探究不同模式下反激式开关电源的损耗

裴向会

摘 要：反激式开关电源对比于其他类型电源具有结构简单、工作更为稳定可靠、控制性好等突出特點，这些特点是反激式开关电源实现多路输出隔离的小功率电源的显著优势，高集成智能芯片的产生和广泛使用，更是让反激式开关电源应用越来越多。然而，由于反激式开关电源只有在开关管断开期间才能把存储能量提供给负载，使得反激式开关电源的损耗相对较大、效率低于其他开关电源。本文通过探究不同模式下反激式开关电源的耗能情况，希望能够为提高反激式开关电源的能量效率提供一定帮助。

关键词：不同模式；反激式开关电源；损耗

经济的快速发展带动着技术的进步、人们生活要求的提高，加之高性能的功率开关管和高集成智能芯片的出现和使用，更小耗能、高效率的开关电源正在广泛被应用于各个领域[1]。针对反激式开关电源的优势，如何提高其反激式变换器的能量传输效率，降低能源在电路中的损耗，是反激式开关电源亟待解决的难题[4]。本文通过研究在DCM（断续模式）和CCM（连续模式）两种不同模式下反激变换器能耗情况及影响因素，分析不同模式下反激式开关电源耗能的差异，得出相应结论，对改进反激式开关电源的设计，提高其效率有一定的指导意义。

1、反激式变换器工作模式

反激式变换器DCM（断续模式）和CCM（连续模式）两种模式的原边电流波形梯形和三角形，DCM模式的电流波形如下图所示：

1.1 DCM模式

DCM模式下反激变换器主要波形中：T1为变换器开始工作时刻；Ts为变换器结束工作时刻；U为初级电压；I为初级电感电流；I1为次级电感电流[1]。

DCM模式下反激式变换器开关管的最大占空比受最小输入电压、反激电压、副边二极管导通电压的影响，其中U一般为85-265V，反激电压允许范围为90-150V。

导通工作时，变换器初级电压作用到次级，再经过次级二极管截止，最后二极管承受的最大电压为USmax=UINmax/n+UO [1]

1.2 CCM模式

CCM模式下反激变换器主要波形中：T1为变换器开始工作时刻；Ts为变换器结束工作时刻；U为初级电压；I为初级电感电流；I1为次级电感电流。

导通工作时，变换器初级电压作用到次级，再经过次级二极管的截止，二极管承受的最大电压为USmax=UINmax/n+UO ，同DCM模式一样。

2、反激变换器损耗情况

反激变换器的能源损耗和对电源效率的影响情况在不同的输入电压和负载情况下也是不同的[2]。本文研究分析采用的是TOP系列开关电源集成电路，研究条件是，220V交流电下反激变换器的在不同模式下的损耗情况。由于反激变换器的单侧电路中电流比较小，所以，可忽略部分电路的损耗情况，如EMI滤波电路、钳位电路、磁珠等，故功率器件、次级二极管、输出电容及高频变换器等损耗是反激式变换器的主要损耗部分，其中二极管损耗包括导通损耗、截止损耗和开关损耗，开关时间和反应时间可忽略不计，故截止损耗可以忽略[2]。

二极管因内部存在电阻，其损耗公式为：PF=UFIF（AV）+rDI2F（RMS）

高频变压器损耗分为磁芯损耗和线圈损耗两部分，其中磁芯损耗主要为交流磁化过程中的磁滞、涡流等，磁芯损耗公式为：Pfe=kfmBpnVe[2]

线圈损耗分为直流、交流两种损耗，再考虑到滤波电容有等效串联电阻 RESR，因此损耗公式为：Pc=Iac2·RESR

开关管损耗方面，整个导通占空比越大，输出端损耗就越小，开关管的占空比为0.45时，反激式开关电源的损耗最低，效率最高。

3、实验研究

3.1 两种不同模式下电源满载时反激变换器的损耗情况

在同等占空比、输入电压条件下，不同模式下反激变换器主要参数值和耗能情况见表1，通过表1中各项数据对比可以看出CCM模式下的电流峰值不论是初级还是次级都相对较小，CCM模式下梯形波峰值小于DCM模式下三角波峰值，可见在降低变换器损耗方面，CCM模式是更好的选择。但仍然存在的问题是，CCM模式二次侧高频变换器和二极管的损耗比DCM模式大、磁芯截面积和高频变换器体积也大[3]。

DCM和CCM模式下电源模块满载时损耗情况详见下表：

3.2 不同负载对反激变换器的影响

结合耗能结果进行分析，实验和分析结果基本一致：满载时，反激变换器效率低；轻载时，反激变换器损耗情况严重，效率较低；半载时，负载电流情况合适，反激变换器功率损耗也相对较小；负载刚刚过半，达到0.6占比时，反激变换器效率较高，甚至可达到90%[3]。

3.3 CCM模式下的电源空载情况

设空载时测得的输出电压均值V1，V为额定输出电压，电压精度计算公式为：γ=|V1-V|/V×100%[3]

实验额定输出电压V为220V，当输出电压纹波为100mV时，电压精度为0.81%。当输出电压纹波为150mV时，电压精度为1.21%。电压精度均小于3%，输出；稳定。

结束语：

反激式开关电源结构简单、工作性能稳定可靠而且控制性能好，是多路输出隔离的小功率电源的主要实现途径，应用普遍。然而，近年来其耗能情况备受关注，本文通过对DCM（断续模式）和CCM（连续模式）两种不同模式下反激式开关电源的耗能情况进行实验和分析，耗能情况合理。针对反激式开关电源的耗能结果和分析情况，希望能够为有关反激式开关电源的更优质设计提供帮助，促进低耗能、高效率的反激式开关电源的设计和生产，更好地服务于社会生产和人们生活。

参考文献：

[1]陈永真，孟丽囡.高效率开关电源设计与制作[M].北京：中国电力出版社，2008.

[2]陈永真.开关电源进入高效率功率变换时代[N].中国电子报，2004.

[3] 张维. 单端反激式开关电源研究与设计[D]. 西安： 西安电子科技大学， 2011.

[4] 杨立杰. 多路输出单端反激式开关电源设计[J]. 现代电子技术， 2007， 3（6）： 23-26.