反射电压？啥东东？

Pcbbar

                                                                                                   

我以前做过隔离式的POE模块，其电路实际就是个反激式开关电源。只不过其输入电压范围比较低，为44V-57V。

4 x0 ?, y; ?4 C3 i! A0 p4 B

电路如下图，就是个flyback。

      可以看到，电路中有个钳位电路，用来抑制电压尖峰，就在初级线圈那里。

) Q1 ?" t! T% w5 \/ T

问题

抑制尖峰通常有2种电路，一种叫RCD钳位，另外一种是用TVS管+二极管钳位。

* M4 l4 s, e& V- X1 j. [9 A

这两种实际中都有用，今天我不想讨论它们的区别，只想说明一个问题：

为什么不能只用一个二极管搞定？像继电器电路那样？不也能抑制尖峰吗？

/ ]6 `5 Y  i- v$ ^5 z
( F) u: s+ y* A

答案自然是不行的，如果用一句话解释为什么不行，那就是因为存在反射电压。
( Q7 \7 y( R) ?! [* `

那么什么是反射电压呢？

反射电压

如果我们从能量的角度来看，反射电压，其实就比较简单了。

* w% f# }' f: d) T4 p
) E& V7 o! W( y/ m9 N8 Q

图中我将变压器画成含磁芯的，这样更接近容易理解，下面看看开关过程。
4 w. c" w+ D, G- y: D' U* I! H

5 p% j/ M$ p* c: ]7 N

1、在开关接通的时候

初级线圈电流慢慢增大，变压器的磁芯中磁通量也慢慢增大，也就是说来自源端的电能慢慢变成磁场能量。

从同名端可以知道，初级电压是上正下负，所以次级是上负下正，所以此时次级线圈二极管反向截止，次级相当于开路，电流为0。

电流为0又说明什么呢？

说明变压器上面虽然次级挂了线圈，但是既不会通过次级线圈往外释放能量，也不会存储能量。所以次级线圈对初级的线圈的充电完全没有任何影响，可以当次级线圈不存在（当然前提是忽略其它寄生参数的影响，现在的电路模型中各个元器件看作是理想的）。

我们去掉次级线圈，再看看变压器，只剩下了初级线圈，这不就是个电感吗？

所以呢，此时整个变压器就相当于是一个电感了，充入的能量为1/2*L*I^2。L为变压器的初级电感。

好吧，我居然一不小心说明了为啥反激式变压器就是一个电感。。。

3 x# @$ f* P; x! v3 F

2、开关断开瞬间

开关断开，那么初级线圈电流马上变为0（不考虑漏感及其它寄生参数）。

我们常说电感电流不能突变，那现在岂不是突变了吗？那还玩个屁？

' [" K/ @4 C9 y' y% V" Q
4 \- D1 J% w1 x" U( s' w7 y

先说明一点，我们常说电感电流不能突变，电容电压不能突变。这是个结论，又是怎么来的呢？

我觉得更本质的原因应该是说能量不能凭空消失，只能相互转化，从一种能量转化为另外一种能量。

电感通了电流，就有了磁场能，能量大小是1/2*L*I^2。如果电感电流很快变为0，那意味着磁场能很快没有了，那一定是转化为别的能量，一般来说就是电场能了。

在没有专门泄放路径的情况下，磁场能量只能转存在寄生电容里面。既然是寄生电容，那电容C就很小，所以根据电场能公式1/2*C*U^2，如此，便导致电压U非常大。

, R; v( \5 c" [( t

或者更准确的说，是电感会找到电容，形成新的放电回路，这样就形成了LC电路荡起来了啦，能量在L和C之间倒腾来倒腾去，而这个过程中会存在电压尖峰（会存在一个时刻，电感存的能量为0，能量全在电容里面，此时电压最高）。

当然了，因为实际都不是超导体，肯定有R存在，部分能量变为热能了，所以振荡的峰值也就越来越低了。

4 g  k! I" e6 e

注：上面的说法仅仅是举个例子，实际电路中各种各样，电容并不一定是电感的寄生电容，而可能是其他器件的。

同理，电容电压不能突变也可以这么理解。

3 C  x8 Z. r- R7 y: s! N

回到正题，开关断开，此时变压器发生了什么呢？

开关断开，初级线圈电流为0，此时磁芯中的磁场能该何去何从呢？

其实并不需要瞬间将磁场能释放到0，因为有次级线圈的存在。

* b( t9 R$ l0 P, S) u% `. ^

因为初级线圈和次级线圈是绑在一个磁芯上面的，所以一开始初级线圈通电时，产生的磁通量也全部会穿过次级线圈（忽略漏感）。

而初级线圈突然断电，此时磁芯中的磁场能怎么办呢？又不能凭空消失，是产生高压变成电场能吗？

往哪里转移我们先不管，总之一点就是，没有了电源来输入，并且初级线圈已经没电流啦，它不能成为磁场能持续存在的原因，所以变压器一定想办法找其它原因来保持住自己的磁场能。

在找到磁场能保持住的原因之前，磁场能肯定是减小的，因为还没找到保持住的原因嘛。

所以磁芯中的磁通量是往磁通量减小的方向变化。

根据电磁感应定律，磁通量减小，在次级线圈上面感应到上正下负的电压，那这个电压是多少呢？

7 G2 t. J$ \! n! m1 W6 s

一方面，这个二极管是一定要导通的。
* |+ ?- D5 E4 H9 i+ h/ ]

因为如果二极管不导通，那么次级线圈就没有电流存在，而初级线圈也没有电流存在，也就是说还没找到磁场能保持住的原因（电流是磁场存在的原因），所以磁通量还得降，电压进一步升高。

) z4 B& }' p4 b- F) n+ [* x

另一方面，在次级线圈上面感应的电压不可能很大

在电压大到一定值的时候，那么二极管一定会导通，这样次级线圈就形成了电流回路。

如此一来，次级线圈中就有了电流，磁场能量保持住的原因就有了---次级线圈电流。既然磁场能存在的方式有了，那么就不用再升高电压了。

因为接着升高电压，那么电流会很大，因为我们讨论的是一瞬间的事情，电容相当于短路的。

电流很大，那么磁芯中的磁场能根据公式1/2*L*I^2也会非常大（这里的L是次级线圈电感）。显然这是不可能的，磁场能量不会变得比开关断开之前还多。

' M' p1 m# o/ W3 D

所以次级线圈的电压就是Vout+Vd，不会是无穷大。二极管处于导通的状态电压就不会再升了，电流可以根据W0=1/2*L*I^2计算出来初始值，这里的L为次级线圈的电感量，W0为开关断开时磁芯中的磁场能量。

以上的表述只是一个因果关系，实际这就是一个瞬间的过程。

所以，开关断开时，原本由初级线圈电流产生的磁场能量，瞬间由次级线圈中的电流接管，它们是无缝链接的。

如果只看这一瞬间，磁芯中的磁场能量并没有立即转化成别的能量，只是成因从初级线圈变成了次级线圈，初级线圈电流突变为0，次级线圈电流突然就有了。

2 T& Y+ V6 k; w/ u

3、开关断开后的一段时间

随后磁场能量被次级的负载慢慢消耗，同时也给电容充电，只要磁场能量不为0，那么次级线圈就必须有电流存在（因为电流是磁场存在的原因）。因此，在下一次开关接通之前，次级线圈的电压基本就是Vout+Vd保持不变。

* P- S1 X0 x- m: n* n+ f$ F: T

也就是说，开关断开后，在下一次开关接通之前，次级线圈的电压都是Vout+Vd。
. j% X6 [  G+ y

这个电压是怎么产生的呢？是由于磁芯中磁通量的减小感应出的。

初级线圈和次级线圈绕在同一个磁芯上面。次级线圈感应出的电压是Vout+Vd，根据匝数比，那么初级线圈感应出的电压就是：

U初=N*(Vout+Vd)，N为匝数比。

没错，这玩意就是反射电压。

1 J) K- `+ }$ i6 ^

问题答案

花了大量的篇幅讲了反射电压，这跟前面的问题有什么关系吗？

初级线圈的尖峰抑制电路如果只用一个二极管为什么不行？

$ p1 Y* Y/ h" m: G. h) Y0 [

其实理解了前面的内容，这个问题就很容易了。

如果我们直接接一个二极管，那么在次级线圈感应出的电压达到Vout+Vd之前，初级线圈感应的电压已经让二极管导通了。

因为次级电压只要达到了（1/N）*Vd，初级电压就能达到Vd，初级二极管就导通了。磁场能量已经找到了释放的突破口（通过初级的二极管形成的电流回路），将会全部从这个二极管释放掉，次级线圈的电压根本就达不到Vout+Vd。

也就是说次级线圈的二极管根本就不会导通，次级线圈电流一直为0，最终的结果可想而知，这个电源要是能用也是见鬼了。

所以，在次级二极管导通之前，初级线圈一定不能提前形成较大的电流通路，不然能量都被初级消耗掉了，还如何传递给后级负载呢？

特别是使用TVS管的电路，TVS管的击穿电压一定不能太低，决不能低于反射电压。

结尾

本节内容就到这里了，原本我是想找几个二极管电路。结果看到这里，一时想到这问题，就研究了一下。

大家应该看出来了吧，这其实就是我的学习笔记。

不能保证都是对的，如果有错漏，请在留言区指出，我也不想把大家带歪了。。。

来源：硬件工程实炼成之路

---

版权归原作者所有，如有侵权，请联系删除。