【导读】于电源设计范畴，断绝型开关电源是确保体系安全靠得住的要害环节。面临正激式及反激式这两种主流断绝转换拓扑，工程师们经常面对选择困境。本文将从功率等级、成本效益、设计繁杂度等要害维度，深切剖析两种拓扑的技能特色与合用界限，为差别运用场景下的拓扑选择提供清楚的技能路径。

择要

于电源设计范畴，断绝型开关电源是确保体系安全靠得住的要害环节。面临正激式及反激式这两种主流断绝转换拓扑，工程师们经常面对选择困境。本文将从功率等级、成本效益、设计繁杂度等要害维度，深切剖析两种拓扑的技能特色与合用界限，为差别运用场景下的拓扑选择提供清楚的技能路径。

正激式转换器依附其较高的转换效率及优秀的功率处置惩罚能力，凡是于100W至500W的中高功率场景中体现卓着；而反激式转换器则以简便的布局及精彩的成本上风，于低在100W的功率规模内盘踞主导职位地方。理解这两种拓扑的焦点差异与合用场景，对于在医疗装备、工业节制体系和通讯装备等范畴的电源方案设计至关主要。

弁言

断绝是指电气体系避免电流于设计的两个自力（断绝）部门之间直接流动的能力。浩繁运用场景均可能需要断绝；例如，有些场所需要将输入与输出断绝开来。功效断绝是指将输入地及输出地分隔，中止接地环路，从而避免高噪声电源滋扰输出侧。或者者，由稳压器供电的下流负载可能需要与输入侧的高电压断绝开来，这类环境属在基本断绝。有些体系需要更高档级的断绝，以便晋升体系的安全性及靠得住性。

除了了高档级安全性及断绝需求以外，选择断绝拓扑还有有其他缘故原由。于高升压/降压运用中，尺度降压或者升压转换器没法满意较小占空比及最小导通/关断时间要求，是以需要采用断绝拓扑。于反响应用中，为了实现正电压到负电压的转换，需要利用断绝器件。

多输出运用可以采用断绝拓扑，经由过程多输出变压器，从单个电源转换器提供多个输出。以上只是断绝拓扑可以阐扬作用的部门范畴。

反激式转换器

反激式转换器是一种断绝型SMPS，它使用变压器将能量从输入端传输到输出端。它可以配置为降压或者升压两种模式。一个开关（凡是是晶体管，用在开启及封闭能量传输）与变压器的低级绕组串联毗连。当开封闭应时，能量贮存于变压器的磁场中。当开关断开时，能量经由过程整流电路传输到输出端。整流电路采用低损耗肖特基二极管，或者者假如需要更高效率的话，可以采用有源开关。文章“怎样设计一款采用次级侧同步整流的无光耦反激式转换器”会商了采用有源次级侧开关的反激式转换器设计。能量于导通周期存储于变压器中，于关断周期开释到输出端，是以反激式设计可以或许传输的能量是有限的。因为物理限定，变压器的尺寸也是有限的。这进而又限定了变压器的电流能力：能量太年夜的话，变压器线圈就会饱及。

反激式变压器还有有一个细节需要留意，就是极性唆使，它用一个简朴的圆点暗示绕组相互间的相对于极性。反激式拓扑的低级绕组及次级绕组是错相干系，是以低级侧的顶部有一个圆点，次级侧的底部也有一个圆点，暗示低级与次级的电流及电压相互错相180°。

传统的反激式方案（见图1）利用光耦合器来闭合反馈环路并维持稳压。然而，这类要领有一些错误谬误。光耦合器存于功耗高、速率慢（环路相应难以优化）、体积年夜、机能跟着时间推移轻易退化等局限性。此外，光耦合器需要偏置才能事情，是以电路次级侧需要分外的电路，致使电路板面积增年夜。光耦合器基在LED，是以其机能会跟着时间的推移而衰减。电流及温度越高，衰减速率越快。光耦合器的机能衰减可由持久电传播输比(CTR)曲线加以申明。器件差别，衰减也会有所差别。是以，对于在要害运用而言，光耦合器并不是靠得住的解决方案。

图1.传统方案1

图2显示了另外一种反激式方案，它使用第三绕组向节制电路提供次级侧信息，从而维持稳压。然而，虽然去失了体积重大的光耦合器和相干的偏置电路，但第三绕组仍会致使变压器的物理尺寸变年夜，并且其对于输出变化的相应较慢，可能造成瞬态相应欠安。

图2.传统方案2

甚么是无光耦反激式转换器？

另外一类反激式转换器是无光耦反激式转换器（见图3）。无光耦是指转换器不利用光耦合器从断绝侧向转换器提供反馈以维持稳压。相反，无光耦反激式转换器经由过程不雅测反激脉冲波形，对于低级侧的断绝输出电压举行采样。

图3.LT8300无光耦反激运用电路（36 V至72 V VIN，5 V VOUT）

这类设计于电路板面积及靠得住性方面有诸多上风。不存于光耦合器象征着可以省去响应的空间及次级侧反馈元件。相对于在利用第三绕组的设计，变压器尺寸也更小。对于在空间很是名贵的运用，例如便携式装备或者紧凑型电子装配，电路板面积削减尤为主要。

当电源开关导通时，变压器低级电流将增年夜，最高到达峰值限流值（每一个IC有差别的限流值），此时开关关断。开枢纽关头点处的电压上升至以下电压值：输出电压(VOUT)乘以低级-次级匝数比(Nps)加之输入电压(VIN)。

额定开关电压对于在非断绝型开关稳压器很主要。然而，利用此类转换器时需要越发小心，由于开枢纽关头点的电压等在输出电压乘以变压器匝数比加之最年夜输入电压。此外还有要留意漏感尖峰，是以设计需要确保当所有这些环境叠加于一路时，开关电压不会跨越额定值。

甚么是漏感？

漏感是一种寄生电感，存于在所有基在变压器的电路中，包括本文会商的反激式及正激式转换器。它被视为不直接毗连到方针电路，但经由过程变压器的磁场耦合到方针电路的电感。漏感是一个寄生元件。这象征着它不是直接包罗于电路设计中，而是因为变压器的物理特征而存于的。可以认为它是变压器磁场从低级绕组走漏到次级绕组或者从次级绕组走漏到低级绕组的成果。

正激式及反激式转换器的能量传输方式差别，是以漏感对于它们的影响也差别。对于在反激式转换器，当低级开关关断时，漏感会致使低级开关两头呈现电压尖峰，而且负载电流越年夜，电压尖峰越较着。电路设计职员需要确保有充足的裕量来应答任何最坏环境下的泄电压尖峰。是以，低级上的反射输出电压需要始终低在最年夜开关电压，即低级MOSFET的绝对于最年夜额定值（低级MOSFET可集成到反激式转换器中，或者作为零丁的元件提供，详细取决在功率程度）。

于变压器设计中，漏感节制至关主要。是以，应与变压器制造商紧密亲密互助，只管即便降低漏感，或者直接选用漏感极小的变压器。假如上述方案不成行，可经由过程于变压器低级侧增长缓冲电路来有用按捺电压尖峰。有关这些电路设计的更多信息，请参阅反激式转换器数据手册。ADI公司的LT8300微功耗断绝反激式转换器数据手册对于此有更具体的会商。

正激式转换器

正激式转换器也利用变压器将能量从输入端传输到输出端，一个开关与变压器的低级绕组串联毗连，就像反激式转换器同样。区分于在，正激式转换器不依靠变压器作为储能元件，而是将能量当即传输到次级侧，于此中举行整流及滤波，以提供高在或者低在输入电压的受控断绝输出（经由过程转变变压器匝数比举行调解）。经由过程不雅察变压器上的圆点唆使，可以轻松辨认这类拓扑。低级侧及次级侧的相位唆使对于齐，暗示低级侧及次级侧之间的电流及电压相移为0°。

图4.LT8310，12 V输出正激式转换器

次级侧有两个整流二极管（非同步方案），还有有一个由电感及电容构成的输出滤波器，用以削减输出纹波。LT8310可以或许于无光耦配置下运行，近似在无光耦反激式拓扑，但若需要，它也能够采用光耦合器反馈。它还有能使用SOUT引脚驱动次级侧MOSFET，从而实现同步整流正激式拓扑，有助在优化效率。

图5.LT8310，光耦合器反馈

于效率、负载电流能力、尺寸及成本方面，反激式转换器及正激式转换器存于一些主要差异。

效率：一般来讲，正激式转换器比反激式转换器效率更高，由于前者因铁芯饱及及漏感而孕育发生的损耗较小。然而，转换器的效率还有取决在电路的详细设计及所利用的元件。例如，功率程度就是一个很主要的考量因素。是以，差别转换器之间不克不及简朴地举行直接比力。传统上，这两种拓扑布局的效率差距较年夜，但跟着更高效元件的呈现，二者的效率已经经很是靠近。

负载电流能力：正激式转换器的变压器设计撑持更年夜的电流流过低级绕组，是以其处置惩罚的负载电畅通常高在反激式转换器。能量于统一周期内传输（正激式），而不是存储起来（反激式），是以限定负载电流能力的因素是变压器尺寸。因为变压器的限定，反激式转换器凡是用在不跨越60 W至70 W的运用，跨越此功率时，正激式转换器是更优的解决方案，可以或许提供数百瓦的功率。

尺寸：反激式转换器因变压器设计更紧凑且所需元件较少（FET更少且滤波器更简朴），其尺寸往往小在正激式转换器。于对于尺寸有严酷要求的运用（如便携式装备）中，反激式转换器的较小尺寸多是一个主要的考量因素。

成本：反激式转换器因变压器设计更简朴且所需元件更少，往往比正激式转换器自制。表1简朴地比力了这两种拓扑布局和实现电路所需的元件数目。可以看出，反激式转换器是一种更简朴的实现方案。纵然设计进一步繁杂化，例如插手同步整流或者因反馈需求而利用光耦合器，正激式转换器从元器件方面来看仍旧是更繁杂的设计，不仅会致使成本更高，并且需要更年夜的电路板面积。

表1.元件数目比力：正激式与反激式

甚么是次级侧节制器？是否需要次级侧节制器？

正激式及反激式转换器均无需次级侧节制器，而是使用次级侧（变压器的断绝侧）的一个二极管（正激式转换器需要两个）来事情。然而，这纷歧定是最有用的要领。另外一种要领是用低损耗MOSFET代替二极管，此时需要次级侧节制器。它是一种开关节制器，用在节制断绝栅次级侧MOSFET的通断。有些开关节制器（如LT8311）可能包括分外的电路来监测输出电压，并将此信息提供应断绝栅的低级侧。信息传输经由过程光耦合器旌旗灯号实现。图6展示了一个运用电路，此中LT3753正激转换器与LT8311共同利用，经由过程光耦合器反馈实现次级侧节制。

图6.LT8311于正激运用顶用作次级侧节制器

再回过来看设计中是否需要次级侧节制器的问题。就像所有与电源有关的问题同样，谜底是取决在详细环境。思量因素包括体系要求、精度、效率、项目时间表、成本等。不外，利用次级侧节制器会带来一些上风，这对于决议计划可能有所帮忙。

提高效率：次级侧节制器撑持用低RDS(ON)的MOSFET取代二极管，这有助在降低次级侧的功耗，从而提高体系效率。

晋升稳压能力：它可以监测输出电压及电流，并向低级侧提供反馈，帮忙维持不变正确的输出电压。由此可以实现更严酷的电压调治，并提高输出电压不变性。

矫捷性：有些次级侧节制器可能包罗多种附加功效，使变换器越发矫捷，可以或许胜任更广泛的运用场景。

可能需要断绝型电源转换的运用示例：

►医疗装备：医疗装备凡是需要断绝电源，以避免患者及医务职员遭到电击。断绝还有能避免患者电旌旗灯号与装备彼此滋扰，从而实现更正确的诊断及医治。

►工业节制：很多体系需要断绝电源，例如通讯接口电源、工业主动化电源。断绝凡是用在工业节制体系，以掩护敏感电子装备免受高压瞬变及电噪声的影响。

►汽车体系：汽车体系也需要断绝电源，以避免差别子体系之间孕育发生电气滋扰，并掩护电子体系免受电压尖峰及瞬变的影响。

►通讯体系：通讯体系需要断绝电源，例如电信及数据通讯高功率密度电源(PSU)。

►可再生能源体系：出在安全缘故原由，断绝也用在太阳能、风能、水力发电厂等可再生能源体系的电源转换，以避免体系差别部门之间孕育发生滋扰。

►电池供电体系：断绝于电池供电的体系中也很主要，特别是于电池充电及放电时，需要经由过程断绝来掩护敏感电子元件免受高压瞬变的影响并确保安全。

结论

总之，断绝广泛用在需要分散电源转换器的输入侧及输出侧以确保安全性、正确性及靠得住性的运用。反激式及正激式转换器都是断绝型SMPS拓扑布局，可用在相干的断绝运用。选择何种拓扑布局，取决在运用的详细要求，以和对于效率、断绝、尺寸、负载电流能力及成本等因素的衡量。

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