反激式變換器是用于醫(yī)療設(shè)備和筆記本電腦等應(yīng)用的多功能電力電子器件。這種變換器也稱為隔離式升降壓變換器，其電路簡單，可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出電壓(VOUT)，同時最大限度地減少電磁干擾 (EMI)。

本文將介紹反激式變換器及其拓撲、有用參數(shù)和操作，還將討論 MPS 的 AC/DC 反激式控制器（MPX2002 11和MPX2003 7），它們同時具備原邊調(diào)節(jié) (PSR) 和副邊調(diào)節(jié) (SSR)的能力。

反激式變換器的參數(shù)和拓撲

在反激式變換器中，電感被分割以形成耦合電感，它也被稱為反激式變壓器。耦合電感將變換器的輸入與其輸出隔離。圖 1 為反激式變換器的示意圖，其組成如下：

VIN：輸入電壓，即電路的電源。

CIN和COUT：分別為輸入和輸出電容。電容用于存儲和釋放到穩(wěn)壓器VIN和輸出電壓(VOUT)的電荷。

Control：來自IC 控制器的信號，用于導(dǎo)通原邊MOSFET。它允許電流流過LP，并傳輸至輸出。

LP和LS：分別為原邊和副邊電感。耦合電感存儲并釋放能量，并根據(jù)各自繞組中的匝數(shù)確定VOUT。

D：二極管，通過將交流電(AC) 轉(zhuǎn)換為直流電(DC)對VOUT進行整流，使電流只能沿一個方向流動。

RL：用于模擬反激式變換器功耗的負載。

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圖1: 反激式變換器拓撲

反激式變換器注意事項

選擇反激式變換器時，需要考慮一些重要的因素，其中包括確定一些基本參數(shù)，例如VIN、VOUT、LP和LS。下面列出了另外一些注意事項：

變壓器匝數(shù)比NP:NS（NP為原邊繞組匝數(shù)，NS為副邊繞組匝數(shù)）直接影響VOUT。如果 NS增加，則 VOUT按比例增大；如果NS減小，VOUT也成比例減小。NP 與VOUT的關(guān)系則成反比，NP增加，VOUT 按比例減少；反之亦然。

占空比是導(dǎo)通時間與總開關(guān)周期的比率(tON / τSW)。占空比根據(jù) VOUT和變壓器匝數(shù)比確定 VIN；占空比越高，VOUT越高。

保護機制和隔離能力對于反激式變換器滿足 UL 1577 和 IEC 62368 等安全標準至關(guān)重要?？舍槍?EMI 性能來優(yōu)化保護功能，以確保設(shè)備不會在次優(yōu)條件下運行。

反激式變換器操作

反激式變換器工作的本質(zhì)是存儲和傳輸能量。其工作周期包括導(dǎo)通時間(tON)和關(guān)斷時間(tOFF)，它們由 MOSFET 的開關(guān)狀態(tài)來控制（見圖 2）。tON期間，MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)，電流從輸入端流經(jīng)LP，為耦合電感充電；tOFF期間，MOSFET 處于關(guān)斷狀態(tài)，耦合電感通過二極管消磁，然后該電流為 COUT充電并為負載供電。這個過程可以簡化為以下幾個步驟：

1. tON開始。當(dāng) MOSFET 導(dǎo)通時，電流流過LP，能量存儲在變壓器的磁場中。
2. tON結(jié)束。
3. tOFF開始。當(dāng) MOSFET 關(guān)斷時，存儲的能量通過副邊二極管/MOSFET 傳輸?shù)捷敵觯瑢OUT充電并提高VOUT。
4. tOFF結(jié)束。

圖2:tON和tOFF

這個周期不斷循環(huán)，從而實現(xiàn)VOUT的調(diào)節(jié)。 盡管反激式變換器都遵循上述整體流程工作，但仍然可以選擇一些其他流程和模式來提升效率。

連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 和斷續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM)

反激式變換器可以在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 或斷續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM) 下運行。

在 CCM 模式下，MOSFET 在電感完全放電之前從 tOFF切換到tON，從而防止電感電流(IL)降至零。在 DCM 模式下，能量則被完全釋放，這意味著有一段時間IL為零；當(dāng) IL為零時，二極管和 MOSFET 均處于關(guān)斷狀態(tài)。

由于 CCM 具有恒定電流，因此建議在負載變化的應(yīng)用中采用此模式，因為它可以提供更穩(wěn)定的 VOUT。對于中等或重載應(yīng)用，CCM 也通常更加有利。

但對輕載而言，則建議采用DCM模式。在 DCM 模式下，輕載瞬態(tài)響應(yīng)更快；而且，如果副邊二極管/MOSFET 在tOFF期間具有零電流開關(guān) (ZCS)，DCM的效率也更高。ZCS在電流一達到零時就立即關(guān)斷開關(guān)器件，可降低開關(guān)器件的功耗。

表 1 對這兩種模式進行了簡要的比較。

表1: CCM 和 DCM

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原邊調(diào)節(jié) (PSR) 和副邊調(diào)節(jié) (SSR)

反激式變換器面臨的最大難點之一是保持輸入與輸出之間的隔離，這種隔離將變換器分為原邊和副邊。

有了原邊調(diào)節(jié) (PSR)，變換器可以用很少的組件來調(diào)節(jié)輸出。輔助繞組與輸入電壓共享相同的接地參考，因此無需外部光耦合器（見圖 3）。而輔助變壓器與VOUT相關(guān)，因此可以利用變壓器的匝數(shù)比來控制系統(tǒng)。

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圖3: 原邊調(diào)節(jié)

建議將 PSR 用于高壓應(yīng)用，因為它可以降低隔離電壓要求，從而降低總成本。不過，PSR 在IL最低時對電壓進行采樣，因此不能提供持續(xù)的監(jiān)控，這也意味著調(diào)節(jié)時間較長。

副邊調(diào)節(jié)（SSR）能夠提供更精確的調(diào)節(jié)。在 SSR 中，VOUT被直接采樣，并通過光耦合器，在不破壞隔離屏障的情況下將該信號發(fā)送到變換器（見圖 4）。SSR 還允許設(shè)計人員利用其他方法來進一步優(yōu)化調(diào)節(jié)，例如使用升級繞組或加權(quán)反饋。

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圖4: 副邊調(diào)節(jié)

但是，SSR 需要額外的外部元件。這會增加解決方案的尺寸和成本，并且還會降低系統(tǒng)的可靠性，因為更多的組件意味著更多的故障可能性。

表 2 對PSR 和 SSR 進行了簡要的比較。

表2: PSR 和 SSR

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同步整流(SR)

同步整流器 (SR) 可代替二極管。由于同步整流采用有源控制開關(guān)，例如功率 MOSFET；而MOSFET 具有較低的導(dǎo)通電阻(RDS(ON))，因此壓降比二極管更小。所以，采用同步整流可降低功耗并提高效率。

同步整流使用比較器來采樣電壓并在特定時間打開晶體管，以允許電流沿正確的方向流動。盡管增加外部組件會使系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，但它提高了效率；而且，由于功耗較低，還可使PCB具有較低的整體溫度。

MPS的反激式控制器

反激式變換器是模塊化電源，它由反激式控制器和用于實現(xiàn)所需功能配置的所有電源開關(guān)和變壓器組成。

反激式控制器是用于控制電源的IC。它由放置在單個芯片中的微電子電路設(shè)計而成，芯片封裝在典型的塑料封裝內(nèi)（例如 SOIC-8、SOICW-16 和 TSOICW16-15）。反激式控制器具有多項功能，例如所有的控制電路、電壓和電流調(diào)節(jié)器以及用于導(dǎo)通和關(guān)斷功率半導(dǎo)體的驅(qū)動器。

MPX2002 11是MPS提供的一款一體化反激式控制器，它采用 SOIC-W16 或 TSOICW16-15 封裝，并集成了原邊驅(qū)動電路、副邊控制器、SR 驅(qū)動器和符合安全標準的反饋電路（見圖 5）。

MPX2002 11兼具 PSR 和 SSR 的優(yōu)點。它具有可匹配原邊 MOSFET 信號的 SR，并具有集成 SR 控制器來調(diào)節(jié) SR MOSFET ，具備高度靈活性。

圖5: MPX2002

MPX2002 11在重載條件下以 CCM 模式運行，但在負載降低時會切換至準諧振 (QR) 模式。根據(jù)負載的變化切換工作模式讓MPX2002 可以在寬負載范圍內(nèi)保持高效率。

MPX2002 11 還同時為原邊和副邊提供超強的保護功能。原邊保護功能包括：

短路保護(SCP)：SCP 可保護MPX2002 免受過流(OC) 情況的影響。它是一種防浪涌方法，在第一次觸發(fā)后器件不會關(guān)閉；但在 8 個開關(guān)周期內(nèi)如果 SCP 被觸發(fā)兩次，則原邊停止切換；一旦觸發(fā)條件消除，則恢復(fù)正常工作。

CS 短路保護（SSP）：如果 CS 引腳電壓在設(shè)定時間內(nèi)未達到設(shè)定值，則啟動 SSP 以防止原邊電流過載。該保護僅在前幾個開關(guān)周期內(nèi)起作用。

過壓保護(OVP)：IC 可以啟動OVP以防止組件因OV 條件的應(yīng)力而損壞。

欠壓保護(BOP)：觸發(fā)BOP 可確保器件不會因VIN不足而出現(xiàn)斷電情況。

原邊過溫保護(POTP)：原邊的POTP可防止器件因過熱而損壞。當(dāng)原邊結(jié)溫超過 POTP 閾值（約 150°C）時，切換即停止，直到結(jié)溫下降約 40°C。

原邊過流保護(POCP)：器件啟動期間，原邊會對副邊進行監(jiān)控。如果原邊未在 OCP 時間(tOCP)內(nèi)啟動，則判斷為故障情況。在此故障條件下，POCP 標志被設(shè)置，并且原邊運行于保護模式下。

原邊外部保護(PEP)：MPX2002 具有通用保護引腳(PEP)。MPX2002 每 100μs 到 200μs 監(jiān)控一次 PEP 上的電壓。如果 PEP 引腳電壓低于設(shè)定的保護閾值 0.5 V，則PEP 標志被拉高。該引腳可用于指示外部組件的 OTP，也可用于 OVP（見圖 6）。

圖6: 原邊外部保護

副邊保護功能包括：

副邊欠壓鎖定(SUVLO)保護：為了防止副邊在電壓不足的情況下工作，副邊在電源電壓(VDD) 超過其上升閾值之前不會工作。一旦 VDD 降至下降閾值以下，副邊即關(guān)閉。

副邊過載保護(SOLP)：MPX2002 的IS 引腳通過電流采樣電阻對輸出電流進行采樣。如果 IS 電壓超過過載閾值且時間超過延遲時間，則觸發(fā) SOLP ，器件停止開關(guān)。

副邊OVP (SOVP)：副邊也具有OVP 功能以保護MPX2002 免受過壓影響。

FB 開環(huán)保護(FBOLP)：如果發(fā)生故障情況，MPX2002 可能會丟失其反饋環(huán)路，VOUT 也可能失控。為保護電路，MPX2002 會檢查VOUT和 FB 引腳電壓。一旦FB 引腳電壓低于其閾值一段設(shè)定的時間，則副邊啟動 FBOLP 以保護器件。

SR 柵極開路/短路保護（SGOP/SGSP）：SR 驅(qū)動器具有SGOP，可在SR 無法成功導(dǎo)通時保護電路免遭損壞。直到原邊再次啟動后，副邊才會啟動。

SRD 異常保護（SRDP）：如果副邊啟動并且有連續(xù)7 個原邊開關(guān)脈沖，但 SR 柵極沒有達到 SRD 引腳設(shè)定的閾值，則直到原邊或副邊觸發(fā)欠壓鎖定 (UVLO)保護，副邊才會恢復(fù)。

副邊過溫保護 (SOTP)：與 POTP 類似，SOTP 也有相應(yīng)的保護閾值，它設(shè)置 SOTP 標志，直到副邊結(jié)溫降至遲滯閾值以下。

MPX2003 7是另一款一體化反激式控制器，它可以采用 CCM、DCM 和 QR 模式工作。該器件集成了控制器、副邊 SR 以及采樣和驅(qū)動電路，并100%通過生產(chǎn) HIPOT 合規(guī)性測試。與 MPX2002 11 一樣，MPX2003 7 也采用 SOICW-16 封裝和 TSOICW16-15 封裝。

MPX2003 7 提供的保護功能也與 MPX2002 11 相同，并且支持相同的安全準則。除此之外，MPX2003 7 的DIN VDE V 0884-17 認證正在進行中，而且該器件具有更出色的開關(guān)頻率(fSW)，fSW可高達 140kHz。

總結(jié)

反激式變換器采用耦合電感將變換器分為兩個部分（原邊和副邊），并在寬VIN范圍內(nèi)調(diào)節(jié) VOUT。這些變換器可在不同負載條件下以 CCM 模式運行，或者以低輸出功率的 DCM 模式運行來提高效率。反激式控制器位于反激式變換器的電源模塊內(nèi)，用于控制電路并進行優(yōu)化。

MPX2002 11是一款一體化反激式控制器，它具有反激式變換器的所有典型優(yōu)勢，如高效率、出色的 VOUT調(diào)節(jié)和簡單的設(shè)計；同時它還提供豐富的保護功能，可同時保護變換器的原邊和副邊免受故障條件的影響。MPX2003 7是另一款將獲得額外安全功能認證的類似器件，它可以實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率。 MPS 提供具有 PSR、SSR 或兩者的反激式控制器。請訪問 MPS 官網(wǎng)，了解更多 MPS反激式控制器 4，找到滿足您應(yīng)用需求的解決方案。