開關(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu)介紹

一 、緒論

開關(guān)電源電路拓撲是指功率器件和電磁元件連接在電路中的方式，而磁性元件設(shè)計、閉環(huán)補償電路以及所有其他電路元件的設(shè)計都依賴于拓撲。 拓撲可分為：開關(guān)型和非開關(guān)型兩大類。其中開關(guān)型拓撲又可以進一步分成兩類——直流變換器和交流變換。

常見的開關(guān)電源拓撲大約有10種，每種拓撲都有自己的特點和適用場合。 在選用時需要注意哪些問題呢?首先是輸入電壓范圍：一般情況下，輸入電壓為220V,240v或380v.其次是負載容量大小及供電方式。 選擇的原則取決于它是大功率還是小功率，輸出低壓輸出高壓輸出還是低，以及是否需要盡可能少的器件。

因此，要正確選擇拓撲，必須熟悉不同拓撲的優(yōu)缺點及其適用范圍。 錯誤的選擇可能會從一開始就給電源設(shè)計帶來厄運。 正確選擇并合理應(yīng)用各種拓撲對于整個電路設(shè)計來說至關(guān)重要。本文將對常見的開關(guān)電源基本拓撲進行詳細介紹，讓讀者能夠更快更好地了解和使用這些拓撲。 開關(guān)電源的10基本拓撲結(jié)構(gòu)，幫助系統(tǒng)掌握各個電路的工作原理和基本特點。

八種開關(guān)電源常見的基本拓撲結(jié)構(gòu)：

BUCK 降壓電路

BOOST 升壓電路

BUCK-BOOST 降壓-升壓電路

FLYBACK 反激電路

PUSH-PULL 推挽電路

HALF BRIDGE 半橋電路

FULL BRIDGE 全橋電路

SEPIC 電路

二、拓撲結(jié)構(gòu)介紹

(一)BUCK 降壓電路

在不考慮帶有寄生參數(shù)的RLGC模型的情況下，一般我們的計算步驟如：

Von * Ton=Voff * Toff –>Vout=D * Vin(占空比D在輸出電壓設(shè)置時已決定)

輸出電感L計算：Von * D/f=L * ΔI(ΔI為所允許的電感紋波電流)

輸出電容CDC計算：ΔU=ΔQ/C=CI * T/8C(ΔU為所允許的輸出紋波電壓)

BUCK 降壓電路特點：

將輸入電壓調(diào)低至較低。

也許是最簡單的電路。

電感/電容濾波器濾平開關(guān)后的方波。

輸出總是小于或等于輸入。

輸入電流不連續(xù) (斬波)。

平滑輸出電流。

(二) BOOST 升壓電路

計算公式如下：

Von * Ton=Voff * Toff –>Vout= (Vout- Vin)/ D

輸出電感L計算：L=(Vin/(f*ΔIL)) * (1-Vin/Vo+Vd)

輸出電容CDC計算：ΔU=(Io/(f*Co)) ((1-Vin/Vo+Vd) +(((Vo+Vd)/Vi) * Io+(Vi/2fL) (1-Vin/Vo+Vd))*ESR

BOOST 升壓電路特點:

把輸入提高到較高的電壓。

與降壓相同，但重新排列了電感、開關(guān)及二極管。

輸出總是比大于或者等于輸入(忽略二極管的正向壓降)。

平滑輸入電流。

輸出電流不連續(xù) (斬波)。

(三)BUCK-BOOST 降壓-升壓電路

計算公式如下：

Vout=(-D/D)*Vin

BUCK-BOOST 降壓電路-升壓電路特點：

另一種排列電感、開關(guān)及二極管方法。

兼有降壓電路和升壓電路的缺點。

輸入電流是不連續(xù)的(斬波)。

輸出電流也是不連續(xù)的(斬波)。

輸出相對于輸入一直是反向的(注意電容的極性)，但是振幅可以小于或者大于輸入。

“反激”變換器實際上是一種降壓-升壓電路隔離(變壓器耦合)。

(四)FLYBACK 反激電路

計算公式如下：

Vout=(-D/n*D)*Vin

FLYBACK 反激電路特點：

工作原理類似于降壓-升壓電路，但電感有兩個繞組，既充當(dāng)變壓器，又充當(dāng)電感。

輸出可以是正的，也可以是負的，這取決于線圈與二極管的極性。

輸出電壓可以大于或者小于輸入電壓，取決于變壓器的匝數(shù)比。

這是最簡單的隔離拓撲結(jié)構(gòu)。

可以通過添加次級繞組和電路來獲得多個輸出。

(五)PUSH-PULL 推挽電路

計算公式如下：

Vout=(D/n)*Vin

PUSH-PULL 推挽電路特點：

開關(guān)(FET)的驅(qū)動不同相，進行脈沖寬度調(diào)制(PWM)以調(diào)節(jié)輸出電壓。

變壓器磁芯利用率較高—在2.5個周期中都傳輸功率。

全波拓撲結(jié)構(gòu)，因此輸出的紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。

施加于FET的電壓為輸入電壓的2倍。

(六)HALF BRIDGE 半橋電路

計算公式如下：

Vout=(D/2*n)*Vin

HALF BRIDGE 半橋電路：

在較大功率轉(zhuǎn)換器中最常用的拓撲結(jié)構(gòu)。

開關(guān)(FET)被驅(qū)動在不同的相位和脈沖寬度調(diào)制(PWM)進行調(diào)節(jié)的輸出電壓。

變壓器磁芯利用率較高—在2.5個周期內(nèi)輸送電力。采用雙極性晶體管作為開關(guān)器件時，可獲得較高的效率;而采用單極性晶體管作開關(guān)器件時則不能實現(xiàn)這一目標(biāo)。這是因為這種開關(guān)器件有可能導(dǎo)致?lián)p耗增大和開關(guān)損耗增加。 初級繞組的利用率高于推挽電路。

全波拓撲結(jié)構(gòu)，因此輸出的紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。

施加在FET上的電壓和輸入電壓相同。

(七)FULL BRIDGE 全橋電路

計算公式如下：

Vout=(D/2*n)*Vin

FULL BRIDGE 全橋電路特點：

最常用于較大功率轉(zhuǎn)換器的拓撲結(jié)構(gòu)。

開關(guān)(FET)沿對角線方向驅(qū)動,采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)來調(diào)節(jié)輸出電壓。

變壓器磁芯利用率高—在2.5個周期內(nèi)傳輸功率。

全波拓撲結(jié)構(gòu)，因此輸出的紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。

施加于FETs的電壓與輸入的電壓相同。

在給定功率下，初級電流是半橋的一半。

(八)SEPIC 電路

計算公式如下：

Vout=(D*Vin)/(1-D)

SEPIC 電路特點：

輸出電壓可以比輸入電壓大或小。

與升壓電路一樣,輸入電流平穩(wěn),但輸出電流是不連續(xù)的.

通過電容將能量從輸入轉(zhuǎn)換為輸出。

需要兩個電感。