单管正激拓扑与双管半桥拓扑的原理图区别

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单管正激拓扑与双管半桥拓扑的原理图区别

电源适配器厂家：玖琪为大家分享一种与双管半桥拓扑具有本质区别的电源适配器。其本质区别在于这种电源适配器的主回路为单管正激拓扑而非双管半桥拓扑。笔者已经介绍过正激的概念，接下来介绍单管的概念。所谓的单管，就是指开关管的数量只有1个。那么，所谓的单管正激电源适配器，就是一种在结构上只具有一个开关管的电源适配器，并且是在开关管导通时通过变压器从变压器的初级向次级（负载）输送电能的电源适配器。
换句话说，对于单管正激电源适配器而言，它的开关管、变压器的初级绕组和变压器的次级绕组是同时导通的（这才是正激的本质含义）；当开关管截止时，变压器的初级绕组和变压器的次级绕组也是同时截止的（这也是正激的本质含义）。对于变压器的初级绕组而言，其导通与截止与否是与开关管的导通与截止相关联的，实际上是受开关管的控制。当开关管导通时，初级绕组导通，电能输入到变压器中；当开关管截止时，初级绕组截止，变压器中能量的增减变化与初级绕组无关。对于变压器的次级绕组而言，其导通与截止时与次级绕组所接的整流二极管的导通与截止相关联，实际与整流二极管的PN结方向有关。当变压器通过初级绕组获得能量后，如果整流二极管可以正偏导通，我们就说次级绕组是导通的，此时变压器的能量会从次级绕组通过整流二极管输出至负载。如果整流二极管反偏截止，我们就说次级绕组是截止的，变压器中能量的增减变化与次级绕组无关。
我们首先观察一下图1-2“电源适配器的4种结构”中的（b）单管正激拓扑。并与图1-2（c）半桥拓扑进行初步比较，总结一下二者的区别。开关管的数量区别就不再重复强调了。两种拓扑最核心的区别在变压器的绕组种类上（注意，不仅仅是数量）。通过观察变压器绕组的同名端标记（黑色圆点）不难发现，无论是单管正激拓扑还是双管半桥拓扑，都是正激拓扑。但是，单管正激拓扑的变压器多了一个与能量传递（指从电源到负载）似乎无关的绕组（该绕组的一端接电源的正极，另一端经VD3接电源的负极）。
为什么说这个绕组与能量传递似乎无关呢？笔者将结合同名端/异名端的知识，分析一下这个绕组所涉及的能量储存及释放过程。
在单管正激拓扑中，当开关管（S）打开时，实际上是对磁芯（T）左侧的第1个电感充电。根据电磁感应定律，会在此电感中产生一个上正下负的感应电动势。同理，也会在磁芯（T）右侧的电感上产生一个上正下负的互感电动势。我们将注意力投向磁芯（T）左侧的第2个电感。根据这3个电感所标记的同名端/异名端判定一下此刻该电感的互感情况。我们可以得出该电感的互感电动势应该是下正上负。VIN甚至还会与这个互感电动势叠加之后加到了VD3的负极，VD3的正极直通VIN电源的负极。总之，二极管VD3的负极电压高而正极电压小，VD3是反偏截止的。如图所示。

VD3所连的电感在能量从电源到变压器的传递过程中是截止的。这意味着在开关管导通时，这个电感的确与能量从电源到负载的传递过程无关。
再来分析一下开关管（S）截止时的情况。当开关管（S）截止时，3个绕组的感应电动势都将反相。此时，磁芯（T）左侧的第2个电感上的互感电动势将变成上正下负，如图4-18所示。

图　单管正激励磁结束时的感应电动势方向

既然开关管（S）处于截止状态，那么与开关管（S）相连的这个电感此时对变压器中能量的增减就没有了任何的影响，我们可以把它从整个电源适配器中暂时忽略。我们再看磁芯（T）右侧的电感，此时VD1、VD2都是反偏截止的，变压器中的能量是无法通过VD1、VD2输出到电感（L）中的。换句话说，磁芯（T）右侧的电感此时对变压器中能量的增减也没有任何影响，我们也可以把它从整个电源适配器中暂时忽略。当我们忽略这两个电感之后，会发现单管正激拓扑电源适配器变成了图所示的样子。

这是一个很有意思的电路。它的左边是一个电源（上正下负），右边是一个等价于充电电池的电感电源（上正下负）和二极管（VD3）。问题来了，当我们把两个电源的正极连在一起，把两个电源的负极通过一个二极管也连接在一起后，究竟谁是负载谁是电源呢？之所以提出这个问题，是因为在电路中通常只有一个明确的电源，但我们现在突然遇到了一个具有两个电源的电路。
我们还可以从电路回路中流过的电流方向来换个角度分析这个电路。即当开关管截止时，这个电路回路中究竟是流过顺时针方向的电流还是流过逆时针方向的电流呢？只要把这个问题搞清楚了，我们就能够判定这两个电源究竟谁是真正的负载和真正的电源了。VD3的PN结方向决定了这个电路回路中只能流过逆时针方向的电流。这意味着当开关管截止时，磁芯（T）左侧的第2个电感将对VIN电源充电。也就是说，VIN电源在此刻名不副实，它反而成了负载。
很多电源工程师对VIN电源能量传输方向上的认识具有片面性。实际上VIN电源除了向变压器输出能量外，变压器中储存的能量也是可以输出到VIN电源（如310V）中的。在电源适配器中，有两个典型的从变压器向VIN电源输出能量的例子，一个是开关管的尖峰吸收回路，一个是电源适配器对电网的噪声干扰。我们先分析一下开关管的尖峰吸收回路，它实际上就是将变压器初级绕组上的关断尖峰电压回馈至VIN电源的过程，能量传递的方向是从变压器向310V。我们再分析一下电源适配器对电网的噪声干扰。EMI存在的理由之一，就是为了避免以噪声这种形式存在的能量从电源适配器回馈至VIN电源（这里指全桥整流器之前的交流市电220V）。

总之，不管这个回路中到底是VIN电源对磁芯（T）左侧的第2个电感充电，还是磁芯（T）左侧的第2个电感对VIN电源充电，电能都没有输出到变压器的次级负载一侧。可见，在单管正激拓扑电源适配器中，磁芯（T）左侧的第2个电感的确是一个与能量传递（指从电源到负载）无关的绕组。那么，这个电感的存在意义何在呢？我们还是要从能量传递的方向来分析。
经过上面的分析，我们已经明确了磁芯（T）左侧的第2个电感是一个与给负载提供能量无关的变压器绕组。它的具体功能是在开关管截止时将储存在变压器中的能量回馈到电源中。这是一个值得思考的问题。电源适配器的根本作用就是将能量从电源输送到变压器，进而通过变压器输送到次级负载的过程。通过电感将本已经输送到变压器中的电能重新回馈到电源中的这个过程，似乎与电源适配器的根本作用是相悖的。这就等于是你先把一碗米饭给了一个饥饿的乞丐，但是还没等他吃完，你就把碗拿走了。特别值得深思的是，磁芯（T）左侧的第2个电感的唯一作用就是在每个开关管的截止周期就“把碗拿走”，客观上起到一个减少变压器储存能量的作用（尽管这个能量并没有浪费）。这究竟是为什么呢？
要深入地理解这个问题，需要具有磁滞回线的知识基础，这超出了维修人员的需要。我们不妨从能量分配的角度去理解这个问题。那就是对于单管正激拓扑的电源适配器而言，电源的设计者希望在每个开关周期的开始时刻的变压器都处于一种尽可能没有储存能量的状态。也就是说，即使在上一个开关周期中变压器已经储存了能量，也应在开关周期中的开关管截止时段把变压器中储存的剩余能量（在开关管导通期间，负载会消耗一部分）泄放出去，这就是所谓的磁复位。
这已经不是我们第一次接触磁复位的概念了。我们在ATX3.3V磁放大稳压电路中已经接触过这个概念。对于变压器而言，磁复位是指变压器中已经储存的能量被泄放出去，又回复到了之前未被充能的状态。
我们可以大胆推测，对于单管正激拓扑而言，如果没有磁芯（T）左侧的第2个电感在每个开关周期结束时刻令变压器完成磁复位，单管正激拓扑电源适配器中的变压器就不能正常工作。对于变压器的正常工作而言，其必要条件似乎只有变压器不能饱和这个根本原则。因此，我们几乎可以肯定磁芯（T）左侧的第2个电感在每个开关周期结束时刻令变压器完成磁复位的必要过程，事实上就是为了避免变压器因为某些我们暂时还不知道的原因而发生过饱和。
综上所述，笔者把磁芯（T）左侧的第2个电感命名为单管正激拓扑中的开关变压器的磁复位电感，把VD3命名为磁复位二极管。
单管正激拓扑和双管半桥拓扑在次级一侧还有一个区别，尽管它们在次级一侧都具有两个二极管。对于双管半桥拓扑而言，它的两个二极管都是整流二极管。对于单管正激拓扑而言，只有一个二极管是整流二极管，另一个二极管是续流二极管。这给了我们区分单管正激拓扑电源适配器次级使用的两个二极管属性（指整流和续流）的观察依据。与电源适配器的低压侧输出地用布线物理连通的二极管（正极）才是续流二极管。
通过观察单管正激拓扑原理图不难发现，这是一个只有一路输出的电源适配器。但是，真实的ATX却具有ATX3.3V、ATX5V、ATX12V这三路正电压。这说明真实的ATX主变压器的次级一侧应有不止一个输出绕组。我们将单管正激拓扑原理图充实如图所示。

当单管正激拓扑的主变压器具有不止一个次级输出绕组时，其次级绕组就具有了主辅之分。所谓的主输出绕组，是指该电源适配器的全部输出（指＋VOUT1、＋VOUT2）的稳压过程都是依赖于主输出绕组的输出（指＋VOUT1）进行的。换句话说，电源适配器的次级稳压（反馈）电路只针对主输出的＋VOUT1进行稳压采样，采样的结果将直接影响＋VOUT1的实际输出电压大小。而＋VOUT2的实际输出大小则会被动地根据＋VOUT1的实际输出电压大小的变化而变化。通俗地说，在单管正激拓扑电源适配器中，只有主输出的电压是能够精确控制的，而辅输出的电压则会随主输出的负载变化在某个范围内变化。这显然不是电源的设计者所期望的，我们所期望的是所有输出电压（甚至电流）均可精确控制（不论负载大小）的电源。如何解决这个问题呢？常识告诉我们，这很可能会涉及某些其他的变电技术及电路。
最后，介绍一下单管正激拓扑与单端反激拓扑的共同点。

通过对电源适配器辅助电源的学习，电源工程师应已经比较了解单端反激拓扑的电路结构了。在单端反激拓扑中，开关管的S极会经一个小阻值大功率的检流电阻对地。单管正激拓扑与单端反激电源有一个重要的相同点，即单管正激拓扑的开关管的S极也是会经一个小阻值大功率的检流电阻后对地的。这个电阻的功率较大，因此体积也较大。在观察实物时应特别注意。

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| 发布时间：2019.06.04 来源：电源适配器厂家

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