然也可以通过磨气隙的方法来解决这个问题。但气隙一旦超过1mm, 电源的效率就会明显下降,因为电感量会随着气隙的增大而下降,变压器的电感量下降后,励磁电流就会增加,这就是反激变换器功率很难做大的原因。再次是峰值电流的制约,反激变换器输出电流是断续的,并且电流是三角波(用有源钳位技术可以改善,后面再介绍),在副边导通的一瞬间峰值电流很大,如果此时负载需求的电流也很大,比如几十安培,那对输出整流电路来说将是一个非常大的考验。附一张典型的反激输出电流波形图

红色是输出电流波形(带载7A) , 黄色波形是Vds,蓝色是同步整流驱动信号。可以看出尖峰电流超过了26A,短时间内这么大的电流变化率既 di/dt,产生的干扰也是不容小觑的。

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