开关电源原理与设计(连载76)

从原理上来说，用图2-44的等效电路来等效开关变压器的工作原理还是有些过于简单，因为，在图2-44中，当电源开关管Q1突然关断瞬间，分布电感Ls没有放电回路，即负载电阻为无限大，根据（2-140）式，分布电感Ls两端产生的反电动势将非常大；但实际上，在分布电感 产生反电动势的时候，它是可以通过分布电感两端的分布电容产生并联振荡的，因此，我们可以把图2-44电路进一步改进成如图2-46所示电路。

在图2-46中，Cs1、Cs2都是分布电容，它们对于分布电感 来说，既可以产生串联振荡，又可以产生并联振荡。在电源开关管Q1导通瞬间，分布电感与分布电容主要是产生串联振荡，因为输入电压开始向串联振荡回路提供能量；在电源开关管Q1关断瞬间，分布电感与分布电容主要是产生并联振荡，因为分布电感Ls必须要通过并联回路释放能量。在实际应用中，分布电感Ls相对于励磁电感Lμ来说很小，因此，如果不考虑分布电感Ls 的作用，完全可以把Cs1、Cs2看成是一个分布电容。

由于在变压器线圈中，分布电容和分布电感是由非常多的电容和分布电感互相串、并联在一起组成，如要严格地用集中参数完全把它们等效是很难的。至于等效电路是采用串联还是并联，这主要看它在电路中所起的关键作用。例如，在电源开关管接通时，串联电容的作用是主要的；而在电源开关管关断时，并联电容的作用反而是主要的。

当电源开关管Q1关断瞬间，分布电感Ls产生反电动势将会在分布电感 、Cs1、Cs2组成的LC回路中产生并联振荡，并联振荡回路电容由Cs1和Cs2串联而成，Cs1和Cs2的大小以及比例关系，与变压器线圈的结构有关，线圈的层数越多，串联电容的容量就越大。

从图2-45-c以及（2-140）式还可以看出，分布电感Ls以及励磁电感Lμ产生的反电动势，其幅度一般都等于或大于输入电源电压的幅度（假设占空比等于0.5），即加到电源开关管D极的电压最高可达输入电压的两倍以上。这是因为电源开关管的关断时间一般都很短，而分布电感释放能量时等效负载电阻很大的缘故。因此，如果不对电源开关管采取保护措施，反电动势很容易就把电源开关管击穿。

根据（2-140）式，降低分布电感反电动势幅度的最有效方法是减小负载电阻RL的阻值。除此之外，还可以在谐振回路接入一个由电阻、电容并联，然后与整流二极管串联的反电动势限幅电路，来对分布电感以及励磁电感产生的反电动势进行限幅，如图2-47所示。

图2－47 对分布电感以及励磁电感产生的反电动势进行限幅

在图2-47中，当电容器C1充上一定的电荷之后，其作用就相当于一个稳压二极管，不过这个稳压二极管的稳定电压值是动态的，它会随着反电动势的幅度升高而升高，而整流二极管D1的作用就相当于一个限幅二极管。当反电动势的幅度高于电容器C1两端的电压时，整流二极管D1就导通，反电动势就会向电容器C1充电，使变压器初级线圈的分布电感存储的能量向电容器转移，从而起到降低反电动势幅度的作用，与此同时电阻R1也会吸收一部份能量，使反电动势的幅度进一步降低。

电容器C1在吸收反电动势能量的过程中，其两端电压也会提高，但它可以通过R1进行放电，使电容器两端的电压基本保持在一个合理的范围。即：电容器C1在吸收反电动势的能量是有条件的，只有反电动势的的幅度超过某个值之后，它才开始吸收。正确选择RC放电的时间常数，使电容器在下次充电时的剩余电压刚好略高于方波电压的幅度，而电容充满电的幅度又低于开关管的耐压幅度，此时电源的工作效率最高。

以上我们对开关变压器的工作原理做了的比较详细的分析，但对于要设计一个实际电路中使用开关变压器来说，上面这些这些知识还远远不够，因此，后面我们还会用很大的篇幅来对开关变压器参数设计加以说明。因为，在具体电路中各种开关变压器的技术要求或参数都是不一样的，更多的内容留待我们后面进行具体电路设计时再详细介绍。