一文读懂二十种开关电源拓扑结构(建议收藏)

嵌入式ARM 2021-07-25 19:55


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


END

来源:网络

版权归原作者所有,如有侵权,请联系删除。

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