在硬件面試經典中的第 86 題中提到的反激式開關電源，是通過開關通斷將交流轉變成直流的 AD-DC 開關電源的一種，并且反激式開關電源是由 BUCK-BOOST 電路演變而來，所以博客由淺入深一步一步講解完反激式開關的知識，讓我們開始吧!

一、升降壓電路( BUCK-BOOST 電路)

在博客DC-DC基礎知識 + 硬件電路_dcdc電路-CSDN博客中介紹了升壓(BUCK)和降壓(BOOST)電路，但是沒有介紹升降壓電路(BUCK-BOOST電路)，現在簡單介紹如下。

1.1電路簡介

電路結構如下圖，電路圖由以下部分組成：

MOS 管：開關電源的開關。接受PWM波形信號，高電平管子打開，低電平管子關閉。

電感 L ：充放電。吸收電源的能量，并向后級電路釋放。

二極管 D：指定電流的流向。

電容：平滑輸出電流。

圖1.1 BUCK-BOOST 電路原理圖

1.2 MOS 管打開

當在 PWM 波高電平時，MOS 管打開，電源給電感充電，在電感上形成上上正下負的電壓。

圖1.2

1.3 MOS 管關閉

當在 PWM 波低電平時， MOS 管關閉，電感上的電源突然撤走，電感上感應出與電源供電方向相反的感應電動勢，形成如下圖的電流方向給負載供電。

圖1.3

1.4電路說明

1.4.1升降壓

BUCK-BOOST 電路輸入輸出存在公式(理想公式)：

其中 D 為 PWM 波的占空比，就是通過調節占空比來實現升降壓：

當需要升壓時 ，調大占空比，讓電感可以吸收更多的能量，增大感應電動勢;

當需要降壓時，調小占空比，讓電感不吸收很多的能量，減小感應電動勢。

1.4.2注意

上述介紹的電路是最簡單、最理想的 BUCK-BOOST 電路，只是為了說明一下電路原理，有很多問題都沒有說清楚，如：

如果供電電源負極是地的話，那么在電路圖上二極管正極那一點的電壓其實是負電位，需不需要抬高?

供電電源如果是電池或者輸出沒有達到預期，需不需要添加輸出到 PWM 波控制電路的反饋?

BUCK-BOOST 電路原理很久就提出了，有沒有好用、簡單的芯片?怎么選擇?等等

在硬件面試經典中的第 86 題目給出的電路圖，其實就是將上述的 BUCK-BOOST 電路圖中的電感換成了變壓器，我們逐步來展開介紹。

二、手機充電器原理

2.1初代電源原理

下面是最初代手機充電器的原理，最終可以得到輸出穩定的 5V 電源給手機充電。

圖2.1

但是這種手機充電器很少被使用，原因：

線性電源功率密度低;

發熱嚴重;

體積大。

2.2現代開關電源原理

其中仍然有全橋整流電路和變壓器，但排列位置發生了變化，同時原來的 LM7805 被一顆 MOS管和控制芯片取代。

看到下面的電路，就發現和最開始的 BUCK-BOOST 電路的相似之處了。

圖2.3

產生了一個方波加在了變壓器的左側繞組上，在變壓器的右側繞組上感應出另一個比較小的電壓，經過濾波，就輸出 5V 的直流電 (后面會詳細講解)。

2.3比較兩個電路

2.3.1變壓器體積更小

第一個電路中 220V 的交流電被直接送入變壓器，然后輸出經過整流濾波就變成了直流電;

第二個電路就比較麻煩了，先把 220V 的交流電整流濾波變成直流電，然后將直流電轉變成方波才送入變壓器中，最后輸出直流電。

之所以弄得這么麻煩，就是為了減小體積和減少發熱。

最初的 220V 交流電頻率只有 50HZ，而送入變壓器的方波頻率可達 65KHZ 甚至更高，頻率更高的好處就是可以使用更小的變壓器。

為什么更高頻率的信號就可以使用更小尺寸的變壓器?

1、變壓器的基本原理

變壓器的大小主要取決于其鐵芯和繞組的尺寸，而這些尺寸與變壓器要傳輸的功率和頻率有關。對于給定的功率輸出，鐵芯的大小(體積)決定了變壓器能否有效傳輸和轉換能量，而繞組的線圈數量影響了感應電壓的多少 公眾號@電路一點通。

2、頻率與變壓器尺寸的關系

磁通密度與頻率：在變壓器中，磁通密度(磁場在單位面積上的強度)與施加的交流信號頻率成反比。較高的頻率意味著磁通在單位時間內變化更快，因此在相同的磁通密度下，鐵芯每周期只需要承受較少的磁通變化量。這就意味著使用高頻率時，可以用較小的鐵芯而不會達到鐵芯飽和的情況。

鐵芯材料的利用效率：高頻信號下，變壓器的鐵芯材料在高頻下的利用率更高。換句話說，在高頻率條件下，可以用更少的鐵芯材料(即更小的變壓器)來傳輸相同的能量。

3、高頻率的其他優勢

繞組匝數減少：在高頻條件下，由于每周期的時間較短，可以用較少的匝數來達到所需的感應電壓。這進一步減小了繞組的尺寸和重量。

變壓器的電感和電容效應：在高頻條件下，變壓器的電感效應更為明顯，而漏電感和分布電容的影響相對變小，這樣可以設計更緊湊和高效的變壓器結構。

2.3.1開關電源取代線性電源

由 MOS 管輸出的受控方波，就可以添加反饋回路至控制器通過實時調節方波的占空比來穩定輸出電壓。

以上方案替換掉 LM7805 穩壓器，是由于 LM7805 穩壓器是線性穩壓器，效率低，發熱嚴重。

1. 線性穩壓器的工作原理

線性穩壓器通過連續調整其內部的電阻來維持穩定的輸出電壓。當輸入電壓高于所需的輸出電壓時，線性穩壓器通過將多余的電壓轉化為熱量的方式來降低電壓。這是線性穩壓器工作的基礎：

簡單的等效電路：線性穩壓器可以被簡單地等效為一個可變電阻(或三極管)與負載串聯。當輸入電壓升高時，穩壓器會增加其內部電阻，以確保輸出電壓保持恒定。

能量轉換：任何超過輸出電壓需求的能量都被轉化為熱量在穩壓器上消耗掉。這意味著線性穩壓器的效率主要取決于輸出電壓和輸入電壓之間的差異。

2. 開關電源的工作原理

開關電源通過高速開關元件(如MOSFET)打開和關閉，以控制輸入電壓和輸出電壓之間的能量傳遞。開關電源通過儲能元件(電感和電容)將電能轉換和傳輸。以下是開關電源的關鍵特點：

高頻開關：開關電源工作在高頻狀態下(通常在幾千赫茲到幾兆赫茲范圍)。高速開關使得輸入電壓被切割成高頻脈沖信號，然后通過變壓器或電感進行能量傳遞和轉換。

高效能量轉換：由于開關元件(MOSFET)在完全導通或完全截止時工作，理想狀態下幾乎沒有能量損耗。能量只是在電感和電容之間轉移，因此能量損耗很小，轉換效率可以高達80%-90%以上。

2.4開關電源

開關電源其實是一大類電源的統稱，它們的相同之處就是都有 MOS 管構成的開關電路來產生 PWM 波，最后通過整流濾波來輸出電壓。不同之處就是每一種類型的電路有著完全不用的拓撲結構，有一些里面有電感，有一些里面是有變壓器，不同的拓撲結構適用于不同的使用場景，有的適合 100W 以內的電源，有的適合做隔離，有的適用于可調輸出的場景。

上面介紹的現代開關電源的名稱為反激電源，是因為該電源電路中的變壓器兩個繞組繞制方向是相反的，該電源有隔離的功能，但是支持的功率并不高，大量使用在 ADCD 的電源中，生活中所見的 100W 功率以內的電源大多是都是反激拓撲結構。

三、反激電源原理

正式進入到反激式開關電源的原理，這一節會制作 220V 轉 5V/2A 輸出的開關電源。

3.1拓撲結構

在圖 2.3 中其他部分都介紹清楚了，除了在上面埋下了一個坑：副級繞組上是怎么感應出一個較小的電壓的?

其實反激電源最關鍵的部分就是這個變壓器，在之前的刻板印象中：

一般只有交流的正弦波可以穿過這個變壓器，并且輸入輸出電壓比就是變壓器的匝數比。

而只有正電壓的方波穿過變壓器是整個架構中最精巧的部分。

3.1.1當 MOS 管從關閉到打開時

有變化的電流流入到主繞組，從而在鐵芯中感應出一個 變化的磁場，變化的磁場會在副繞組中感應出電壓，由于兩個線圈纏繞方向相反，故上正下負的電壓會在另一邊感應出一個上負下正的電壓。

由于在副邊添加了一個反向二極管，故此時的電壓不能導通，故在副邊其實沒有電流。

既然沒有電流，可以當做副邊的電路不存在，所以此時的變壓器的初級線圈可以等效成一個普通的電感，電流流入電感就存儲能量。

3.1.2當 MOS 管從打開到關閉時

當 MOS 管關閉，電感(初級線圈)上的電源突然被撤走，電感(初級線圈)會感應出來的上負下正的電壓來阻止突變，也就是說在這個 MOS 管關閉瞬間，初級線圈兩端的電壓會瞬間從上正下負變為上負下正。

這個電壓會正好在次級線圈中感應出一個上正下負的電壓，此時符合二極管的導通方向，副邊的電路中就有了電流。該電流一部分給電容充電，維持輸出電壓的穩定，另一部分給后級的負載供電。

同時這個過程又將初級線圈中存儲的能量給釋放出來，能量釋放完之后再等待下一次 MOS 管打開給它充電，如此就完成了一個循環。

3.1.3總結

以上就是反激式開關電源的精髓所在，總結成一句話就是：

MOS 管打開時給初級線圈儲能， MOS 管關閉時，線圈將所儲能量釋放到次級線圈中。

輸出電壓的計算公式：

3.2拓展電路

拓展的電路增加兩部分電路，分別是 RCD 電路和反饋路徑，如下圖所示。

3.2.1 RCD 電路

由于各種原因，MOS 管產生的 PWM 波存在較大的尖峰，圖下圖中藍色的波形圖，尖峰的存在很可能導致 MOS 管的燒毀，RCD 電路就是用來吸收這個尖峰的，尖峰產生時，通過下圖中紅色的通路，迅速被電容吸收，并在剩余的時間里電容向電阻釋放自身能量，經過這樣的循環，尖峰就會被消減很多，確保 MOS 管的安全。

3.2.2反饋路徑

反饋路徑用來監測輸出電壓值：

輸出電壓 < 5V ，增加 PWM 的占空比;

輸出電壓 > 5V ，減小 PWM 的占空比;

按照常規的反饋電路設計思想，往往設計出的是兩電阻分壓反饋電路，如下圖：

但是由于變壓器初級線圈側都是強電，不可以直接與輸出的 5V 弱電有電器連接，所以需要有隔離，故使用光電耦合電路來反饋電壓信號。公眾號@電路一點通

整體電路，傳遞能量的為磁能，電壓反饋回去的能量為光能，原邊和副邊是完全隔離的。

3.2.3其他

所謂的 AC-DC 廣義上其實指的是只有整流橋和電容，這一部分是 220V 交流電轉變為 310 伏的直流電，這部分才是真正意義上的 AC-DC。后面剩余部分其實是DC-DC，而反激拓撲結構其實僅僅指的是DC-DC 這部分電路。

3.3電路圖

3.3.1全橋整流電路

圖中為四個二極管組成的全橋整流電路，將交流電負半軸電路翻轉至正半軸，實際制造選擇了一個集成好的整流橋芯片，型號是 MB10F ，耐壓 1000V ，體積小巧，并且芯片內部二極管一致性比較好。

MB10F 實物圖

MB10F 原理圖與 PCB

3.3.2輸入電容

主要作用是濾波，將整流之后的“饅頭波”變成比較平直的波形。電容越大，波形就越平穩，但是受到成本與體積因素也不能無限制的增加電容。公眾號@電路一點通

一般會按照輸出功率配置電容，大致的標準為 2~3uF/W ,本次項目輸出位 5V/2A ，也就是 10W ，故選擇 33uF 的電解電容，并且電容的正極電壓高達 330V ，故電容的耐壓要求取 400V (保留裕量)。

3.3.3 RCD 電路

主要用于吸收 MOS管上的尖峰電壓，防止 MOS 管被燒壞。既然是吸收尖峰電壓的，它的耐壓值也會比較高一些，老師選擇的是 FR107 ，是一顆耐壓 700V 的快恢復二極管，電阻、電容的取值先按照數據手冊推薦的來(電阻：150K 1206 ;電容：2.2uF 1206)，后期會根據電路實際測試的波形進行微調。

3.3.4變壓器

變壓器的作用是將高壓變為低電壓，同時起到一個強電弱電隔離的作用，變壓器是整個反激開關電源的核心，但是不同于其他電子元器件可以直接購買現成的產品，變壓器一般都需要定制，先給出最后設計出變壓器的參數如下圖。

詳情請見 3.5 變壓器的機關方法。

3.3.5輸出二極管

輸出二極管的作用是在原邊的 MOS 管打開時截止住感應出的反向電壓，并且這個電壓有可能會很大，所以這顆二極管的耐壓要求會比較高，一般要幾十伏。

同時在原邊 MOS 管關閉時，它又需要承受一個比較大的輸出電流，所以這次我選擇的是 SB10100，耐壓 100V ，最大導通電流 10A 。

這顆二極管兩端的電壓也會存在尖峰，所以也需要給它配置電容、電阻來吸收這個尖峰，取值也暫時按照數據手冊推薦值(電阻 22R ;電容 1nF )。

3.3.6輸出電容

輸出電容主要影響輸出紋波的大小， 選型時主要考慮兩個參數：容值大小、ESR(電容寄生電阻)，至于兩個參數的取值可以根據公式大致推算，但是一開始比較簡單的方法是一開始就選擇兩顆差不多大小的電容，先放上去看看，然后再根據紋波的大小來調節電容的大小。

老師保守一點，第一版選擇的是兩顆 680uF/45mΩ 的電容，這樣測量出的紋波大致 130mV 。

如果想進一步減小紋波，可以考慮在這兩顆電容之間加一顆電感，構成一個 CLC 網絡，紋波就可以減小到 30mV ，如下圖。

3.3.7電壓反饋電路

電壓反饋電路作用是向芯片反饋當前的電壓值，從而讓芯片微調 PWM 的占空比來穩定輸出電壓，主要過程如下：

某時刻輸出低于 5V → 下圖中藍色原點的電壓降低 → TL431 試圖穩定住該點的電壓 → TL431 所在通路上電流會減小 → 光偶中的發光二極管變暗 → 將電壓不足信號傳遞到了芯片內部 → 芯片收到信號后增加占空比來抬高電壓。

注意事項：

(1)右側兩個電阻的取值會影響到輸出電壓，對應的關系如下。

(2)光耦需要選擇線性光耦，老師選擇的型號是 PC817A

3.3.8主芯片

主芯片所涉及的電路如下圖所示：

本項目老師選擇的芯片是 HE500-15，該芯片內部集成了 MOS 管，PWM波產生電路以及反饋和保護電路，是一顆非常典型的反激芯片。這部分電路其實反而是最簡單的，直接照著數據手冊抄就可以，簡單介紹如下：

(1)1 號引腳：接反饋

(2)2 號引腳：芯片的電源輸入。

單獨在變壓器上繞了一個線圈，通過二極管以及電容的整流濾波變成低壓直流電后給芯片供電。

(4)4 號引腳：MOS 管的漏極，接到變壓器的初級線圈。

(5)5 號引腳：MOS 管的源級。

接兩個采樣電阻，用來監測輸入電流的大小。如果電流太大，就會觸發內部的過流保護。

(6)6 號引腳：接地。

(7)7 號引腳：接過壓保護的分壓電阻，注意 7 號引腳接入的 VBUS 是在電路一開始，整流后引出的 VBUS 電壓。

(8)8 號引腳：內部比較電壓，接 47nF 的電容即可。

(以上序號存在一點問題，但是老師就這么講了，我就順著他這么寫了。)

以上電路是可以工作的，但是需要量產售賣的話，還需要假如一些保護器件和 EMI 器件，否則就只要讀懂數據手冊即可。

3.4 LAYOUT 要點

3.4.1走線順暢

下圖中藍色標注出來的為主回流，電流大，故這兩條路徑走線要盡可能的短，不能繞彎。

主回流的原理圖

主回流的PCB圖(白線)

(我畫過 PCB ，所以我可以理解老師大致的意思，沒有畫過的讀者，建議自己實操一遍。)

3.4.2電路隔離

初級和次級電路必須要做好隔離，如下圖，可以看到兩邊的地平面都是分開的。

3.4.3防干擾

芯片周邊的元件要盡離芯片近，尤其是反饋部分(上面橫向的矩形)的元件要遠離干擾源。

3.5變壓器的計算方式

思考：變壓器輸入電壓和輸出電壓的比值就是主副線圈的雜數比。但是實際在制作一個變壓器，這兩個線圈到底應該繞多少圈呢?10 圈和1 圈，以及 100 圈和 10 圈，它們都是 10: 1 的匝數比，那么它們之間會有區別嗎?我們又應該用多粗的線去繞制這個變壓器呢?鐵芯又應該如何選擇呢?等等，計算出變壓器的所有參數其實是制作手機充電器中最復雜的問題。

說明1：因為我這個人比較較真，有點鉆牛角尖了，所以我可能會在博客里字里行間的表達沒有必要什么都鉆牛角尖的想法，表達產品需要一次一次迭代、參數計算沒不可能一次就完美實現的想法，如果正在看這篇博客的你沒有這個問題的話，略過就好了。

說明2：設計該電源需要你對反激電源的原理有足夠充分的認識，但是一般的新人又不太了解反激電源的原理，所以就設計不出變壓器，那設計不出變壓器就做不出反激電源，不親自做一遍反激電源，你就不可能對反激電源的原理有充分的認識。很多人都會在這個死循環中跳脫不出來了，破局的關鍵其實就是先別管理論，放下看不懂的知識，公眾號@張飛電子電源研發精英圈用最簡單的辦法先把反激變壓器給設計出來再說，然后再一步一步的迭代學習。

3.5.1確定匝數比

第一步需要根據下面的公式確定匝數比，其中需要講解的如下：

是指變壓器輸出(主繞組端)電壓的最小值，一般認為 220V 交流電壓有效值最低為 185V ，經過整流濾波之后電壓值乘以。

：輸出二極管的導通壓降，一般為 0.7V 。

D：最大占比，一般取 0.4 。

綜上，可以計算出大致的匝數比為 30。

看到這里不知道你會不會覺得這有點糊弄人，這些參數選取都非常隨意，比如說二極管的導通壓降，有的可能是 0.6V ，包括最大占空比，那為什么非要是 0.4 呢?0.35 行不行?而一旦修改了這些值，最后的匝數比計算結果也就不是 30 了。

這其實也是反激變壓器設計時最麻煩的一件事，永遠不可能一下子就得到最優解，只要參數在一個差不多的范圍之內，最后設計出來的電源其實都是可以工作的，所以一開始我們不需要糾結太多，包括公式是如何推導出來的，也不需要太在意，時刻記住我們今天的目標就是先把第一個變壓器計算出來再說，后面再來迭代優化。

3.5.2原邊電感

確定好匝數比之后，根據以下公式確定原邊線圈的電感值，其中需要解釋的部分如下：

(因為在 MOS 管打開時，副邊就相當于不存在，原邊就等效成一個電感，該電感值的大小就直接影響到紋波電流的大小。)

：效率先取估算值為 75%。

：是指原邊電感接受到的頻率，也就是芯片的頻率 為 65KHZ。

：輸出功率，5V/2A 故輸出功率為 10W 。

通過以上計算可得，原邊電感值約為 6.2mH 。

3.5.3選定磁芯

磁芯的大小一般和輸出功率有關，如下圖，因為磁芯越大就可以選用更粗的線，繞更多的線圈，具體選多大的磁芯更多的是經驗值。

本次輸出功率為 10W ，又是第一次設計變壓器，穩妥一些選大一號的 EE22，確定磁芯后就確定了磁芯額截面積，如下圖。

3.5.4線圈匝數

原邊線圈需要根據以下公式計算，需要說明的是：

：原邊峰值電流，計算公式在下圖中小字附上，不展開講解。

：最大磁通密度，一般取值為 0.25T 。

：最大磁芯面積，上一節中確定的參數。

最后計算出的原邊匝數大約為 157 匝，根據一開始算出來的匝比是30，可以算出副邊為 15.2 匝，向上取整為 16 匝，再根據匝比反推出原邊匝數是 180 匝。

本次用的芯片還需要輔助繞組供電，芯片要求的輸入電壓是 15V 左右， 是 5V 的 3 倍，所以輔助繞組的雜數為 18 圈。

3.5.5繞線的直徑

一般來說流過 5A 的電流就需要至少

粗的線，故首先計算出線圈中電流的有效值如下圖紅色框(省略了計算過程)，其中需要解釋的部分如下：

計算出的原邊線徑為 0.15mm，穩妥一些用 0.2mm 直徑的。

計算出的副邊線徑為 0.89mm，穩妥一些采用 0.1mm 直徑的，考慮到趨膚效應，故改用 4 根 0.5mm 直徑的銅絲，并聯起來用會更好一點。

輔助繞組電流比較小，直接用 0.1mm 的就可以

3.5.6交付產家

交付廠家生產之前，還需要提供以下信息：

骨架樣式

引腳個數

線圈繞制方向

小 tips：

在前面提到過，反激電源的兩個線圈是以相反方向纏繞，需要標注清楚同名端

因為初級線圈比較多，可以采用三明治繞法：先繞一半的初級線圈，然后 依次 繞 次級線圈和輔助線圈，最后再繞初級線圈的剩下的一半，這樣耦合的效果會更好。

反激變壓器的計算方法有很多，以上介紹的其中最簡單的一種，而且計算出的結果也不一定是最優解，甚至兩個章節給出的參數都不太一樣。實際上這兩組參數都可以正常工作，但是都需要做成成品電源后測試，優化迭代。本項目的首要目的是設計出第一個能用的反激變壓器，制作出來 后帶著板子去學習更多相關的電源知識，充分理解公式的意義，思考如何改進變壓器，就會事半功倍，遠勝于拿著書本知識從入門到放棄。