【原创】菜鸟课堂3--flyback的分析和设计

菜鸟课堂更新第3集了.
本系列的目的,旨在帮助菜鸟快速入门.
欢迎菜鸟来看,热烈欢迎老鸟来拍砖.
唯共享,才能提高.
以后计划陆续推出 forward,boost,half birdge-llc的菜鸟入门分析.
争取 课堂3 每天都更新吧.
原创的意思是说,把我知道的东西,用我的话写出来.其实,里面没有一个理论是偶原创的(惭愧,惭愧).

^_^,废话先到这里,晚上回来更新第一章. 菜鸟们最早可能接触,也是可能接触最多的电路拓扑应该是flyback.至少我刚刚接触电源的时候,最先就是flyback.不会设计,连分析也不懂,唯一能做的是模仿(额,难听点就是抄袭了:( ).这样子的状态持续了一段时间后,才开始慢慢的有一些了解.为了让菜鸟能更快的上手,少走弯路,于是有了这一章.
为了分析flyback电路,我们从flyback的源头开始说吧.Flyback是从最基本的三种电路中的buck-boost演变而来的.所以对buck-boost的分析,一定有助于对flyback的分析,而且buck-boost看起来似乎要比flyback简单,至少它没有变压器吧.
为了证明我没有骗你,下面将要开始来对buck-boost进行演变,最终会演变成flyback. 图一

图一 是buck-boost的原型电路. 把电感L绕一个并联线圈出来,如图二:
图二

把L的2个并联线圈断开连接,并且改变圈数比,改为:1:n,如图三:
图三
把图三中的二极管沿着所在回路移动,变成阴极朝外的样子,并且,改变输出电压V和接地的位置如图四:

图四

把图四中的Q顺着回路移动到变压器下方,如图五:
图五

把图五的电路,重新整理一下成图六.^_^,这样子和你见到的flyback有点像了吧.
图六

以上说明,我们研究buck-boost的行为特性,对研究flyback的行为特性有很大的帮助. 在做分析之前,先来认识一下,我们做分析的2个强有力的武器:
1. 电感的伏秒平衡,说的是在一个周期里面,电感上的伏秒乘积的和总是为零的;
2. 电容的充放电平衡,说的是在一个周期里面,电容电流的充放电之和总是为零的.
^_^,这个体现了自然的和谐.只有和谐的电路才能工作嘛,要和谐,要和谐.
把buck-boost电路重画如下,并且设定其中的电压电流的正方向如图七所示:

把buck-boost电路重画如下,并且设定其中的电压电流的正方向如图七所示:
图七 1. 电路工作在连续状态(CCM),也就是说电感电流L是连续的,任何时候电感中总存在电流.(电路的另一种工作状态DCM将在以后的章节中分析)
2. 在一的假设下,电路工作就可以分成2个状态,状态1,Q开通,二极管D关断,这个状态时间长度为t1, ,Ts为周期,这个状态记为d,状态2,Q关断,二极管D开通,这个状态记为 ,d' ＝1-d.
3. 电感L中的电流 纹波和电容C上的电压纹波相对其直流分流来说都很小.一个好的设计,要求输出的电压纹波总是很小,所以,C的纹波小,总是成立的.
4. 所有的损耗都不讨论先.即,电路所有原件是理想的.
5. 电路工作在一个稳定的状态下.

做好了假设,马上就开始分析电路了.今天先到这里,周一继续. 不错 支持,不要沉哦 顶啊 ....顶住 第一个工作状态:mosfet Q开通,二极管D关断.如图八所示:
图八
列写状态方程:
(1)
(2)
因为有前面的假设,所以2可以简化为:
(3)
状态1的持续时间为 dTs.

第二个工作状态:Mosfet Q关断,二极管D开通.如图九所示:
图九

(4)
(5)
状态2持续时间为(1-d)Ts,记为d'Ts. 由于这是一个和谐的电路,所以有:
(6)
(7)
解等式 6 和 7 ,并利用 d+d' =1可得:
(8)
(9)
从等式 8 看到了在CCM模式下面buck-boost的直流增益,因为flyback是从buck-boost变来的,所以我们猜测flyback的直流增益应该和这个有些像(具体见后文推导).
从等式 9 看到了在CCM模式下面buck-boost的电感的平均电流就等于输出的电流除以d'.
接着马上研究一下mosfet和D所承受的电压. 在状态1,二极管D关断,所承受的反压为:
(10)
利用等式8的结果,则(10)可以写为: (11)
同理可在状态 2 计算Mosfet所承受的电压:(12)
等式 11 和等式 12 在告诉我们,占空比 d 越大,输出电压V的值越高,Mosfet和二极管D所承受的电压越高(好像是废话,输出电压越高,直观来说器件所承受的电压也越高嘛).等式 11 和等式 12,不仅仅验证了这个直观的想法,而且定量的给出了电压的大小,这个是有意义的事情. 下面研究一下这个电路中的电流吧.
电感的平均电流i等式9 已经给出,是和输出电流相关,那电感的纹波电流呢?
在状态1,电感电流的示意图如图十所示(在画图板里面画的图,难看一点了,能看明白就好了,将就用下吧):
图十
从图十中计算:
(13)
这个的大小是可以被设计的.而且,如果电路是理想无损耗的话,当输入电压和输出电压确定后,这个值是不随着输出电流变化的,它被电感所确定了!这个很重要,对后面的DCM状态的分析很重要.前面有假设相对i很小,那现在给出一个具体的值,比如 设计成i的5%. 在进行往下的计算和讨论之前,先插播一个很好很强大的秘籍,方便计算.仔细看哦,一般人我不都告诉的.
额,这个先作为明天的预告吧.明天继续说说这个很实用的计算RMS的方法. 今天出差回来太晚,今天不更新了.明天继续更新. 很好,很强大,听课中....
楼主,问你几个问题.
1.flyback空载输出正常的现象是恒定电压V0吗?
2.满载和轻载输出电压V01,V02一样吗?
3.Vin在85-265v AC变化时,输出电压V0正常情况下如何变化,范围多大?
谢谢 个人看法,权作讨论吧:
1. flyback空载时基本均处于DCM工作模式,而flyback模块满载时又大多设计成了CCM模式,这样电源经常穿越于两种工作模式之间,因此若不同负载下要获得稳定的输出电压,其反馈环设计稍有难度.但现在大部分PWM-IC均能提供电流控制,所以做到输出恒压是问题不大的.
2. 如1所述,轻载跟满载时大部分设计也已穿越了DCM和CCM两种模式,所以应该还是有一定的负载调整率.但如果反馈做得好,差别应该是不大的(<0.5%).
3. 一般低压大电流时输出电压及效率均会较高压小电流时要低,但变化范围也应能控制在1%以内.

拙见. 2.你的意思是说轻载和满载请况下输出电压为V0+-V0*0.5%?
我的现在有个现象是低载输出11.9v,输入电压变化影响不大,变化在0.01级,而满载输出电压11.6v,输入电压越低输出越低,最底11v.
Rsense调小没什么作用 没有电路图也没法说什么具体的.
试着先放宽下限流看看吧,如果没猜错,你板子的空,满载启动应该都有很大差异,甚至满载启动会比较困难吧? 说对了一半,是空载满载电压都不恒定,有0.6v变化,如我上面说的,但是满载启动还是不难
空载电压会跳动,从11.9慢慢降到5v,然后再到11v,应该是ic供电不足的问题吧,我正在重新打样变压器 空载这种情况,除了检查你的ic的供电,还请检查431的静态工作点,是否正常 你可以有意识的把flyback设计成只是连续或者只是断续的状态.一般来说,连续状态会比断续状态更难稳定. 上图八,q开通,D关段,应该是输出电容放电吧?? 哦,我看错,你的IC方向你假定的正方向,你的电流方向是-V/R,是放电,没错 有效值(RMS)的计算,按照公式是这么算:
(14)
在电源中,最常见的是梯形波(三角波是梯形波的一种特殊形式),每次都按 14 的方法计算RMS值是不是觉得很烦呢?有没有简单的方法啊?答案,有,下面就是一个很简单的计算诸如梯形波一类分段线性函数的有效值的方法.真的很简单,像梯形波这样子,一般用心算就可以得出来近似值了哦...
一个如图十一的波形,有效值可以这样子计算:
图十一
(14a)
其中D1,D2,D3,分别表示该段经历的时间占总时间的比例.
好,马上来利用一下我们的秘籍来计算通过Mosfet,二极管D和电感的RMS电流.这个事情很有意义. 已经假设为5%的i的大小,则通过Mosfet的RMS电流
(15)
有发现什么没有?这个值是不是非常接近于用电感电流的平均值i来计算的RMS值啊(说明在小纹波的情况下,用平均值来代替RMS值,是一个好办法.因为通常来说,平均值都比RMS值好计算^_^).
同理,流过二极管D的RMS电流可以表示为:
(16)
流过电感L的RMS电流可以表示为:
(17)
到这里,几乎所有的原件都计算了,除了C.下面就来计算C的一些东西.
C上的纹波电压.利用我们前面的假设,在d'时间段内,有:
(18)
所以有:
(19)
对C进行充放电的电流只是纹波电流,其直流成分都供给了负载,所以有:
(20)
其中 表示输出电流并且
好,到现在为止,你已经是一个CCM模式的buck-boost的初级设计师了. 下面开始我们的flyback的分析之旅.首先推出一个叫做简单变压器模型的东西,用这个东西可以简单的模拟变压器,就能对有变压器的电路开始做分析了.图十二,给出了这个简单的模型.
图十二
其中Lm代表着励磁电感,其它部分则是一个理想变压器.对一个设计良好的变压器来说,需要的励磁电流,总是占总电流的很小的一部分.这个简单的变压器模型忽略了诸如漏感,耦合电容,层间电容,电阻等参数.但是,这个模型做为开始的分析让然是一个好的选择.
下面就把这个简单的变压器的模型插入到我们的flyback的电路(图六)当中,并规定电压电流的正方向,如图十三所示.
图十三
假定这个flyback电路仍然工作在稳定的CCM状态. 写的好累,休息一下.
今天到这里...
最近在看一个美国电视剧'The Legend of the seeker'. 不知道有看这个的兄弟不? RMS是电感纹波吗?弱弱的问一句,算这个值有什么用? RMS是 有效值的简称. 不错,,,留个记号慢慢看.. 在状态1 mosfet Q开通,二极管D关断,电路如图十四所示.
图十四

应用我们最开始的假设,然后列写状态方程:
(21)
(22)
(23)
这个状态持续时间为dTs.Lm中的电流i在Vg的作用下,线性增加,斜率为.能量储存在Lm中. 在状态2 Mosfet Q关断,二极管D开通,电路如图十五所示.
图十五
在最开始的假设情况下,列写状态方程:
(24)
(25)
(26)
这个状态持续时间为 ,Lm中的电流i在二次侧折射电压的作用下,开始线性减少,斜率为.能量转移到输出. 在经过一个周期的折腾后,电感Lm电流回到周期开始的点,C上的电压回到周期开始的点.因为,这是一个工作在和谐状态下的电路.所以有:
(27)
(28)
输入电流ig的周期平均值为:
(29)
解等式 27 和等式 28 得:
(30)
(31)
对比等式 30 和等式 8 以及等式 31 和等式 9. 发现没有,是不是buck-boost和flyback的直流增益很像?也说明了,flyback是由buck-boost演变而来的.
下面研究Mosfet和二极管D所承受的电压. (32)
(33)
用等式(30)来做简化,则有:
(34)
(35)
电感纹波电流的算法,在等式 13 中已经给出.
同样假设设计为i的5%.则通过Mosfet的RMS电流油等式 15 给出.通过二极管D的RMS电流为:
(36)
输入的RMS电流等于Mosfet的RMS电流.
照前面的方法计算C的纹波电流的RMS值为:
(37)
纹波电压为:
(38)

到现在为止,好像CCM-flyback的draft(这里我实在找不到一个合适的词来形容,所以就只好用这个字了.希望都能明白这个字后面的意思)设计呼之欲出了啊.
到这里,如果正好你也看过了 菜鸟课堂1 的话,那恭喜你,你已经是初级的ccm-flyback设计师了.可以开始做自己的flyback了,虽然性能还很差,也许变压器还会饱和,可能还会响,但不管怎样,这是第一个哦.
今天最后附上一个礼物送给大家,CCM-flyback的参数计算表格. 明天出差,不更新,下次更新将开始DCM部分的分析
253371228393957.xls 继续继续,今天开始dcm模式的分析 工作在DCM情况下的flyback比在CCM下多了一个工作状态 3. 工作状态1 和工作状态2 与CCM的工作状态1 和2 相同,在工作状态3下,Mosfet Q 和二极管D都处于关断状态.三个工作状态分别如图十六,图十七, 图十八所示.经历时间分别为d1Ts,d2Ts,d3Ts.
图十六
图十七
图十八
分别对3个状态列写状态方程.
状态1有:
(39)
(40)
(41)
状态2 有:
(42)
(43)
(44)
状态3有:
(45)
(46)
(47) 一个好的设计,输出电压V的纹波比电压V小很多.忽略电压纹波,有:
(48)
从等式 48 中得到的V/Vg的表达式中含有d2,这个不是想要的形式.想办法把d2消去.
C里面只流过纹波电流,直流成分都输出给负载.所以通过二极管D电流的平均值就等于输出到负载上的电流.
(49)
二极管的平均电流也可以这样子计算(因为是三角波):
(50)
表示的是流过二极管的峰值电流.与ipk的的关系是:
(51)
ipk是可以计算的,表示为:
(52)
解 等式 48 到52 可得:
(53) 把Lm用Lsec来表示,则等式 53 可以写成(d1就是占空比d):
(54)
请牢牢记住的这种形式吧,会有很多地方用到的.
把 等式 54 带回到 等式 48中,则可得:
(55)
按照惯例,先计算下Mosfet Q和二极管D的最大电压.
(56)
(57)
流过Mosfet Q,二极管D和电容C的RMS电流表示为:
(58)
(59)
(60) 本节最后,同样附上DCM-flyback的参数计算表格
顺便留个家庭作业,有谁能说明一下表格里面判断电路工作在CCM和DCM的依据在哪儿?
253371228741970.xls 菜鸟课堂3 到这里结束了.敬请期待 菜鸟课堂 4..... 分析的很好啊！顶
電感電流波形有歸零 DCM
電感電流波形沒有歸零 CCM
是這樣判斷嗎

判断是否处于DCM工作，关键是看CCM情况下能否保证电感上的电流IL大于0(CCM情况下，实际电流值IL是其平均值Iavg+纹波电流)。由于在CCM情况下，输出电流Io决定了IL的平均值，如果Io变小，则Iavg也变小，直到出现IL<0的状态，从而导致二极管D的截止。在CCM的Toff期间，使IL的最小值等于0即得判断条件。

(IL)min=Iavg-△iL/2

=n*V/(R*d')-Vg*d*Ts/(2*Lm)

=n^2*d*Vg/(R*d'^2)-Vg*d*Ts/(2*Lm)

≥0

从而得到作者Excel文件中CCM的判断条件：2*Lm/(R*Ts)≥(d'/n)^2。不满足此条件时，即为DCM模式。

注：

1、推导中忽略晶体管和二极管的导通压降，忽略线圈损耗

2、△iL是指电感纹波电流的峰峰值，即文中所定义波纹的两倍

morning,您好，兄弟我想问下有没有matlab版本的根据需求参数计算过程，3q @i=VgdTs/2L来路 不明,请楼主明示 lol 由电感上 电压电流关系推导而得:
U＝L×di/dt
楼主图十中di取的一半. 收藏了 理论再加很多实际经验~
这一系列的贴子确实很有特点.
支持楼主工作之余坚持写下去!~ 顶起来,天天来看看. 存档 输出端好像是下负上正吧?这个是反极型转换器吧! 下正上负吧!!反极性转换器 请看第10贴 楼主,今天看了一下,
轻载时(输出2A)输出电压还可以比较稳定,怎么重载输出电压就不够了,我反馈暂时用11v稳压管稳压的,轻载输出11.7v,重载110v输出11.3v,230v输出10.2v,好像重载输出电压不够了.怎么回事? 额,输出重载的时候,反馈电流变小,通过光偶到一次侧的电流也变小.请检查IC的FB端处的电压,是否已经不能满足IC规格所要求的电压了啊?有没有过功率保护了啊(输出功率被限制了?)?
另,你测量的电压是在输出端,还是在哪儿呢?测量一下,你的11V稳压管上的电压.
你的输出是12V的么?还是多少??
反馈用431会比较好调节一点. FB电压还是可以的满足的,电压不稳定好象1.7-4V
我把Rsense换到很小还是电压不稳
Rsense换小之后高压满载变压器狂叫,有点害怕,是不是饱和了?
我测输出电压就是输出端的,输出线不长
是输出12v的
高压从Vds明显看出有停振情况,从G脉冲也能看出来,3个周期左右会有一个周期脉冲没了 你说的 停振 是什么意思? 难道振荡器都停止了么?
不过看起来好像就是回路的问题了.
方便把把电路图和测的一些波形贴上来看看不? 顺便再问下,占空比是到多少了啊?有没有斜率补偿之类的东东? 楼主辛苦了。。 先留下记号, 记号 待会再看 晚上回家再看 长知识的好东东一定要顶起来啊! 顶！好东西，适合我这个菜鸟看看！收获不少！收藏起来好好研究！！！！！！！！！！！！！！！楼主辛苦了，继续………………

楼主写得很好！

太棒了。。 我不太明白,反激变压器就是一个电感而已,根本不是变压器,还弄什么变压器模型,并上一个励磁电感Lm.这对新手来说是否是误导?
敢问仁兄，flyback的频率做到多少？ 自己真是要好好学习学习基本知识了啊

路过关注

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