常见开关电源拓扑结构“大比武”

一路上

前言

开关电源在电子产品中比较常见，今天给大家分享一下常见开关电源拓扑结构特点和优缺点对比。

常见的拓扑结构，包括Buck降压、Boost升压、Buck-Boost降压-升压、Flyback反激、Forward正激、Two-Transistor Forward双晶体管正激等。

常见的基本拓扑结构

一、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：

二、常见的基本拓扑结构

1、Buck降压

• 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。
  

2、Boost升压

• 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)。
  

3、Buck-Boost降压-升压

• 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。
  

4、Flyback反激

• 如降压-升压电路一样工作，但是电感有两个绕组，而且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。
  

5、Forward正激

• 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。
  

6、Two-Transistor Forward双晶体管正激

• 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。
  

7、Push-Pull推挽

• 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。
  

8、Half-Bridge半桥

• 较高功率变换器极为常用的拓扑结构。
• 开关的驱动不同相，进行脉冲宽度调制以调节输出电压。
• 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。
  

9、Full-Bridge全桥

• 较高功率变换器最为常用的拓扑结构。
• 开关以对角对的形式驱动，进行脉冲宽度调制以调节输出电压。
• 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。
  

10、SEPIC单端初级电感变换器

• 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。
  

11、C’uk(Slobodan C’uk的专利)

• 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。
  

三、电路工作的细节

下面讲解几种拓扑结构的工作细节。

1、Buck-降压调整器-连续导电

• 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)。
  

2、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。

3、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)。
  

4、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, D = 2/3.Vout = 15，D = 2/3.

5、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。

6、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。

7、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)。
  

结语

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。

选择最佳的拓扑结构需要研究：输入和输出电压范围，电流范围，成本和性能、大小和重量之比。