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一文读懂十一种开关电源拓扑结构

发布时间:2024-09-11 点击数:

什么是拓扑呢?所谓电路拓扑就是功率器件和电磁元件在电路中的连接方式,而磁性元件设计,闭环补偿电路设计及其他所有电路元件设计都取决于拓扑。最基本的拓扑是Buck(降压式)、Boost(升压式)和Buck/Boost(升/降压),单端反激(隔离反激),正激、推挽、半桥和全桥变化器。

开关电源的拓扑结构,常见拓扑大约有14种,每种都有自身的特点和适用场合。选择原则是要看是大功率还是小功率,高压输出还是低压输出,以及是否要求器件尽量少等。

因此,要恰当选择拓扑,熟悉各种不同拓扑的优缺点及适用范围是非常重要的。错误的选择会使电源设计一开始就注定失败。下面为大家整理汇总了开关电源20种基本拓扑,帮助系统掌握每种电路结构的工作原理与基本特性。

一、11种开关电源拓扑对比

常见的基本拓扑结构:

■ Buck 降压

■ Boost 升压

■ Buck-Boost 降压-升压

■ flyback 反激

■ Forward 正激

■ Two-Transistor Forward 双晶体管正激

■ Push-Pull 推挽

■ Half Bridge 半桥

■ Full Bridge 全桥

■ SEPIC

■ C’uk


1、Buck 降压 


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特点:(1)把输入降至一个较低的电压(2)可能是最简单的电路(3)电感/电容滤波器滤平开关后的方波(4)输出总是小于或等于输入(5)输入电流不连续 (斩波)(6) 输出电流平滑


   开关管导通阶段:当开关管导通时,电流从输入电源通过电感流向负载。电感在此过程中储存能量,并将其转化为磁能。

   开关管关断阶段:当开关管关断时,电感释放储存的磁能,将其转化为电能,继续为负载供电。此时,电感的正负极会反向,从而维持电流的连续性。


2、Boost 升压



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特点:(1)把输入升至一个较高的电压(2)与降压一样,但重新安排了电感、开关和二极管(3) 输出总是比大于或等于输入(忽略二极管的正向压降)(4)输入电流平滑(5)输出电流不连续 (斩波)

开关管导通阶段:当开关管导通时,输入电压通过电感器对负载供电,同时电感器储存能量。在这个阶段,电感器中的电流逐渐增加,储存能量。 开关管关断阶段:当开关管关断时,电感器试图维持电流的连续性,因此其两端电压极性反转,高于输入电压。电感器释放储存的能量,通过二极管流向负载和输出电容,从而提升输出电压。


3、Buck-Boost 降压-升压


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特点:(1) 电感、开关和二极管的另一种安排方法(2)结合了降压和升压电路的缺点(3) 输入电流不连续 (斩波)(4)输出电流也不连续 (斩波)(5) 输出总是与输入反向 (注意电容的极性),但是幅度可以小于或大于输入(6)“反激”变换器实际是降压-升压电路隔离(变压器耦合)形式

开关管导通阶段:当开关管导通时,输入电压通过电感对负载供电,同时电感储存能量。在这个阶段,电感电流逐渐增加,电感两端电压的方向是左正右负。开关管关断阶段:当开关管关断时,电感释放储存的能量,继续为负载供电。此时,由于电感的自感作用,电流方向反转,电感两端的电压方向变为左负右正。

 

4、Flyback 反激


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特点:(1) 如降压-升压电路一样工作,但是电感有两个绕组,同时作为变压器和电感(2)输出可以为正或为负,由线圈和二极管的极性决定(3)输出电压可以大于或小于输入电压,由变压器的匝数比决定(4) 这是隔离拓扑结构中最简单的(5)增加次级绕组和电路可以得到多个输出

导通阶段(tON):在这个阶段,开关管(如MOSFET)导通,输入电压施加到变压器的原边绕组上,导致电流增加。原边绕组的电流线性增加,同时储存能量在磁芯中。关断阶段(tOFF):当开关管关断时,原边绕组的电流突然停止,这导致磁芯中的能量通过副边绕组释放。副边绕组的电流通过二极管流向输出端,为负载供电并给输出电容充电。

 

5、Forward 正激


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特点:(1)降压电路的变压器耦合形式(2) 不连续的输入电流,平滑的输出电流(3)因为采用变压器,输出可以大于或小于输入,可以是任何极性(4)增加次级绕组和电路可以获得多个输出(5)在每个开关周期中必须对变压器磁芯去磁。常用的做法是增加一个与初级绕组匝数相同的绕组(6)在开关接通阶段存储在初级电感中的能量,在开关断开阶段通过另外的绕组和二极管释放

开关管导通阶段:当开关管导通时,输入电压施加到变压器的原边绕组上,导致原边绕组的电流线性增加,同时储存能量在变压器的磁芯中。 开关管关断阶段:当开关管关断时,原边绕组的电流突然停止,这导致磁芯中的能量通过副边绕组释放。副边绕组的电流通过二极管流向输出端,为负载供电并给输出电容充电。

 

6、Two-Transistor Forward双晶体管正激


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特点:(1) 两个开关同时工作(2)开关断开时,存储在变压器中的能量使初级的极性反向,使二极管导通(3)主要优点:每个开关上的电压永远不会超过输入电压;无需对绕组磁道复位(4) 每个开关上的电压永远不会超过输入电压(5)无需对绕组磁道复位

开关管导通阶段:当两个开关管同时导通时,输入电压施加到变压器的原边绕组上,变压器励磁,储存能量。 开关管关断阶段:当两个开关管同时关断时,变压器释放储存的能量,通过副边绕组向负载供电。此时,桥臂上的两个二极管续流,磁芯去磁,同时磁芯能量返回直流。

 

7、Push-Pull 推挽

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特点:(1)开关(FET)的驱动不同相,进行脉冲宽度调制(PWM)以调节输出电压(2) 良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率(3)全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍(4)施加在FET上的电压是输入电压的两倍

输入信号通过输入耦合电容施加到晶体管的基极或栅极。当输入信号为正时,NPN晶体管导通,提供电流给负载。当输入信号为负时,PNP晶体管导通,从负载中吸取电流。两个晶体管交替工作,确保负载上得到完整且对称的信号。

 

8、Half-Bridge 半桥



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特点:(1)较高功率变换器极为常用的拓扑结构(2)开关(FET)的驱动不同相,进行脉冲宽度调制(PWM)以调节输出电压(3)良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。而且初级绕组的利用率优于推挽电路(4)全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍(4) 施加在FET上的电压与输入电压相等

当一个开关管导通时,另一个开关管关断,这样在输出点OUT就得到从0到VHV的脉冲信号。开关管由反相的信号控制,当一个开关管开时,另一个关断,从而在输出端产生方波信号。由于开关延时的存在,当其中一个管子栅极信号变为低时,它并不会立刻关断,因此一个管子必须在另一个管子关断后一定时间方可开启,以防止同时开启造成的电流穿通,这个时间称为死区时间。

 

9、Full-Bridge 全桥


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特点:(1)较高功率变换器最为常用的拓扑结构(2) 开关(FET)以对角对的形式驱动,进行脉冲宽度调制(PWM)以调节输出电压(3)良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率(4)全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍(5) 施加在FETs上的电压与输入电压相等(6)在给定的功率下,初级电流是半桥的一半

在全桥电路中,当两个角对称的开关管同时导通时,电源正负两极之间的电流通过负载流动,此时负载上会产生正向电压。而当这两个开关管同时截止时,负载上不会有任何电压。当另外两个角对称的开关管导通时,电流方向相反,负载上会产生反向电压。

 

10、SEPIC 单端初级电感变换器




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特点:(1)输出电压可以大于或小于输入电压(2)与升压电路一样,输入电流平滑,但是输出电流不连续(3)能量通过电容从输入传输至输出(4) 需要两个电感

开关管导通阶段:当开关管导通时,输入电压加在主电感器L1上,电流通过L1增加,储存能量。 开关管关断阶段:当开关管关断时,L1中的电流开始减小,其两端电压极性反转,高于输入电压。同时,副电感器L2中的电流增加,储存能量。副电感器L2的能量释放阶段:在开关管再次导通之前,副电感器L2释放其储存的能量,通过二极管D2流向负载和输出电容Cout。能量传输到输出电容Cout:由于L2的存在,能量可以从L1传递到输出端,即使在开关管导通期间也是如此。

 

11、C'uk(Slobodan C'uk 的专利) 


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特点:(1)输出反相(2)输出电压的幅度可以大于或小于输入(3) 输入电流和输出电流都是平滑的(4)能量通过电容从输入传输至输出(5)需要两个电感(6)电感可以耦合获得零纹波电感电流。

开关管导通阶段:当开关管导通时,输入电压通过电感器L1和电容C1,将能量存储在电感器中。开关管关断阶段:当开关管关断时,电感器L1中的能量通过电感器L2和二极管D2释放到负载和输出电容C2,从而产生输出电压。


二、电路工作的细节

面讲解几种拓扑结构的工作细节:

■ 降压调整器:连续导电、临界导电、不连续导电

■ 升压调整器 (连续导电)

■ 变压器工作

■ 反激变压器

■ 正激变压器


1、Buck-降压调整器-连续导电


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特点:

(1)电感电流连续。

(2)Vout是其输入电压 (V1)的均值。

(3)输出电压为输入电压乘以开关的负荷比 (D)。

(4)接通时,电感电流从电池流出。

(5)开关断开时电流流过二极管。

(6)忽略开关和电感中的损耗, D 与负载电流无关。

(7)降压调整器和其派生电路的特征是:输入电流不连续 (斩波), 输出电流连续 (平滑)。

 

2、Buck-降压调整器-临界导电


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特点:

(1)电感电流仍然是连续的,只是当开关再次接通时 “达到”零,这被称为 “临界导电”。输出电压仍等于输入电压乘以 D。


3、Buck-降压调整器-不连续导电


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特点:

(1)在这种情况下,电感中的电流在每个周期的一段时间中为零。

(2)输出电压仍然 (始终)是 v1 的平均值。

(3)输出电压不是输入电压乘以开关的负荷比 (D)。

(4)当负载电流低于临界值时,D 随着负载电流而变化(而 Vout 保持不变)。

 

4、Boost 升压调整器



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特点:

(1)输出电压始终大于(或等于)输入电压。

(2)输入电流连续,输出电流不连续(与降压调整器相反)。

(3)输出电压与负荷比(D)之间的关系不如在降压调整器中那么简单。在连续导电的情况下:

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在本例中,Vin = 5,Vout = 15, and D = 2/3. Vout = 15,D = 2/3.


5、变压器工作(包括初级电感的作用)


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特点:

(1)变压器看作理想变压器,它的初级(磁化)电感与初级并联。


6、反激变压器


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特点:

(1)此处初级电感很低,用于确定峰值电流和存储的能量。当初级开关断开时,能量传送到次级。


7、Forward 正激变换变压器


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特点:

(1)初级电感很高,因为无需存储能量。磁化电流(i1)流入 “磁化电感”,使磁芯在初级开关断开后去磁(电压反向)。

三、总结

本文回顾了目前开关式电源转换中最常见的电路拓扑结构。除此之外还有许多拓扑结构,但大多是这些拓扑的组合或变形。每种拓扑结构包含独特的设计权衡:施加在开关上的电压,斩波和平滑输入输出电流,绕组的利用率。