返驰式变换器

返驰式变换器（Flyback converters）也称为反激式转换器或Flyback变换器，是一种输入及输出电路之间有电气隔离的变换器，可以用在交流-直流转换及直流-直流转换。返驰式变换器可以视为是有变压器的降压-升压变换器，原理类似降压-升压变换器，而将其电感器转换为变压器，因此除了电压转换外，还有变压器隔离的效果。若是驱动等离子灯或是多倍压器，会省略输出端整流用的二极管，此时会称为返驰式变压器。

图1：返驰式变换器的架构

结构及原理

图2：返驰式变换器的二个不同状态，在导通状态下，能量由输入电压源到变压器（由输出电容器供应负载能量），在断路状态下，能量由变压器到负载（及输出电容器）

图3：波形，其中用了一次侧的感知技术，可以看到膝点（knee point）

返驰式变换器的电路图如图1所示，类似降压-升压变换器的架构，将电感器分开，转换为变压器，因此动作原理和降压-升压变换器很接近：

• 当开关导通时（图2上图），变压器的一次侧直接和电源相连，变压器一次侧的电流及磁通增加，能量储存在变压器中。二次侧感应电压为负，因此二极管逆向偏压，输出电容器提供能量给负载。
• 当开关断路时（图2下图），变压器一次侧的电流及磁通减少，二次侧感应电压为正，因此二极管顺向导通，电流会由变压器二次侧流到输出电容器及负载，也提供能量给电容器及负载。

变换器在能量提供到二次侧前，其能量是储存到电感中。若要有第二组输出的电压，只要变压器有可产生输出电压的对应二次侧绕组，再加上输出的二极管及电容器即可，增加的电路不多。若有多组输出电压，返驰式变换器只会根据一组输出电压切换其功率晶体（控制电压轨），而控制电压轨的加载需要早于其他输出电压的的加载，这様才能让PWM启动，储存足够能量给变压器。

运作方式

返驰式变换器是隔离性的电压转换器，有二种主要的运作方式，分别是电压模式控制及电流模式控制（为了运作中的稳定性，主要会使用电流模式控制）。二种模式都需要有关输出电压的信号。有三种方式可以得到输出电压的信号。第一种方式是在二次侧加装光耦合器，再将信号送回控制器。第二种方式是在变压器上加额外的侦测绕组，再配合互稳压的方式进行设计。第三种方式是在放电时，取样量测一次侧的电压，和标准的一次侧直流电压比较。

第一种方式利用一个光耦合器来达到紧密的电压及电流调整，而第二种方式适用于一些主要考量价格因素，电压不需很精准的应用，最多可以在线路设计中省去包括光耦合器在内的11个元件。而且若可靠度是主要考量，光耦合器的MTBF（平均故障间隔时间）不佳，不使用光耦合器的第二种方式会比较理想。第三种方式和第一种方式一様准确，而成本比第二种方式更低，但为了让电路定期进行放电，需要有最小负载，才能有机会在一次侧绕组取样（1:N）的二次侧电压（在放电时，如图3）。

量测一次侧的方式还有一种变体，是利用监视提供控制晶体电源的辅助绕组上的信号，来达到输出电压及电流的调整，可以提升电压电流控制的精度。辅助一次侧绕组也是在二次侧放电时进行量测，但会在一次侧的直流电压上加一个方波电压，因此视为一次侧。

以往针对整个返驰式变换器波形的量测会产生问题，而后来发现在膝点（二次侧电流为0的点，如图3）进行的量测可以较精准的知道二次侧的情形。此架构已代替振铃扼流器（RCC）用在手机充电器中。

限制

返驰式变换器若运作在连续导通模式（变压器电流始终不为零）下，会有以下缺点，使得变换器的控制比较复杂：

• 变换器的转移函数在右半平面有一个零点，因此电压回授环需要较低的带宽。
• 若占空比超过50%，电流模式下的电流回授环需要额外的斜率补偿。
• 功率开关会在有正电流时打开开关，意思是功率开关打开的速度也会影响变换器的效率及功率元件产生的废热。

返驰式变换器若运作在不连续导通模式（变压器电流最后为零）下，会有以下缺点，限制变换器的效率：

• 设计时的高均方根电流以及高峰值电流
• 电感器的高通量偏移

应用

• 低功率的切换式电源供应器（手机充电器，电脑的备用电源）
• 廉价的多组输出电源
• 阴极射线管（CRT）电视及萤幕的高压电源（返驰式变换器一般会整合在水平偏转线圈）
• 产生高电压（例如氙闪光灯泡、激光、影印机等）
• 隔离的闸极驱动电路

参考资料

• Billings, Keith, Switchmode Power Supply Handbook Second, McGraw-Hill, 1999, ISBN 0-07-006719-8 

相关条目

• 焦耳贼
• 降压-升压变换器
• 顺向式变换器