抑制尖峰，為什么不能只用一個二極管搞定？

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

電路如下圖，就是個flyback。

可以看到，電路中有個鉗位電路，用來抑制電壓尖峰，就在初級線圈那里。

問題

 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。

這兩種實際中都有用，今天我不想討論它們的區(qū)別，只想說明一個問題：

為什么不能只用一個二極管搞定？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，那就是因為存在反射電壓。

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看，反射電壓，其實就比較簡單了。

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

1、在開關(guān)接通的時候

初級線圈電流慢慢增大，變壓器的磁芯中磁通量也慢慢增大，也就是說來自源端的電能慢慢變成磁場能量。

從同名端可以知道，初級電壓是上正下負，所以次級是上負下正，所以此時次級線圈二極管反向截止，次級相當(dāng)于開路，電流為0。

電流為0又說明什么呢？

說明變壓器上面雖然次級掛了線圈，但是既不會通過次級線圈往外釋放能量，也不會存儲能量。所以次級線圈對初級的線圈的充電完全沒有任何影響，可以當(dāng)次級線圈不存在（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元器件看作是理想的）。

我們?nèi)サ舸渭壘€圈，再看看變壓器，只剩下了初級線圈，這不就是個電感嗎？

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

好吧，我居然一不小心說明了為啥反激式變壓器就是一個電感。。。

2、開關(guān)斷開瞬間

開關(guān)斷開，那么初級線圈電流馬上變?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？

先說明一點，我們常說電感電流不能突變，電容電壓不能突變。這是個結(jié)論，又是怎么來的呢？

我覺得更本質(zhì)的原因應(yīng)該是說能量不能憑空消失，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)?，那意味著磁場能很快沒有了，那一定是轉(zhuǎn)化為別的能量，一般來說就是電場能了。

在沒有專門泄放路徑的情況下，磁場能量只能轉(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，是電感會找到電容，形成新的放電回路，這樣就形成了LC電路蕩起來了啦，能量在L和C之間倒騰來倒騰去，而這個過程中會存在電壓尖峰（會存在一個時刻，電感存的能量為0，能量全在電容里面，此時電壓最高）。

當(dāng)然了，因為實際都不是超導(dǎo)體，肯定有R存在，部分能量變?yōu)闊崮芰耍哉袷幍姆逯狄簿驮絹碓降土恕?/p>

注：上面的說法僅僅是舉個例子，實際電路中各種各樣，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，開關(guān)斷開，此時變壓器發(fā)生了什么呢？

 開關(guān)斷開，初級線圈電流為0，此時磁芯中的磁場能該何去何從呢？

其實并不需要瞬間將磁場能釋放到0，因為有次級線圈的存在。

因為初級線圈和次級線圈是綁在一個磁芯上面的，所以一開始初級線圈通電時，產(chǎn)生的磁通量也全部會穿過次級線圈（忽略漏感）。

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

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

在找到磁場能保持住的原因之前，磁場能肯定是減小的，因為還沒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，在次級線圈上面感應(yīng)到上正下負的電壓，那這個電壓是多少呢？

一方面，這個二極管是一定要導(dǎo)通的。

因為如果二極管不導(dǎo)通，那么次級線圈就沒有電流存在，而初級線圈也沒有電流存在，也就是說還沒找到磁場能保持住的原因（電流是磁場存在的原因），所以磁通量還得降，電壓進一步升高。

另一方面，在次級線圈上面感應(yīng)的電壓不可能很大

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

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

因為接著升高電壓，那么電流會很大，因為我們討論的是一瞬間的事情，電容相當(dāng)于短路的。

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

所以次級線圈的電壓就是Vout+Vd，不會是無窮大。二極管處于導(dǎo)通的狀態(tài)電壓就不會再升了，電流可以根據(jù)W0=1/2*L*I^2計算出來初始值，這里的L為次級線圈的電感量，W0為開關(guān)斷開時磁芯中的磁場能量。

以上的表述只是一個因果關(guān)系，實際這就是一個瞬間的過程。

所以，開關(guān)斷開時，原本由初級線圈電流產(chǎn)生的磁場能量，瞬間由次級線圈中的電流接管，它們是無縫鏈接的。

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

3、開關(guān)斷開后的一段時間

隨后磁場能量被次級的負載慢慢消耗，同時也給電容充電，只要磁場能量不為0，那么次級線圈就必須有電流存在（因為電流是磁場存在的原因）。因此，在下一次開關(guān)接通之前，次級線圈的電壓基本就是Vout+Vd保持不變。

也就是說，開關(guān)斷開后，在下一次開關(guān)接通之前，次級線圈的電壓都是Vout+Vd。

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

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

U初=N*(Vout+Vd)，N為匝數(shù)比。

沒錯，這玩意就是反射電壓。

問題答案

 花了大量的篇幅講了反射電壓，這跟前面的問題有什么關(guān)系嗎？

初級線圈的尖峰抑制電路如果只用一個二極管為什么不行？

其實理解了前面的內(nèi)容，這個問題就很容易了。

如果我們直接接一個二極管，那么在次級線圈感應(yīng)出的電壓達到Vout+Vd之前，初級線圈感應(yīng)的電壓已經(jīng)讓二極管導(dǎo)通了。

因為次級電壓只要達到了（1/N）*Vd，初級電壓就能達到Vd，初級二極管就導(dǎo)通了。磁場能量已經(jīng)找到了釋放的突破口（通過初級的二極管形成的電流回路），將會全部從這個二極管釋放掉，次級線圈的電壓根本就達不到Vout+Vd。

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

所以，在次級二極管導(dǎo)通之前，初級線圈一定不能提前形成較大的電流通路，不然能量都被初級消耗掉了，還如何傳遞給后級負載呢？

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€二極管電路。結(jié)果看到這里，一時想到這問題，就研究了一下。

大家應(yīng)該看出來了吧，這其實就是我的學(xué)習(xí)筆記。