一、開關(guān)變壓器詳解

（一）開關(guān)變壓器的作用與特點(diǎn)

開關(guān)變壓器是開關(guān)電源中的核心組件，其工作頻率通常在十幾至幾百千赫茲之間，為了適配高頻脈沖狀態(tài)，一般采用鐵氧體磁芯。在高頻電路中，開關(guān)變壓器主要承擔(dān)電壓變換、絕緣隔離以及功率傳遞的重要任務(wù)。

與傳統(tǒng)工頻變壓器相比，開關(guān)變壓器能夠在更高的頻率下工作，這使得其體積更小、重量更輕，同時(shí)提高了電能轉(zhuǎn)換效率。鐵氧體磁芯具有高磁導(dǎo)率、低損耗的特點(diǎn)，能夠在高頻條件下保持良好的性能，確保開關(guān)變壓器穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

（二）開關(guān)變壓器的分類

根據(jù)工作模式和輸入脈沖特性，開關(guān)變壓器可以分為以下幾類：

反激式變壓器 ：反激式變壓器在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器的初級(jí)線圈儲(chǔ)能，次級(jí)線圈不輸出能量；當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，初級(jí)線圈中的能量通過次級(jí)線圈釋放給負(fù)載。這種變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，常用于小功率開關(guān)電源中。

正激式變壓器 ：正激式變壓器在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器的初級(jí)線圈直接供電給次級(jí)線圈，次級(jí)線圈立即輸出能量。正激式變壓器適用于中等功率的開關(guān)電源，能夠提供穩(wěn)定的電壓輸出。

單激式變壓器 ：?jiǎn)渭な阶儔浩鞯妮斎霝閱螛O性脈沖電壓，通常由直流輸入電壓通過控制開關(guān)的通斷產(chǎn)生。這種變壓器的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，適用于一些對(duì)成本敏感的應(yīng)用場(chǎng)景。

雙激式變壓器 ：雙激式變壓器的輸入為雙極性脈沖電壓，能夠在正負(fù)兩個(gè)半周都傳輸能量，提高了變壓器的利用率。雙激式變壓器適用于高功率密度的開關(guān)電源設(shè)計(jì)。

（三）開關(guān)變壓器的工作原理

以單激式變壓器開關(guān)電源為例，其等效電路將直流輸入電壓通過控制開關(guān)的通斷作用，轉(zhuǎn)換為一系列直流脈沖電壓，即單極性脈沖電壓，直接供給開關(guān)變壓器。這種工作方式使得變壓器能夠在高頻條件下高效地進(jìn)行電壓變換和功率傳遞。

在開關(guān)變壓器電路中，當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，表示輸入端是開路的，這是因?yàn)殡娫磧?nèi)阻可以視為無限大。這與傳統(tǒng)電源變壓器電路有所不同，在傳統(tǒng)電路中，當(dāng)輸入電壓為零時(shí)，輸入端被視為短路，因?yàn)殡娫磧?nèi)阻可以忽略不計(jì)。

對(duì)于正激式變壓器開關(guān)電源，其原理圖如 [正激式變壓器開關(guān)電源原理圖] 所示。在該電路中，當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈被直流電壓激勵(lì)時(shí)，次級(jí)線圈正好有功率輸出。

其中，Ui 是開關(guān)電源的輸入電壓，T 是開關(guān)變壓器，K 是控制開關(guān)，L 是儲(chǔ)能濾波電感，C 是儲(chǔ)能濾波電容，D2 是續(xù)流二極管，D3 是削反峰二極管，R 是負(fù)載電阻。

二、MOS 管在開關(guān)電源中的應(yīng)用

（一）MOS 管在電源管理中的關(guān)鍵作用

高效開關(guān)控制 ：在 DC-DC 轉(zhuǎn)換器（如 Buck、Boost 電路）中，MOS 管作為高頻開關(guān)，能夠通過快速導(dǎo)通和關(guān)斷來調(diào)節(jié)輸出電壓，顯著提升轉(zhuǎn)換效率。其高速切換特性使得電源能夠在不同的工作模式之間快速轉(zhuǎn)換，滿足負(fù)載變化的需求。

功耗管理 ：MOS 管的低導(dǎo)通電阻（RDS(on)）特性能夠有效減少導(dǎo)通損耗，尤其在低電壓大電流的應(yīng)用場(chǎng)景（如鋰電池供電設(shè)備）中，可顯著降低發(fā)熱，提高電源的能效。這對(duì)于延長電池壽命和提高設(shè)備的可靠性具有重要意義。

電壓穩(wěn)壓與保護(hù) ：在低壓差穩(wěn)壓器（LDO）中，MOS 管與控制芯片配合，能夠穩(wěn)定輸出電壓，并通過過流、過壓保護(hù)電路防止器件損壞。這種保護(hù)功能確保了電源系統(tǒng)在異常情況下的安全運(yùn)行，避免因過流或過壓導(dǎo)致的設(shè)備故障。

反向電流阻斷 ：MOS 管在電源路徑中能夠防止電流倒灌，保護(hù)敏感元件（如 USB OTG 應(yīng)用中的 VBUS 隔離）。這一特性對(duì)于多電源系統(tǒng)和需要雙向供電的應(yīng)用尤為重要，能夠避免電流從負(fù)載回流到電源，保護(hù)電源和負(fù)載免受損壞。

（二）開關(guān)電源 MOS 管的選型方法

電壓參數(shù)

VDS（漏源擊穿電壓） ：需高于電路最大電壓的 30% - 50% 余量。例如，在 12V 系統(tǒng)中，建議選擇耐壓值在 30V 以上的 MOS 管，以確保在電壓波動(dòng)或異常情況下，MOS 管不會(huì)因過壓而損壞。

VGS（柵源耐壓） ：確保驅(qū)動(dòng)電壓（如 5V/10V）不超過 MOS 管極限（如 ±20V）。過高的柵源電壓可能會(huì)導(dǎo)致 MOS 管的柵極絕緣層損壞，影響其正常工作和可靠性。

電流能力

連續(xù)電流（ID） ：根據(jù)負(fù)載最大電流選擇，通常選擇 MOS 管的連續(xù)電流能力比負(fù)載最大電流高 1.5 - 2 倍。例如，對(duì)于 5A 的負(fù)載，建議選擇 ID ≥ 8A 的 MOS 管，以保證在長時(shí)間工作過程中，MOS 管不會(huì)因過熱而損壞。

脈沖電流（ID_pulse） ：為應(yīng)對(duì)瞬間峰值電流（如電機(jī)啟動(dòng)電流），需留足余量。MOS 管在脈沖電流下的承受能力通常比連續(xù)電流高，但也不能超過其極限值，否則可能會(huì)導(dǎo)致 MOS 管的永久性損壞。

導(dǎo)通電阻（RDS(on)）

低 RDS(on) 優(yōu)先 ：低導(dǎo)通電阻能夠減少導(dǎo)通損耗，提高電源效率。例如，在 12V/10A 的應(yīng)用中，若 MOS 管的 RDS(on) 為 10mΩ，則導(dǎo)通損耗僅為 1W（P = I²R）；而若 RDS(on) 為 50mΩ，則損耗達(dá) 5W。這對(duì)于高功率密度和高效率的電源設(shè)計(jì)尤為重要。

權(quán)衡成本與性能 ：雖然超低 RDS(on) 的 MOS 管能夠提供更好的性能，但其價(jià)格相對(duì)較高。在實(shí)際選型中，需要根據(jù)散熱條件、電源效率要求以及成本預(yù)算，合理選擇 RDS(on) 合適的 MOS 管。

開關(guān)速度

柵極電荷（Qg） ：在高頻應(yīng)用（如 > 100kHz 開關(guān)頻率）中，應(yīng)選擇 Qg 較小的型號(hào)（如 20nC），以降低驅(qū)動(dòng)損耗。較小的 Qg 表示驅(qū)動(dòng) MOS 管所需的能量較少，這對(duì)于高頻開關(guān)電源中的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

開關(guān)時(shí)間（td(on)/td(off)） ：開關(guān)時(shí)間影響電磁干擾（EMI）和電源效率，需匹配驅(qū)動(dòng)電路。例如，使用專用柵極驅(qū)動(dòng) IC 時(shí)，應(yīng)確保 MOS 管的開關(guān)時(shí)間與驅(qū)動(dòng) IC 的特性相匹配，以實(shí)現(xiàn)快速、可靠的開關(guān)動(dòng)作，同時(shí)減少 EMI 的產(chǎn)生。

熱管理

封裝類型 ：根據(jù)功率需求和散熱條件選擇合適的封裝類型。例如，TO-220 封裝帶有散熱片，適用于功率大于 10W 的應(yīng)用場(chǎng)景；SOT-23 封裝適用于小功率應(yīng)用；而 DFN 封裝則具有緊湊型和高散熱的特點(diǎn)，適用于對(duì)空間要求嚴(yán)格的高功率密度設(shè)計(jì)。

結(jié)溫（Tj）與熱阻（RθJA） ：需要計(jì)算功率損耗（P = I²RDS(on) + 開關(guān)損耗），確保結(jié)溫低于 125℃（工業(yè)級(jí)）。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過增加散熱片、優(yōu)化 PCB 布局等方式降低熱阻，提高散熱性能，保證 MOS 管在安全的溫度范圍內(nèi)工作。

（三）不同應(yīng)用場(chǎng)景下的 MOS 管選擇

同步整流 ：在同步整流應(yīng)用中，應(yīng)選擇低 Qg 的 MOS 管（如 OptiMOS 系列），以提升反向恢復(fù)效率。低 Qg MOS 管能夠減少開關(guān)過程中的能量損耗，提高同步整流電路的效率，特別適用于高頻率、高效率的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

高邊開關(guān) ：高邊開關(guān)應(yīng)用需要 MOS 管兼容自舉電路，通常選用邏輯電平 MOS 管（VGS(th) < 2.5V）。邏輯電平 MOS 管能夠在較低的驅(qū)動(dòng)電壓下工作，與常見的邏輯電路電平兼容，便于驅(qū)動(dòng)控制，適用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)、LED 照明等高邊開關(guān)應(yīng)用。

電池保護(hù) ：在電池保護(hù)電路中，優(yōu)先選擇低靜態(tài)電流的 MOS 管（如 < 1μA）。低靜態(tài)電流 MOS 管能夠在電池未工作時(shí)減少電量消耗，延長電池使用壽命，這對(duì)于便攜式設(shè)備和電池供電系統(tǒng)尤為重要。
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