抑制尖峰，為什么不能只用一個(gè)二極管搞定？

我以前做過(guò)隔離式的POE模塊，其電路實(shí)際就是個(gè)反激式開(kāi)關(guān)電源。只不過(guò)其輸入電壓范圍比較低，為44V-57V。

電路如下圖，就是個(gè)flyback。

可以看到，電路中有個(gè)鉗位電路，用來(lái)抑制電壓尖峰，就在初級(jí)線圈那里。

問(wèn)題

 抑制尖峰通常有2種電路，一種叫RCD鉗位，另外一種是用TVS管+二極管鉗位。

這兩種實(shí)際中都有用，今天我不想討論它們的區(qū)別，只想說(shuō)明一個(gè)問(wèn)題：

為什么不能只用一個(gè)二極管搞定？像繼電器電路那樣？不也能抑制尖峰嗎？

答案自然是不行的，如果用一句話解釋為什么不行，那就是因?yàn)榇嬖?strong>反射電壓。

那么什么是反射電壓呢？

反射電壓

 如果我們從能量的角度來(lái)看，反射電壓，其實(shí)就比較簡(jiǎn)單了。

圖中我將變壓器畫成含磁芯的，這樣更接近容易理解，下面看看開(kāi)關(guān)過(guò)程。

1、在開(kāi)關(guān)接通的時(shí)候

初級(jí)線圈電流慢慢增大，變壓器的磁芯中磁通量也慢慢增大，也就是說(shuō)來(lái)自源端的電能慢慢變成磁場(chǎng)能量。

從同名端可以知道，初級(jí)電壓是上正下負(fù)，所以次級(jí)是上負(fù)下正，所以此時(shí)次級(jí)線圈二極管反向截止，次級(jí)相當(dāng)于開(kāi)路，電流為0。

電流為0又說(shuō)明什么呢？

說(shuō)明變壓器上面雖然次級(jí)掛了線圈，但是既不會(huì)通過(guò)次級(jí)線圈往外釋放能量，也不會(huì)存儲(chǔ)能量。所以次級(jí)線圈對(duì)初級(jí)的線圈的充電完全沒(méi)有任何影響，可以當(dāng)次級(jí)線圈不存在（當(dāng)然前提是忽略其它寄生參數(shù)的影響，現(xiàn)在的電路模型中各個(gè)元器件看作是理想的）。

我們?nèi)サ舸渭?jí)線圈，再看看變壓器，只剩下了初級(jí)線圈，這不就是個(gè)電感嗎？

所以呢，此時(shí)整個(gè)變壓器就相當(dāng)于是一個(gè)電感了，充入的能量為1/2*L*I^2。L為變壓器的初級(jí)電感。

好吧，我居然一不小心說(shuō)明了為啥反激式變壓器就是一個(gè)電感。。。

2、開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間

開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，那么初級(jí)線圈電流馬上變?yōu)?（不考慮漏感及其它寄生參數(shù)）。

我們常說(shuō)電感電流不能突變，那現(xiàn)在豈不是突變了嗎？那還玩?zhèn)€屁？

先說(shuō)明一點(diǎn)，我們常說(shuō)電感電流不能突變，電容電壓不能突變。這是個(gè)結(jié)論，又是怎么來(lái)的呢？

我覺(jué)得更本質(zhì)的原因應(yīng)該是說(shuō)能量不能憑空消失，只能相互轉(zhuǎn)化，從一種能量轉(zhuǎn)化為另外一種能量。

電感通了電流，就有了磁場(chǎng)能，能量大小是1/2*L*I^2。如果電感電流很快變?yōu)?，那意味著磁場(chǎng)能很快沒(méi)有了，那一定是轉(zhuǎn)化為別的能量，一般來(lái)說(shuō)就是電場(chǎng)能了。

在沒(méi)有專門泄放路徑的情況下，磁場(chǎng)能量只能轉(zhuǎn)存在寄生電容里面。既然是寄生電容，那電容C就很小，所以根據(jù)電場(chǎng)能公式1/2*C*U^2，如此，便導(dǎo)致電壓U非常大。

或者更準(zhǔn)確的說(shuō)，是電感會(huì)找到電容，形成新的放電回路，這樣就形成了LC電路蕩起來(lái)了啦，能量在L和C之間倒騰來(lái)倒騰去，而這個(gè)過(guò)程中會(huì)存在電壓尖峰（會(huì)存在一個(gè)時(shí)刻，電感存的能量為0，能量全在電容里面，此時(shí)電壓最高）。

當(dāng)然了，因?yàn)閷?shí)際都不是超導(dǎo)體，肯定有R存在，部分能量變?yōu)闊崮芰?，所以振蕩的峰值也就越?lái)越低了。

注：上面的說(shuō)法僅僅是舉個(gè)例子，實(shí)際電路中各種各樣，電容并不一定是電感的寄生電容，而可能是其他器件的。

同理，電容電壓不能突變也可以這么理解。

回到正題，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，此時(shí)變壓器發(fā)生了什么呢？

 開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，初級(jí)線圈電流為0，此時(shí)磁芯中的磁場(chǎng)能該何去何從呢？

其實(shí)并不需要瞬間將磁場(chǎng)能釋放到0，因?yàn)?strong>有次級(jí)線圈的存在。

因?yàn)槌跫?jí)線圈和次級(jí)線圈是綁在一個(gè)磁芯上面的，所以一開(kāi)始初級(jí)線圈通電時(shí)，產(chǎn)生的磁通量也全部會(huì)穿過(guò)次級(jí)線圈（忽略漏感）。

而初級(jí)線圈突然斷電，此時(shí)磁芯中的磁場(chǎng)能怎么辦呢？又不能憑空消失，是產(chǎn)生高壓變成電場(chǎng)能嗎？

往哪里轉(zhuǎn)移我們先不管，總之一點(diǎn)就是，沒(méi)有了電源來(lái)輸入，并且初級(jí)線圈已經(jīng)沒(méi)電流啦，它不能成為磁場(chǎng)能持續(xù)存在的原因，所以變壓器一定想辦法找其它原因來(lái)保持住自己的磁場(chǎng)能。

在找到磁場(chǎng)能保持住的原因之前，磁場(chǎng)能肯定是減小的，因?yàn)檫€沒(méi)找到保持住的原因嘛。

所以磁芯中的磁通量是往磁通量減小的方向變化。

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，磁通量減小，在次級(jí)線圈上面感應(yīng)到上正下負(fù)的電壓，那這個(gè)電壓是多少呢？

一方面，這個(gè)二極管是一定要導(dǎo)通的。

因?yàn)槿绻O管不導(dǎo)通，那么次級(jí)線圈就沒(méi)有電流存在，而初級(jí)線圈也沒(méi)有電流存在，也就是說(shuō)還沒(méi)找到磁場(chǎng)能保持住的原因（電流是磁場(chǎng)存在的原因），所以磁通量還得降，電壓進(jìn)一步升高。

另一方面，在次級(jí)線圈上面感應(yīng)的電壓不可能很大

在電壓大到一定值的時(shí)候，那么二極管一定會(huì)導(dǎo)通，這樣次級(jí)線圈就形成了電流回路。

如此一來(lái)，次級(jí)線圈中就有了電流，磁場(chǎng)能量保持住的原因就有了---次級(jí)線圈電流。既然磁場(chǎng)能存在的方式有了，那么就不用再升高電壓了。

因?yàn)榻又唠妷?，那么電流?huì)很大，因?yàn)槲覀冇懻摰氖且凰查g的事情，電容相當(dāng)于短路的。

電流很大，那么磁芯中的磁場(chǎng)能根據(jù)公式1/2*L*I^2也會(huì)非常大（這里的L是次級(jí)線圈電感）。顯然這是不可能的，磁場(chǎng)能量不會(huì)變得比開(kāi)關(guān)斷開(kāi)之前還多。

所以次級(jí)線圈的電壓就是Vout+Vd，不會(huì)是無(wú)窮大。二極管處于導(dǎo)通的狀態(tài)電壓就不會(huì)再升了，電流可以根據(jù)W0=1/2*L*I^2計(jì)算出來(lái)初始值，這里的L為次級(jí)線圈的電感量，W0為開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)磁芯中的磁場(chǎng)能量。

以上的表述只是一個(gè)因果關(guān)系，實(shí)際這就是一個(gè)瞬間的過(guò)程。

所以，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，原本由初級(jí)線圈電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)能量，瞬間由次級(jí)線圈中的電流接管，它們是無(wú)縫鏈接的。

如果只看這一瞬間，磁芯中的磁場(chǎng)能量并沒(méi)有立即轉(zhuǎn)化成別的能量，只是成因從初級(jí)線圈變成了次級(jí)線圈，初級(jí)線圈電流突變?yōu)?，次級(jí)線圈電流突然就有了。

3、開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后的一段時(shí)間

隨后磁場(chǎng)能量被次級(jí)的負(fù)載慢慢消耗，同時(shí)也給電容充電，只要磁場(chǎng)能量不為0，那么次級(jí)線圈就必須有電流存在（因?yàn)殡娏魇谴艌?chǎng)存在的原因）。因此，在下一次開(kāi)關(guān)接通之前，次級(jí)線圈的電壓基本就是Vout+Vd保持不變。

也就是說(shuō)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，在下一次開(kāi)關(guān)接通之前，次級(jí)線圈的電壓都是Vout+Vd。

這個(gè)電壓是怎么產(chǎn)生的呢？是由于磁芯中磁通量的減小感應(yīng)出的。

初級(jí)線圈和次級(jí)線圈繞在同一個(gè)磁芯上面。次級(jí)線圈感應(yīng)出的電壓是Vout+Vd，根據(jù)匝數(shù)比，那么初級(jí)線圈感應(yīng)出的電壓就是：

U初=N*(Vout+Vd)，N為匝數(shù)比。

沒(méi)錯(cuò)，這玩意就是反射電壓。

問(wèn)題答案

 花了大量的篇幅講了反射電壓，這跟前面的問(wèn)題有什么關(guān)系嗎？

初級(jí)線圈的尖峰抑制電路如果只用一個(gè)二極管為什么不行？

其實(shí)理解了前面的內(nèi)容，這個(gè)問(wèn)題就很容易了。

如果我們直接接一個(gè)二極管，那么在次級(jí)線圈感應(yīng)出的電壓達(dá)到Vout+Vd之前，初級(jí)線圈感應(yīng)的電壓已經(jīng)讓二極管導(dǎo)通了。

因?yàn)榇渭?jí)電壓只要達(dá)到了（1/N）*Vd，初級(jí)電壓就能達(dá)到Vd，初級(jí)二極管就導(dǎo)通了。磁場(chǎng)能量已經(jīng)找到了釋放的突破口（通過(guò)初級(jí)的二極管形成的電流回路），將會(huì)全部從這個(gè)二極管釋放掉，次級(jí)線圈的電壓根本就達(dá)不到Vout+Vd。

也就是說(shuō)次級(jí)線圈的二極管根本就不會(huì)導(dǎo)通，次級(jí)線圈電流一直為0，最終的結(jié)果可想而知，這個(gè)電源要是能用也是見(jiàn)鬼了。

所以，在次級(jí)二極管導(dǎo)通之前，初級(jí)線圈一定不能提前形成較大的電流通路，不然能量都被初級(jí)消耗掉了，還如何傳遞給后級(jí)負(fù)載呢？

特別是使用TVS管的電路，TVS管的擊穿電壓一定不能太低，決不能低于反射電壓。

結(jié)尾

本節(jié)內(nèi)容就到這里了，原本我是想找?guī)讉€(gè)二極管電路。結(jié)果看到這里，一時(shí)想到這問(wèn)題，就研究了一下。

大家應(yīng)該看出來(lái)了吧，這其實(shí)就是我的學(xué)習(xí)筆記。