抑制尖峰，為什么不能只用一個二極管搞定？
轉自公眾號：硬件工程師煉成之路
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，下面看看開關過程。
1、在開關接通的時候
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，可以當次級線圈不存在（當然前提是忽略其它寄生參數的影響，現在的電路模型中各個元器件看作是理想的）。
我們去掉次級線圈，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、開關斷開瞬間
開關斷開，那么初級線圈電流馬上變為0（不考慮漏感及其它寄生參數）。
我們常說電感電流不能突變，那現在豈不是突變了嗎？那還玩個屁？
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。這是個結論，又是怎么來的呢？
我覺得更本質的原因應該是說能量不能憑空消失，只能相互轉化，從一種能量轉化為另外一種能量。
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為0，那意味著磁場能很快沒有了，那一定是轉化為別的能量，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，所以根據電場能公式1/2*C*U^2，如此，便導致電壓U非常大。
或者更準確的說，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）。
當然了，因為實際都不是超導體，肯定有R存在，部分能量變為熱能了，所以振蕩的峰值也就越來越低了。
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，開關斷開，此時變壓器發生了什么呢？
開關斷開，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，是產生高壓變成電場能嗎？
往哪里轉移我們先不管，總之一點就是，沒有了電源來輸入，并且初級線圈已經沒電流啦，它不能成為磁場能持續存在的原因，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。
根據電磁感應定律，磁通量減小，在次級線圈上面感應到上正下負的電壓，那這個電壓是多少呢？
一方面，這個二極管是一定要導通的。
因為如果二極管不導通，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，電容相當于短路的。
電流很大，那么磁芯中的磁場能根據公式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。二極管處于導通的狀態電壓就不會再升了，電流可以根據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為開關斷開時磁芯中的磁場能量。
以上的表述只是一個因果關系，實際這就是一個瞬間的過程。
所以，開關斷開時，原本由初級線圈電流產生的磁場能量，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，初級線圈電流突變為0，次級線圈電流突然就有了。
3、開關斷開后的一段時間
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，開關斷開后，在下一次開關接通之前，次級線圈的電壓都是Vout+Vd。
這個電壓是怎么產生的呢？是由于磁芯中磁通量的減小感應出的。
初級線圈和次級線圈繞在同一個磁芯上面。次級線圈感應出的電壓是Vout+Vd，根據匝數比，那么初級線圈感應出的電壓就是：
U初=N*(Vout+Vd)，N為匝數比。
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出的電壓達到Vout+Vd之前，初級線圈感應的電壓已經讓二極管導通了。
因為次級電壓只要達到了（1/N）*Vd，初級電壓就能達到Vd，初級二極管就導通了。磁場能量已經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通，次級線圈電流一直為0，最終的結果可想而知，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。
結尾
本節內容就到這里了，原本我是想找幾個二極管電路。結果看到這里，一時想到這問題，就研究了一下。
大家應該看出來了吧，這其實就是我的學習筆記。
