反激式开关电源工作原理
- 开关导通阶段：因变压器同名端的极性关系，次级二极管处于反向截止状态，此时变压器初级绕组的电感会储存能量。
- 开关关断阶段：次级二极管转为正向导通，变压器初级之前储存的能量被释放，一部分给电容充电，另一部分向负载提供能量。
反激式开关电源的DCM工作模式
模式定义
DCM（Discontinuous Conduction Mode）模式又称完全能量转换模式（非连续模式），其核心特征为：磁芯中储存的能量会被完全释放（对应图三的 i_{\text{p}} 波形），且在次级整流二极管电流过零之后（对应图三的 i_{\text{s}} 波形），初级开关管才会导通。
关联波形说明
- 图二：DCM模式下开关管漏源极电压（ V_{\text{DS}} ）波形，可体现该模式下电压的波动特性。
- 图三：DCM模式下的电流波形，包含初级绕组电流（ i_{\text{p}} ）与次级绕组电流（ i_{\text{s}} ），直观呈现了能量完全释放的过程。
模式优缺点
优点
- 次级整流二极管不存在反向恢复问题；
- 电源环路的稳定性更易控制。
缺点
- 初级绕组的峰值电流、电流有效值较大，导致铜损及MOS管导通损耗增加；
- 绕组能量完全释放后，开关管漏极会出现由MOS结电容与原边电感漏感引发的正弦波震荡；
- 传统固定频率的反激变换器中，开关管再次开通时可能处于震荡电压的任意位置（含顶峰），易增大开通损耗。
反激式开关电源的CCM工作模式
模式定义
CCM（Continuous Conduction Mode）模式又称不完全能量转换模式（连续模式），核心特征为：磁芯中储存的能量未被完全释放（对应图五的 I_{\text{p}} 波形），且在次级整流二极管电流未完全过零的状态下（对应图五的 I_{\text{s}} 波形），初级开关管即导通。
关联波形说明
- 图四：CCM 模式下开关管漏源极电压（ V_{\text{DS}} ）波形，可体现该模式下的电压变化特性；
- 图五：CCM 模式下的电流波形，包含初级绕组电流（ I_{\text{p}} ）与次级绕组电流（ I_{\text{s}} ），直观呈现能量未完全释放的过程。
模式优缺点
优点
同等功率条件下，因磁芯能量未完全释放，初级电感电流未降为零，峰值电流及电流有效值小于 DCM 模式，对应铜损与 MOS 管导通损耗更低。
缺点
- 次级整流管电流未降至零，存在反向恢复时间带来的损耗；
- 负载从空载到满载变化时，会经历 DCM→CRM→CCM 三个阶段，DCM 向 CCM 过渡时传递函数变化，易引发震荡；
- 占空比较大时易产生次谐波震荡，通常需增加斜率补偿，反馈设计复杂度较高；
- 开关管开通损耗严重（MOS 管常处于最高电压状态下开通）。
反激式开关电源的QR工作模式
模式定义
QR（反激准谐振）模式属于 DCM（完全能量转换模式）的一种，核心特征为：磁芯能量完全释放后，变压器初级电感与 MOS 管结电容发生谐振，待 MOS 结电容放电至电压最低值时，初级开关管导通。
关联波形说明
- 图六：QR 模式重载状态下的 V_{\text{DS}} 电压波形；
- 图七：QR 模式轻载状态下的 (V_{\text{DS}} 电压波形；两类波形均体现了开关管在震荡电压谷底导通的特性。
核心特点与优化
QR 模式继承了 DCM 的大部分优缺点，其核心优化点为 “谷底检测功能”：通过使开关管在震荡电压谷底导通，实现零电压/低电压开通，进而减少开关损耗、降低 EMI 噪声。
实现方式
借助磁通复位检测功能（通常通过辅助绕组实现），配合控制 IC 的动作逻辑，确保开关管在震荡电压达到最低点时导通。
不足
QR 模式的工作频率呈动态变化特性，会对其他电路参数的确定造成影响。
QR反激式开关电源的参数确定流程
一、确定QR的主要参数
| 参数项 | 说明与取值 |
|---|---|
| 输入电压范围 | 最低 V_{\text{acmin}} 、最高 V_{\text{acmax}} ；一般分低输入（85~135VAC）、高输入（176~265VAC）、全电压（85~265VAC） |
| 输入频率 f_{\text{ac}} | 交流频率，通常为50Hz或60Hz |
| 输出电压 V_{\text{out}} | 电源输出目标电压 |
| 输出电流 I_{\text{out}} | 电源输出目标电流 |
| 整机效率 \eta | 一般取80% |
| 最低开关频率 f_{\text{sw}} | 频率动态变化，设计取最低输入电压、最大输入功率下的最小频率，通常25kHz~100kHz |
| 最大输入功率 P_{\text{in}} | 公式：P_{\text{in}} = \frac{V_{\text{out}} \times I_{\text{out}}}{\eta} |
二、确定直流输入电压
交流电压经全波整流+滤波电容后得到直流高压，核心公式与参数：
- 电容充电占空比： D_{\text{ch}} \approx 0.33
- 最低直流输入电压：
V_{\text{busmin}} = \sqrt{2V_{\text{acmin}}^2 - \frac{P_{\text{in}} \times (1-D_{\text{ch}})}{C_{\text{BUS}} \times f_{\text{ac}}}} - 最高直流输入电压：
V_{\text{busmax}} = \sqrt{2} \times V_{\text{acmax}} - 输入电容 C_{\text{BUS}} 选择（单位： \mu\text{F/W} ）：
| AC输入电压范围 | C_{\text{BUS}} 取值 |
|---|---|
| 85~135VAC | 2 |
| 176~265VAC | 1 |
| 85~265VAC | 2~3 |
三、确定反射电压 V_{\text{RO}}
反射电压是实现QR模式零电压导通的关键参数，核心逻辑：
- MOS管额定电压 V_{\text{DS}} 的组成：
V_{\text{DS}} = V_{\text{busmax}} + V_{\text{clamp}} + \text{杂散电感电压} + \text{开关管电压余量}- V_{\text{clamp}} （钳位电压）：取 1.4V_{\text{RO}} 时吸收电路损耗最小
- 杂散电感电压：一般取10~20V
- 开关管电压余量：取 V_{\text{DS}} 的10%~20%
- V_{\text{RO}} 的计算公式：
V_{\text{RO}} = \frac{[(80\% \sim 90\%)V_{\text{DS}} - V_{\text{busmax}} - (10 \sim 20)]}{1.4}
四、确定最大导通时间 T_{\text{ON}}
开关周期 T = T_{\text{ON}} + T_{\text{OFF}} + T_{\text{W}} （ T_{\text{OFF}} 为去磁时间， T_{\text{W}} 为震荡时间），核心公式：
- 震荡时间 T_{\text{W}} ：
T_{\text{W}} = \pi \sqrt{L_{\text{P}} \times C_{\text{P}}}
（ L_{\text{P}} 为原边电感量， C_{\text{P}} 为MOS管漏极电容；设计时一般取 T_{\text{W}} \approx 5\%T ） - 最大导通时间：
T_{\text{ON}} = \frac{V_{\text{RO}} \times (0.95 \times T)}{V_{\text{busmin}} + V_{\text{RO}}}
五、确定初级电感量 L_{\text{P}}
- 最大占空比： D_{\text{max}} = \frac{T_{\text{ON}}}{T}
- 初级峰值电流：
I_{\text{ppk}} = \frac{P_{\text{in}} \times 2}{D_{\text{max}} \times V_{\text{busmin}}} - 初级电感量：
L_{\text{P}} = \frac{V_{\text{busmin}} \times T_{\text{ON}}}{I_{\text{ppk}}}
六、确定合适的变压器（AP法）
通过AP值选择磁芯，公式：
- 参数说明：
- A_{\text{e}} ：磁芯横截面积（计算AP后匹配磁芯得到）
- \Delta B ：磁感应强度变化量，一般<0.3T
- 450：电流密度（单位：A/平方厘米）
- K_{\text{O}} ：窗口利用率，一般取0.2~0.4
七、确定变压器初次级匝数
- 初级匝数：
N_{\text{P}} = \frac{L_{\text{P}} \times I_{\text{ppk}}}{\Delta B \times A_{\text{e}}}
（ L_{\text{P}} 单位为 \mu\text{H} ， A_{\text{e}} 单位为 \text{mm}^2 ） - 次级匝数：
N_{\text{S}} = \frac{(V_{\text{out}} + V_{\text{f}}) \times N_{\text{P}}}{V_{\text{RO}}}
（ V_{\text{f}} 为整流管压降，一般取0.5~1V）
八、确定变压器的气隙 L_{\text{g}}
公式：
- 参数说明：
- \mu_{0} ：真空磁导率，取 4\pi \times 10^{-7}\ \text{H/m}
- A_{\text{e}} ：磁芯横截面积（单位： \text{m}^2 ）
- L_{\text{P}} ：原边电感量（单位：H）
九、确定初次级线圈线径
- 初级参数：
- 初级电流有效值：I_{\text{Prms}} = I_{\text{ppk}} \times \sqrt{\frac{D_{\text{max}}}{3}}
- 初级线径：D_{\text{P}} = 1.13 \times \sqrt{\frac{I_{\text{Prms}}}{J}}
- 次级参数：
- 去磁占空比： D_{\text{off}} = \frac{T_{\text{OFF}}}{T} （ T_{\text{OFF}} = T - T_{\text{ON}} - T_{\text{W}} ）
- 次级峰值电流：I_{\text{Spk}} = \frac{2 \times I_{\text{out}}}{D_{\text{off}}}
- 次级电流有效值：I_{\text{Srms}} = I_{\text{Spk}} \times \sqrt{\frac{D_{\text{off}}}{3}}
- 次级线径：D_{\text{S}} = 1.13 \times \sqrt{\frac{I_{\text{Srms}}}{J}}
- 电流密度 J ：一般取4~6A/mm²，次级圈数较少时可取10A/mm²
十、确定次级整流二极管
- 反向耐压：
V_{\text{rrrm}} = 1.25 \times (V_{\text{busmax}} \times N + V_{\text{out}})
（ N = \frac{N_{\text{S}}}{N_{\text{P}}} 为匝比，1.25为尖峰电压余量系数） - 正向电流：
I_{\text{F}} = (2 \sim 3) \times I_{\text{Srms}}
（2~3为降额使用系数）
十一、确定输出电容
输出电容需匹配耐压、容量及等效串联电阻（ESR），核心参数如下：
-
电容耐压 通常选取输出电压的 1.25 倍，公式： V_{\text{Cout}} = 1.25 \times V_{\text{out}}
-
电容容量 输出电压纹波一般控制为输出电压的 1%（即 \Delta V = 1\%V_{\text{out}} ），容量计算公式： C_{\text{out}} = \frac{(I_{\text{Spk}} - I_{\text{out}})^2 \times D_{\text{off}}}{2 \times \Delta V \times I_{\text{Spk}} \times f_{\text{sw}}} 式中：
- I_{\text{Spk}} ：次级峰值电流
- I_{\text{out}} ：输出电流
- D_{\text{off}} ：变压器去磁占空比
- f_{\text{sw}} ：开关频率
- 等效串联电阻（ESR） 用于控制纹波的关键参数，计算公式： \text{ESR} = \frac{\Delta V}{I_{\text{Spk}} - I_{\text{out}}}
十二、确定 RCD 吸收参数
RCD 吸收电路用于抑制 MOS 管漏源极电压尖峰，参数确定逻辑如下：
-
漏感 L_{\text{ik}} 的取值 一般取变压器初级感量的 1%~5%（若未实际测试，可先按此范围预估）。
-
钳位电阻R 计算公式： R = \frac{2 \times (V_{\text{clamp}} - V_{\text{RO}}) \times V_{\text{clamp}}}{L_{\text{ik}} \times I_{\text{ppk}}^2 \times f_{\text{sw}}}
电阻功率： P_{\text{R}} = \frac{V_{\text{clamp}}^2}{R} -
钳位电容C 电容电压波动值 \Delta V 取钳位电压 V_{\text{clamp}} 的 5%~10%，计算公式： C = \frac{V_{\text{clamp}}}{\Delta V \times R \times f_{\text{sw}}} 式中：
- V_{\text{clamp}} ：钳位电压（此前确定为 1.4V_{\text{RO}} ）
- V_{\text{RO}} ：反射电压
- I_{\text{ppk}} ：初级峰值电流
- f_{\text{sw}} ：最低开关频率