反激式變換器是用于醫療設備和筆記本電腦等應用的多功能電力電子器件。這種變換器也稱為隔離式升降壓變換器，其電路簡單，可以調節系統的輸出電壓(VOUT)，同時最大限度地減少電磁干擾 (EMI)。

本文將介紹反激式變換器及其拓撲、有用參數和操作，還將討論 MPS 的 AC/DC 反激式控制器（MPX2002 11和MPX2003 7），它們同時具備原邊調節 (PSR) 和副邊調節 (SSR)的能力。

反激式變換器的參數和拓撲

在反激式變換器中，電感被分割以形成耦合電感，它也被稱為反激式變壓器。耦合電感將變換器的輸入與其輸出隔離。圖 1 為反激式變換器的示意圖，其組成如下：

VIN：輸入電壓，即電路的電源。

CIN和COUT：分別為輸入和輸出電容。電容用于存儲和釋放到穩壓器VIN和輸出電壓(VOUT)的電荷。

Control：來自IC 控制器的信號，用于導通原邊MOSFET。它允許電流流過LP，并傳輸至輸出。

LP和LS：分別為原邊和副邊電感。耦合電感存儲并釋放能量，并根據各自繞組中的匝數確定VOUT。

D：二極管，通過將交流電(AC) 轉換為直流電(DC)對VOUT進行整流，使電流只能沿一個方向流動。

RL：用于模擬反激式變換器功耗的負載。

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圖1: 反激式變換器拓撲

反激式變換器注意事項

選擇反激式變換器時，需要考慮一些重要的因素，其中包括確定一些基本參數，例如VIN、VOUT、LP和LS。下面列出了另外一些注意事項：

變壓器匝數比NP:NS（NP為原邊繞組匝數，NS為副邊繞組匝數）直接影響VOUT。如果 NS增加，則 VOUT按比例增大；如果NS減小，VOUT也成比例減小。NP 與VOUT的關系則成反比，NP增加，VOUT 按比例減少；反之亦然。

占空比是導通時間與總開關周期的比率(tON / τSW)。占空比根據 VOUT和變壓器匝數比確定 VIN；占空比越高，VOUT越高。

保護機制和隔離能力對于反激式變換器滿足 UL 1577 和 IEC 62368 等安全標準至關重要。可針對 EMI 性能來優化保護功能，以確保設備不會在次優條件下運行。

反激式變換器操作

反激式變換器工作的本質是存儲和傳輸能量。其工作周期包括導通時間(tON)和關斷時間(tOFF)，它們由 MOSFET 的開關狀態來控制（見圖 2）。tON期間，MOSFET處于導通狀態，電流從輸入端流經LP，為耦合電感充電；tOFF期間，MOSFET 處于關斷狀態，耦合電感通過二極管消磁，然后該電流為 COUT充電并為負載供電。這個過程可以簡化為以下幾個步驟：

1. tON開始。當 MOSFET 導通時，電流流過LP，能量存儲在變壓器的磁場中。
2. tON結束。
3. tOFF開始。當 MOSFET 關斷時，存儲的能量通過副邊二極管/MOSFET 傳輸到輸出，對COUT充電并提高VOUT。
4. tOFF結束。

圖2:tON和tOFF

這個周期不斷循環，從而實現VOUT的調節。 盡管反激式變換器都遵循上述整體流程工作，但仍然可以選擇一些其他流程和模式來提升效率。

連續導通模式 (CCM) 和斷續導通模式 (DCM)

反激式變換器可以在連續導通模式 (CCM) 或斷續導通模式 (DCM) 下運行。

在 CCM 模式下，MOSFET 在電感完全放電之前從 tOFF切換到tON，從而防止電感電流(IL)降至零。在 DCM 模式下，能量則被完全釋放，這意味著有一段時間IL為零；當 IL為零時，二極管和 MOSFET 均處于關斷狀態。

由于 CCM 具有恒定電流，因此建議在負載變化的應用中采用此模式，因為它可以提供更穩定的 VOUT。對于中等或重載應用，CCM 也通常更加有利。

但對輕載而言，則建議采用DCM模式。在 DCM 模式下，輕載瞬態響應更快；而且，如果副邊二極管/MOSFET 在tOFF期間具有零電流開關 (ZCS)，DCM的效率也更高。ZCS在電流一達到零時就立即關斷開關器件，可降低開關器件的功耗。

表 1 對這兩種模式進行了簡要的比較。

表1: CCM 和 DCM

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原邊調節 (PSR) 和副邊調節 (SSR)

反激式變換器面臨的最大難點之一是保持輸入與輸出之間的隔離，這種隔離將變換器分為原邊和副邊。

有了原邊調節 (PSR)，變換器可以用很少的組件來調節輸出。輔助繞組與輸入電壓共享相同的接地參考，因此無需外部光耦合器（見圖 3）。而輔助變壓器與VOUT相關，因此可以利用變壓器的匝數比來控制系統。

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圖3: 原邊調節

建議將 PSR 用于高壓應用，因為它可以降低隔離電壓要求，從而降低總成本。不過，PSR 在IL最低時對電壓進行采樣，因此不能提供持續的監控，這也意味著調節時間較長。

副邊調節（SSR）能夠提供更精確的調節。在 SSR 中，VOUT被直接采樣，并通過光耦合器，在不破壞隔離屏障的情況下將該信號發送到變換器（見圖 4）。SSR 還允許設計人員利用其他方法來進一步優化調節，例如使用升級繞組或加權反饋。

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圖4: 副邊調節

但是，SSR 需要額外的外部元件。這會增加解決方案的尺寸和成本，并且還會降低系統的可靠性，因為更多的組件意味著更多的故障可能性。

表 2 對PSR 和 SSR 進行了簡要的比較。

表2: PSR 和 SSR

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同步整流(SR)

同步整流器 (SR) 可代替二極管。由于同步整流采用有源控制開關，例如功率 MOSFET；而MOSFET 具有較低的導通電阻(RDS(ON))，因此壓降比二極管更小。所以，采用同步整流可降低功耗并提高效率。

同步整流使用比較器來采樣電壓并在特定時間打開晶體管，以允許電流沿正確的方向流動。盡管增加外部組件會使系統變得更加復雜，但它提高了效率；而且，由于功耗較低，還可使PCB具有較低的整體溫度。

MPS的反激式控制器

反激式變換器是模塊化電源，它由反激式控制器和用于實現所需功能配置的所有電源開關和變壓器組成。

反激式控制器是用于控制電源的IC。它由放置在單個芯片中的微電子電路設計而成，芯片封裝在典型的塑料封裝內（例如 SOIC-8、SOICW-16 和 TSOICW16-15）。反激式控制器具有多項功能，例如所有的控制電路、電壓和電流調節器以及用于導通和關斷功率半導體的驅動器。

MPX2002 11是MPS提供的一款一體化反激式控制器，它采用 SOIC-W16 或 TSOICW16-15 封裝，并集成了原邊驅動電路、副邊控制器、SR 驅動器和符合安全標準的反饋電路（見圖 5）。

MPX2002 11兼具 PSR 和 SSR 的優點。它具有可匹配原邊 MOSFET 信號的 SR，并具有集成 SR 控制器來調節 SR MOSFET ，具備高度靈活性。

圖5: MPX2002

MPX2002 11在重載條件下以 CCM 模式運行，但在負載降低時會切換至準諧振 (QR) 模式。根據負載的變化切換工作模式讓MPX2002 可以在寬負載范圍內保持高效率。

MPX2002 11 還同時為原邊和副邊提供超強的保護功能。原邊保護功能包括：

短路保護(SCP)：SCP 可保護MPX2002 免受過流(OC) 情況的影響。它是一種防浪涌方法，在第一次觸發后器件不會關閉；但在 8 個開關周期內如果 SCP 被觸發兩次，則原邊停止切換；一旦觸發條件消除，則恢復正常工作。

CS 短路保護（SSP）：如果 CS 引腳電壓在設定時間內未達到設定值，則啟動 SSP 以防止原邊電流過載。該保護僅在前幾個開關周期內起作用。

過壓保護(OVP)：IC 可以啟動OVP以防止組件因OV 條件的應力而損壞。

欠壓保護(BOP)：觸發BOP 可確保器件不會因VIN不足而出現斷電情況。

原邊過溫保護(POTP)：原邊的POTP可防止器件因過熱而損壞。當原邊結溫超過 POTP 閾值（約 150°C）時，切換即停止，直到結溫下降約 40°C。

原邊過流保護(POCP)：器件啟動期間，原邊會對副邊進行監控。如果原邊未在 OCP 時間(tOCP)內啟動，則判斷為故障情況。在此故障條件下，POCP 標志被設置，并且原邊運行于保護模式下。

原邊外部保護(PEP)：MPX2002 具有通用保護引腳(PEP)。MPX2002 每 100μs 到 200μs 監控一次 PEP 上的電壓。如果 PEP 引腳電壓低于設定的保護閾值 0.5 V，則PEP 標志被拉高。該引腳可用于指示外部組件的 OTP，也可用于 OVP（見圖 6）。

圖6: 原邊外部保護

副邊保護功能包括：

副邊欠壓鎖定(SUVLO)保護：為了防止副邊在電壓不足的情況下工作，副邊在電源電壓(VDD) 超過其上升閾值之前不會工作。一旦 VDD 降至下降閾值以下，副邊即關閉。

副邊過載保護(SOLP)：MPX2002 的IS 引腳通過電流采樣電阻對輸出電流進行采樣。如果 IS 電壓超過過載閾值且時間超過延遲時間，則觸發 SOLP ，器件停止開關。

副邊OVP (SOVP)：副邊也具有OVP 功能以保護MPX2002 免受過壓影響。

FB 開環保護(FBOLP)：如果發生故障情況，MPX2002 可能會丟失其反饋環路，VOUT 也可能失控。為保護電路，MPX2002 會檢查VOUT和 FB 引腳電壓。一旦FB 引腳電壓低于其閾值一段設定的時間，則副邊啟動 FBOLP 以保護器件。

SR 柵極開路/短路保護（SGOP/SGSP）：SR 驅動器具有SGOP，可在SR 無法成功導通時保護電路免遭損壞。直到原邊再次啟動后，副邊才會啟動。

SRD 異常保護（SRDP）：如果副邊啟動并且有連續7 個原邊開關脈沖，但 SR 柵極沒有達到 SRD 引腳設定的閾值，則直到原邊或副邊觸發欠壓鎖定 (UVLO)保護，副邊才會恢復。

副邊過溫保護 (SOTP)：與 POTP 類似，SOTP 也有相應的保護閾值，它設置 SOTP 標志，直到副邊結溫降至遲滯閾值以下。

MPX2003 7是另一款一體化反激式控制器，它可以采用 CCM、DCM 和 QR 模式工作。該器件集成了控制器、副邊 SR 以及采樣和驅動電路，并100%通過生產 HIPOT 合規性測試。與 MPX2002 11 一樣，MPX2003 7 也采用 SOICW-16 封裝和 TSOICW16-15 封裝。

MPX2003 7 提供的保護功能也與 MPX2002 11 相同，并且支持相同的安全準則。除此之外，MPX2003 7 的DIN VDE V 0884-17 認證正在進行中，而且該器件具有更出色的開關頻率(fSW)，fSW可高達 140kHz。

總結

反激式變換器采用耦合電感將變換器分為兩個部分（原邊和副邊），并在寬VIN范圍內調節 VOUT。這些變換器可在不同負載條件下以 CCM 模式運行，或者以低輸出功率的 DCM 模式運行來提高效率。反激式控制器位于反激式變換器的電源模塊內，用于控制電路并進行優化。

MPX2002 11是一款一體化反激式控制器，它具有反激式變換器的所有典型優勢，如高效率、出色的 VOUT調節和簡單的設計；同時它還提供豐富的保護功能，可同時保護變換器的原邊和副邊免受故障條件的影響。MPX2003 7是另一款將獲得額外安全功能認證的類似器件，它可以實現更高的開關頻率。 MPS 提供具有 PSR、SSR 或兩者的反激式控制器。請訪問 MPS 官網，了解更多 MPS反激式控制器 4，找到滿足您應用需求的解決方案。