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單管正激拓撲與雙管半橋拓撲的原理圖區別

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單管正激拓撲與雙管半橋拓撲的原理圖區別

電源適配器廠家：玖琪為大家分享一種與雙管半橋拓撲具有本質區別的電源適配器。其本質區別在于這種電源適配器的主回路為單管正激拓撲而非雙管半橋拓撲。筆者已經介紹過正激的概念，接下來介紹單管的概念。所謂的單管，就是指開關管的數量只有1個。那么，所謂的單管正激電源適配器，就是一種在結構上只具有一個開關管的電源適配器，并且是在開關管導通時通過變壓器從變壓器的初級向次級（負載）輸送電能的電源適配器。
換句話說，對于單管正激電源適配器而言，它的開關管、變壓器的初級繞組和變壓器的次級繞組是同時導通的（這才是正激的本質含義）；當開關管截止時，變壓器的初級繞組和變壓器的次級繞組也是同時截止的（這也是正激的本質含義）。對于變壓器的初級繞組而言，其導通與截止與否是與開關管的導通與截止相關聯的，實際上是受開關管的控制。當開關管導通時，初級繞組導通，電能輸入到變壓器中；當開關管截止時，初級繞組截止，變壓器中能量的增減變化與初級繞組無關。對于變壓器的次級繞組而言，其導通與截止時與次級繞組所接的整流二極管的導通與截止相關聯，實際與整流二極管的PN結方向有關。當變壓器通過初級繞組獲得能量后，如果整流二極管可以正偏導通，我們就說次級繞組是導通的，此時變壓器的能量會從次級繞組通過整流二極管輸出至負載。如果整流二極管反偏截止，我們就說次級繞組是截止的，變壓器中能量的增減變化與次級繞組無關。
我們首先觀察一下圖1-2“電源適配器的4種結構”中的（b）單管正激拓撲。并與圖1-2（c）半橋拓撲進行初步比較，總結一下二者的區別。開關管的數量區別就不再重復強調了。兩種拓撲最核心的區別在變壓器的繞組種類上（注意，不僅僅是數量）。通過觀察變壓器繞組的同名端標記（黑色圓點）不難發現，無論是單管正激拓撲還是雙管半橋拓撲，都是正激拓撲。但是，單管正激拓撲的變壓器多了一個與能量傳遞（指從電源到負載）似乎無關的繞組（該繞組的一端接電源的正極，另一端經VD3接電源的負極）。
為什么說這個繞組與能量傳遞似乎無關呢？筆者將結合同名端/異名端的知識，分析一下這個繞組所涉及的能量儲存及釋放過程。
在單管正激拓撲中，當開關管（S）打開時，實際上是對磁芯（T）左側的第1個電感充電。根據電磁感應定律，會在此電感中產生一個上正下負的感應電動勢。同理，也會在磁芯（T）右側的電感上產生一個上正下負的互感電動勢。我們將注意力投向磁芯（T）左側的第2個電感。根據這3個電感所標記的同名端/異名端判定一下此刻該電感的互感情況。我們可以得出該電感的互感電動勢應該是下正上負。VIN甚至還會與這個互感電動勢疊加之后加到了VD3的負極，VD3的正極直通VIN電源的負極。總之，二極管VD3的負極電壓高而正極電壓小，VD3是反偏截止的。如圖所示。

VD3所連的電感在能量從電源到變壓器的傳遞過程中是截止的。這意味著在開關管導通時，這個電感的確與能量從電源到負載的傳遞過程無關。
再來分析一下開關管（S）截止時的情況。當開關管（S）截止時，3個繞組的感應電動勢都將反相。此時，磁芯（T）左側的第2個電感上的互感電動勢將變成上正下負，如圖4-18所示。

圖　單管正激勵磁結束時的感應電動勢方向

既然開關管（S）處于截止狀態，那么與開關管（S）相連的這個電感此時對變壓器中能量的增減就沒有了任何的影響，我們可以把它從整個電源適配器中暫時忽略。我們再看磁芯（T）右側的電感，此時VD1、VD2都是反偏截止的，變壓器中的能量是無法通過VD1、VD2輸出到電感（L）中的。換句話說，磁芯（T）右側的電感此時對變壓器中能量的增減也沒有任何影響，我們也可以把它從整個電源適配器中暫時忽略。當我們忽略這兩個電感之后，會發現單管正激拓撲電源適配器變成了圖所示的樣子。

這是一個很有意思的電路。它的左邊是一個電源（上正下負），右邊是一個等價于充電電池的電感電源（上正下負）和二極管（VD3）。問題來了，當我們把兩個電源的正極連在一起，把兩個電源的負極通過一個二極管也連接在一起后，究竟誰是負載誰是電源呢？之所以提出這個問題，是因為在電路中通常只有一個明確的電源，但我們現在突然遇到了一個具有兩個電源的電路。
我們還可以從電路回路中流過的電流方向來換個角度分析這個電路。即當開關管截止時，這個電路回路中究竟是流過順時針方向的電流還是流過逆時針方向的電流呢？只要把這個問題搞清楚了，我們就能夠判定這兩個電源究竟誰是真正的負載和真正的電源了。VD3的PN結方向決定了這個電路回路中只能流過逆時針方向的電流。這意味著當開關管截止時，磁芯（T）左側的第2個電感將對VIN電源充電。也就是說，VIN電源在此刻名不副實，它反而成了負載。
很多電源工程師對VIN電源能量傳輸方向上的認識具有片面性。實際上VIN電源除了向變壓器輸出能量外，變壓器中儲存的能量也是可以輸出到VIN電源（如310V）中的。在電源適配器中，有兩個典型的從變壓器向VIN電源輸出能量的例子，一個是開關管的尖峰吸收回路，一個是電源適配器對電網的噪聲干擾。我們先分析一下開關管的尖峰吸收回路，它實際上就是將變壓器初級繞組上的關斷尖峰電壓回饋至VIN電源的過程，能量傳遞的方向是從變壓器向310V。我們再分析一下電源適配器對電網的噪聲干擾。EMI存在的理由之一，就是為了避免以噪聲這種形式存在的能量從電源適配器回饋至VIN電源（這里指全橋整流器之前的交流市電220V）。

總之，不管這個回路中到底是VIN電源對磁芯（T）左側的第2個電感充電，還是磁芯（T）左側的第2個電感對VIN電源充電，電能都沒有輸出到變壓器的次級負載一側。可見，在單管正激拓撲電源適配器中，磁芯（T）左側的第2個電感的確是一個與能量傳遞（指從電源到負載）無關的繞組。那么，這個電感的存在意義何在呢？我們還是要從能量傳遞的方向來分析。
經過上面的分析，我們已經明確了磁芯（T）左側的第2個電感是一個與給負載提供能量無關的變壓器繞組。它的具體功能是在開關管截止時將儲存在變壓器中的能量回饋到電源中。這是一個值得思考的問題。電源適配器的根本作用就是將能量從電源輸送到變壓器，進而通過變壓器輸送到次級負載的過程。通過電感將本已經輸送到變壓器中的電能重新回饋到電源中的這個過程，似乎與電源適配器的根本作用是相悖的。這就等于是你先把一碗米飯給了一個饑餓的乞丐，但是還沒等他吃完，你就把碗拿走了。特別值得深思的是，磁芯（T）左側的第2個電感的唯一作用就是在每個開關管的截止周期就“把碗拿走”，客觀上起到一個減少變壓器儲存能量的作用（盡管這個能量并沒有浪費）。這究竟是為什么呢？
要深入地理解這個問題，需要具有磁滯回線的知識基礎，這超出了維修人員的需要。我們不妨從能量分配的角度去理解這個問題。那就是對于單管正激拓撲的電源適配器而言，電源的設計者希望在每個開關周期的開始時刻的變壓器都處于一種盡可能沒有儲存能量的狀態。也就是說，即使在上一個開關周期中變壓器已經儲存了能量，也應在開關周期中的開關管截止時段把變壓器中儲存的剩余能量（在開關管導通期間，負載會消耗一部分）泄放出去，這就是所謂的磁復位。
這已經不是我們第一次接觸磁復位的概念了。我們在ATX3.3V磁放大穩壓電路中已經接觸過這個概念。對于變壓器而言，磁復位是指變壓器中已經儲存的能量被泄放出去，又回復到了之前未被充能的狀態。
我們可以大膽推測，對于單管正激拓撲而言，如果沒有磁芯（T）左側的第2個電感在每個開關周期結束時刻令變壓器完成磁復位，單管正激拓撲電源適配器中的變壓器就不能正常工作。對于變壓器的正常工作而言，其必要條件似乎只有變壓器不能飽和這個根本原則。因此，我們幾乎可以肯定磁芯（T）左側的第2個電感在每個開關周期結束時刻令變壓器完成磁復位的必要過程，事實上就是為了避免變壓器因為某些我們暫時還不知道的原因而發生過飽和。
綜上所述，筆者把磁芯（T）左側的第2個電感命名為單管正激拓撲中的開關變壓器的磁復位電感，把VD3命名為磁復位二極管。
單管正激拓撲和雙管半橋拓撲在次級一側還有一個區別，盡管它們在次級一側都具有兩個二極管。對于雙管半橋拓撲而言，它的兩個二極管都是整流二極管。對于單管正激拓撲而言，只有一個二極管是整流二極管，另一個二極管是續流二極管。這給了我們區分單管正激拓撲電源適配器次級使用的兩個二極管屬性（指整流和續流）的觀察依據。與電源適配器的低壓側輸出地用布線物理連通的二極管（正極）才是續流二極管。
通過觀察單管正激拓撲原理圖不難發現，這是一個只有一路輸出的電源適配器。但是，真實的ATX卻具有ATX3.3V、ATX5V、ATX12V這三路正電壓。這說明真實的ATX主變壓器的次級一側應有不止一個輸出繞組。我們將單管正激拓撲原理圖充實如圖所示。

當單管正激拓撲的主變壓器具有不止一個次級輸出繞組時，其次級繞組就具有了主輔之分。所謂的主輸出繞組，是指該電源適配器的全部輸出（指＋VOUT1、＋VOUT2）的穩壓過程都是依賴于主輸出繞組的輸出（指＋VOUT1）進行的。換句話說，電源適配器的次級穩壓（反饋）電路只針對主輸出的＋VOUT1進行穩壓采樣，采樣的結果將直接影響＋VOUT1的實際輸出電壓大小。而＋VOUT2的實際輸出大小則會被動地根據＋VOUT1的實際輸出電壓大小的變化而變化。通俗地說，在單管正激拓撲電源適配器中，只有主輸出的電壓是能夠精確控制的，而輔輸出的電壓則會隨主輸出的負載變化在某個范圍內變化。這顯然不是電源的設計者所期望的，我們所期望的是所有輸出電壓（甚至電流）均可精確控制（不論負載大小）的電源。如何解決這個問題呢？常識告訴我們，這很可能會涉及某些其他的變電技術及電路。
最后，介紹一下單管正激拓撲與單端反激拓撲的共同點。

通過對電源適配器輔助電源的學習，電源工程師應已經比較了解單端反激拓撲的電路結構了。在單端反激拓撲中，開關管的S極會經一個小阻值大功率的檢流電阻對地。單管正激拓撲與單端反激電源有一個重要的相同點，即單管正激拓撲的開關管的S極也是會經一個小阻值大功率的檢流電阻后對地的。這個電阻的功率較大，因此體積也較大。在觀察實物時應特別注意。

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| 發布時間：2019.06.04    來源：電源適配器廠家
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