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【开关电源学习笔记 II】接续上一贴分析电源主拓扑

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在上一个电源拆解贴中(【水】拆解分析一个 750W DC/DC 服务器电源 ),最后还剩一个主拓扑部分没有分析,最近终于有空闲来做这个事情,顺带写到开关电源学习笔记系列贴中。上一次的开关电源学习笔记:【开关电源学习笔记1】一款升降压模块的分... (六年转瞬即逝啊)本帖以从实际测量结果出发,再合理推理配合理论计算的方法来分析此电源。



IP属地:四川来自Android客户端1楼2023-05-21 00:14回复
    可以看到,该电源拓扑采取两路交错式双管正激,显然,每一路的开关管需要同时导通、同时关闭。每一路独立出来可以分为三个工作模态,分别为:
    (1) 上下开关管(Q1, Q2 或 Q3, Q4)导通
    (2) 开关管关断,二极管 D4, D5(或 D6, D7)钳位初级侧电压
    (3) 等待另一路完成模态 (1) (2)
    也就是说,把两路的三个模态都展开,得到这个电源初级侧的一个完整工作周期:
    (1) A 路:Q1, Q2 导通
    (2) A 路:Q1, Q2 关闭,D4, D5 钳位 T1 初级侧电压
    (3) B 路:Q3, Q4 导通
    (4) B 路:Q3, Q4 关闭,D6, D7 钳位 T2 初级侧电压


    IP属地:四川来自Android客户端2楼2023-05-21 00:15
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      测量变压器初级侧的电压,得到如图所示的波形:


      IP属地:四川来自Android客户端3楼2023-05-21 00:16
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        可以看到,取该波形的一个周期,大体上是由一半的方波和一半的类似正弦波构成的。如下图所示画出两路变压器的波形图,可以看到两路变压器的波形形状完全一致,仅仅是相位不同(开关的“步调”不同)。


        IP属地:四川来自Android客户端4楼2023-05-21 00:16
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          首先我们对初级侧进行分析。
          只取一路来观察,当 Q1, Q2 开关管导通,变压器 T1 初级侧被施加以电源电压,向次级侧传递能量(次级侧发生的事情我们会在后文重点分析)


          IP属地:四川来自Android客户端5楼2023-05-21 00:17
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            此后 Q1, Q2 导通一定时间(称为 Ton 时段),变压器在这段时间内向次级侧传递能量(这里传递的能量会大于负载在这段时间内实际消耗的能量,我们将在后文解释)。
            接着 Q1, Q2 截止(Toff 时段),导致变压器初级侧突然失去电流,而由于初级侧漏感的原因,变压器初级侧有维持原先电流不变的趋势,因此初级侧立即感应出反电动势(即初级绕组电压与开关管开通时相反)以试图维持原先的初级电流,由于电压反向,电流可以通过 D4, D5 形成回路。本质上,这是泄放变压器初级多余能量的过程,是为了防止变压器的励磁电流饱和,称为变压器的磁复位。
            Toff 时段发生的这一系列事情就是波形图中初级侧电压变为负值的原因(初级侧的反电动势)。


            IP属地:四川来自Android客户端6楼2023-05-21 00:18
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              当 Toff 时段过了之后,初级侧的能量已经泄放完毕,反电动势不足以再被维持,于是初级侧电压逐渐从负值升高至 0,当达到 0 时(过零时刻),进入下一个阶段。


              IP属地:四川来自Android客户端7楼2023-05-21 00:18
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                在下一个阶段中,同时发生两件事:
                (1) 另一路变压器开始工作(Q3, Q4 导通),初级电压经历和上述过程一样的变化(升至电源电压→降低为负值→恢复到 0),向负载输出能量。
                (2) 我们正在分析的这一路的初级侧电压恢复为 0,二极管 D4, D5 反向截止,由于 Q1, Q2 继续保持关闭(因为现在轮到另一路输出能量了,现在这一路处于“休息”的状态),变压器在这段时间内整个不参与电路工作。由于电路中寄生参数的存在,例如 MOSFET 的结电容,变压器初级电感和这些寄生参数进入一个“自由震荡”的状态,这是波形中出现半个正弦波的原因。


                IP属地:四川来自Android客户端9楼2023-05-21 01:16
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                  再次回顾该电源的一个工作周期中的四个工作模态,我们已经可以补充一些内容了:
                  (1) A 路:Q1, Q2 导通,结束“自由震荡”状态,向负载输出能量 E1,同时 B 路进入“自由震荡”状态;
                  (2) A 路:Q1, Q2 关闭,D4, D5 钳位 T1 初级侧电压;
                  (3) B 路:Q3, Q4 导通,结束“自由震荡”状态,向负载输出能量 E2,同时 A 路进入“自由震荡”状态;
                  (4) B 路:Q3, Q4 关闭,D6, D7 钳位 T2 初级侧电压。
                  我们这样整理一下便可以发现,在 (1)(2) 状态中 A 路主导工作,B 路处于自由震荡状态,而 (3)(4) 态中 B 路主导工作,A 路处于自由震荡状态,这就是所谓的交错工作模式。
                  然而不知你是否发现这样的问题:仅有 (1)(3) 状态电路在向负载输出能量,那 (2)(4) 态是由谁向负载提供能量的呢?这就需要我们开始分析次级侧电路了。(提示:上文提到过,1,3 状态下向负载传递的能量均大于负载实际消耗的能量)。


                  IP属地:四川来自Android客户端10楼2023-05-21 01:17
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                    现在来分析次级侧。回顾电源的次级侧波形(和 4 楼展示的初级侧波形一致),是由一半的方波和一半的正弦波构成的。
                    产生这段正弦波的原因我们已经知道,是由于初级侧在这段时间内进入了自由振荡状态,在初级电压自负值上升到 0 后,两个开关管和两个钳位二极管都不导通,初级两端相当于悬空状态,因此和电路中的各种寄生器件产生振荡。这可以视为此时电源工作于 DCM(Discontinuous Conduction Mode, 断续电流模式/断续导通模式),即,初级电感电流会回落到零。
                    〔注:上述情况是在 10A 负载下测得的,对于这个最大输出 50A 的电源来说尚且属于小负载,因此猜测继续加大负载应该可以使其进入 CCM(Continuous Conduction Mode, 连续电流模式) 工作〕。


                    IP属地:四川11楼2023-05-21 22:54
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                      我们取这个图纸中上面的那个变压器一路来分析。在 Ton 时间内,变压器次级侧电压上升至一定值(测得约为 28V,可以思考为什么不是输出电压 12V),我们记该值为 U_T(U 下标 T,贴吧打不出下标就暂时这样表示了)。于是 D1 正向偏置导通,负载 R_Load 获得能量,接着电流流经电感 L,最后流回变压器。
                      如图中所示,记输出电压为 U_o,根据电源工作条件有 U_o = 12V 恒成立(显然,这是一个强约束,无论电源在哪个模态工作,都有该关系成立)。则有 U_o < U_T,所以 D1 才会正向偏置。
                      用 KVL 考察该闭合回路,则有 U_T = U_o + U_L(U_L 为电感电压),即电感 L 分到了 U_T - U_o 这么多电压(该值大约为 16V)。


                      IP属地:四川12楼2023-05-21 23:08
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                        根据电感的性质(如下式,不清楚的可以去补一补电磁学基础),电感电压以方波形式上升到一个定值 U_L,则其电流必定会开始关于时间线性上升,其斜率等于该电压除以电感量 L.
                        于是,电感电流从某个值 I_v 开始上升,直到 Ton 时间结束。这时,初级开关管关断,初级进入二极管钳位状态,变压器次级电压变为负值,D1 二极管反偏截止。电感电流于是不再上升,此时电流为电感的峰值电流,我们记为 I_p.


                        IP属地:四川13楼2023-05-21 23:27
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                          先放一张电感电压、电流是波形图,明天继续分析


                          IP属地:四川14楼2023-05-22 00:50
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                            zvs吧没落了好贴无人


                            IP属地:陕西来自Android客户端15楼2023-05-22 16:27
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                              这就是双管正激吧


                              IP属地:广西来自Android客户端16楼2023-05-22 17:17
                              收起回复