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二十种开关电源电路拓扑图解

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 楼主| 发表于 2022-12-30 12:16:38 | 显示全部楼层 |阅读模式
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本帖最后由 我是吃货 于 2022-12-30 12:22 编辑

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、20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
  二、基本的脉冲宽度调制波形
  这些拓扑结构都与开关式电路有关,基本的脉冲宽度调制波形定义如下:
  
  三、Buck 降压
  
  特点:
  ■ 把输入降至一个较低的电压
  ■ 可能是最简单的电路
  ■ 电感/电容滤波器滤平开关后的方波
  ■ 输出总是小于或等于输入
  ■ 输入电流不连续 (斩波)
  ■ 输出电流平滑
  四、Boost 升压
  
  特点:
  ■ 把输入升至一个较高的电压
  ■ 与降压一样,但重新安排了电感、开关和二极管
  ■ 输出总是比大于或等于输入(忽略二极管的正向压降)
  ■ 输入电流平滑
  ■ 输出电流不连续 (斩波)
  五、Buck-Boost 降压-升压
  
  特点:
  ■ 电感、开关和二极管的另一种安排方法
  ■ 结合了降压和升压电路的缺点
  ■ 输入电流不连续 (斩波)
  ■ 输出电流也不连续 (斩波)
  ■ 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
  ■ “反激”变换器实际是降压-升压电路隔离(变压器耦合)形式。
  六、Flyback 反激
  
  特点:
  ■ 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
  ■ 输出可以为正或为负,由线圈和二极管的极性决定。
  ■ 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。
  ■ 这是隔离拓扑结构中最简单的
  ■ 增加次级绕组和电路可以得到多个输出
  七、Forward 正激
  
  特点:
  ■ 降压电路的变压器耦合形式。
  ■ 不连续的输入电流,平滑的输出电流。
  ■ 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。
  ■ 增加次级绕组和电路可以获得多个输出。
  ■ 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。
  ■ 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。
  八、Two-Transistor Forward双晶体管正激
  
  特点:
  ■ 两个开关同时工作。
  ■ 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。
  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。
  九、Push-Pull 推挽
  
  特点:
  ■ 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。
  ■ 良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。
  ■ 全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。
  ■ 施加在FET上的电压是输入电压的两倍。
  十、Half-Bridge 半桥
  
  特点:
  ■ 较高功率变换器极为常用的拓扑结构。
  ■ 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。
  ■ 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。
  ■ 全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。
  ■ 施加在FET上的电压与输入电压相等。
  十一、Full-Bridge 全桥
  
  特点:
  ■ 较高功率变换器最为常用的拓扑结构。
  ■ 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。
  ■ 良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。
  ■ 全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。
  ■ 施加在FETs上的电压与输入电压相等。
  ■ 在给定的功率下,初级电流是半桥的一半。
  十二、SEPIC 单端初级电感变换器
  
  特点:
  ■ 输出电压可以大于或小于输入电压。
  ■ 与升压电路一样,输入电流平滑,但是输出电流不连续。
  ■ 能量通过电容从输入传输至输出。
  ■ 需要两个电感。
  十三、C‘uk(Slobodan C’uk 的专利)
  
  特点:
  ■ 输出反相
  ■ 输出电压的幅度可以大于或小于输入。
  ■ 输入电流和输出电流都是平滑的。
  ■ 能量通过电容从输入传输至输出。
  ■ 需要两个电感。
  ■ 电感可以耦合获得零纹波电感电流。
  十四、电路工作的细节
  下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
  十五、Buck-降压调整器-连续导电
  
  特点:
  ■ 电感电流连续。
  ■ Vout是其输入电压 (V1)的均值。
  ■ 输出电压为输入电压乘以开关的负荷比 (D)。
  ■ 接通时,电感电流从电池流出。
  ■ 开关断开时电流流过二极管。
  ■ 忽略开关和电感中的损耗, D 与负载电流无关。
  ■ 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)。
  十六、Buck-降压调整器-临界导电
  
  ■ 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。
  十七、Buck-降压调整器-不连续导电
  
  ■ 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。
  ■ 输出电压仍然 (始终)是 v1 的平均值。
  ■ 输出电压不是输入电压乘以开关的负荷比 (D)。
  ■ 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)。
  十八、Boost 升压调整器
  
  ■ 输出电压始终大于(或等于)输入电压。
  ■ 输入电流连续,输出电流不连续(与降压调整器相反)。
  ■ 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:
  
  在本例中,Vin = 5,Vout = 15, and D = 2/3. Vout = 15,D = 2/3.
  十九、变压器工作(包括初级电感的作用)
  
  ■ 变压器看作理想变压器,它的初级(磁化)电感与初级并联。
  二十、反激变压器
  
  ■ 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。
  二十一、Forward 正激变换变压器
  
  ■ 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)。
  二十二、总结
  ■ 此处回顾了目前开关式电源转换中最常见的电路拓扑结构。
  ■ 还有许多拓扑结构,但大多是此处所述拓扑的组合或变形。
  ■ 每种拓扑结构包含独特的设计权衡:1)施加在开关上的电压2)斩波和平滑输入输出电流3)绕组的利用率
  ■ 选择最佳的拓扑结构需要研究:1)输入和输出电压范围2)电流范围3)成本和性能、大小和重量之比
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