5种经典开关电源拓扑结构

开关电源电路拓扑结构目录�开关电源拓扑结构综述�开关电源分类�非隔离式拓扑举例BUCKBOOSTBUCK-BOOST�隔离式拓扑举例正激式反激式开关电源拓扑结构综述�开关电源主要包括主回路和控制回路两大部分�主回路是指开关电源中功率电流流经的通路。主回路一般包含了开关电源中的开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器、等所有功率器件，以及供电输入端和负载端。�控制回路一般采用PWM控制方式，通过输出信号和基准的比较来控制主回路中的开关器件开关电源分类�开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。�非隔离——输入端与输出端电气相通，没有隔离。1、串联式结构是指在主回路中，相对于输入端而言，开关器件与输出端负载成并联连接的关系。例如buck拓扑型开关电源就是属于串联式的开关电源2、并联式结构是指在主回路中，相对于输入端而言，开关器件与输出端负载成并联连接的关系。例如boost拓扑型开关电源就是属于串联式的开关电源3、极性反转结构是指输出电压与输入电压的极性相反。电路的基本结构特征是：在主回路中，相对于输入端而言，电感器L与负载成并联。Buck-boost拓扑就是反极性开关电源隔离式电路的类型�隔离——输入端与输出端电气不相通，通过脉冲变压器的磁偶合方式传递能量，输入输出完全电气隔离单端——通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器；隔离室电路主要分为正激式和反激式两种�正激式：就是只有在开关管导通的时候，能量才通过变压器或电感向负载释放，当开关关闭的时候，就停止向负载释放能量。目前属于这种模式的开关电源有：串联式开关电源，buck拓扑结构开关电源，激式变压器开关电源、推免式、半桥式、全桥式都属于正激式模式。�反激式：就是在开关管导通的时候存储能量，只有在开关管关断的时候释放才向负载释放能量。属于这种模式的开关电源有：并联式开关电源、boots、极性反转型变换器、反激式变压器开关电源。非隔离式拓扑举例�BUCK拓扑�BOOST拓扑�BUCK-BOOST拓扑BUCK降压电路�上图是BUCK电路的经典模型。晶体管，二极管，电感，电容和负载构成了主回路，下方的控制回路一般采用PWM芯片控制占空比决定晶体管的通断。�BUCK电路的功能：把直流电压Ui转换成直流电压Uo，实现降压的目的BUCK拓扑的精简模型�上图是简化之后的BUCK电路主回路。下面分析输出电压的产生1、K闭合后，D关断，电流流经L，L是储能滤波电感，它的作用是在K接通Ton期间限制大电流通过，防止输入电压Ui直接加到负载R上，对R进行电压冲击，同时把电感电流IL转化成磁能进行能量存储；与R并联的C是储能滤波电容，如此R两端的电压在Ton期间是稳定的直流电压2、在K关断期间Toff，L将产生反电动势，流过电流IL由反电动势eL的正极流出，通过负载R，再经过续流二极管D，最后回到反电动势eL的负极。由于C的储能稳压，Toff阶段的输出电压Uo也是稳定的直流电压K闭合时，L两端有压降，意味着UoUi,BUCKBUCKBUCKBUCK电路一定是降压电路工作过程分析�工作过程：11、当、当KK导通时导通时→→ILIL线性增加，线性增加，D1D1截止截止→→此时此时ILIL和和CC向负载供电向负载供电��当当ILIL＞＞IoIo时，时，ILIL向向CC充电也向负载供电充电也向负载供电��22、当、当KK关断时关断时→→LL通通过过D1D1形成续流回路，形成续流回路，��ILIL向向CC充电也向负充电也向负载供电载供电→→当当ILIL﹤﹤IoIo时，时，LL和和CC同时向负载供电。同时向负载供电。��若若ILILILILILILILIL减小到减小到00000000,,则则DD关断，只有关断，只有CC向负载供电向负载供电CCM,DCM�由工作过程分析可以得知，IL可能会出现断流的情况。�通常我们把电流连续的模式称为CCM模式，电流断续的模式称为DCM模式。当然也有两者之间的临界情况BCM模式�下面就将按照以上三种模式对电路做具体的分析。�注意：Uo,Io作为输出电压电流，均认为是稳定的直流量。CCM，DCM模式下的各点电压�在K关断期间，IL线性下降，若周期结束即K导通瞬间IL不等于0，则IL呈现左侧图(c)中的波形，电流连续。若K导通之前IL就已经降为0，IL就会呈现断流的情形，为右侧图（c）的波形。临界情况下的电路各点波形从电路结构可以看出IL的平均值就是输出电流Io,ΔIL为IL在本周期内的最大变化值。观察上图的波形可以发现，当电流刚好处在临界状态时，0.5ΔIL=Io，分析化简之后可以等效为τ=（1-D1）/2，τ=L/RTs0.5ΔILIo时，即τ（1-D1）/2，Io处在连续的状态。0.5ΔILIo时，即τ（1-D1）/2，Io则会出现断流的情况。电压增益比M(CCM)�电流连续时τL/RTs，，（通常定义D1为K导通D关断的时段0到T1占Ts的比例，D2为K关断D导通的时段T1到T2占Ts的比例）此时D1+D2=1。1式2式相等，可以得到M=Vo/Vs=D1,由此处可知BUCK电路是一种降压电路，输出小于输入)1(11110式TsDLVoVitLVoVidtLVoViilt−=−=−=∆∫)2(2)12(221式TsDLVottLVodtLVoiltt=−==∆∫电压增益比M（DCM）�ΤL/RTs,同CCM模式相似，同样可以由1式2式相等，得到M=Vo/Vs=D1/(D1+D2)，此时D1+D21。�又有Io是IL在Ts内的平均值，即IL等腰三角形面积在Ts时间内的平均值，并且等于Vo/R.固有Io=[0.5(D1+D2)Ts(Vs-Vo)D1Ts/L]/Ts=Vo/R,两式联合可以解得,218112DVsVoMτ++==RTsL=τ临界情况下，M的计算用以上两种模式下任一种都可以，这里就不做分析了。电流连续与否是由0.5ΔIL和Io的大小关系决定的,调节占空比D1D1D1D1或负载，有可能使工作模式在CCM和DCM模式之间发生转换。CCM模式下，电压增益M就是占空比D1，DCM模式下，电压增益M和占空比D1则呈现非线性关系。总体上来看，随着D1的增大M值会增加。BUCK电路的效率问题�一般而言，BUCK电路的损耗可以分为导通状态下的直流损耗和导通过程中的交流损耗。�其中直流损耗主要是指晶体管T和二极管D在直流导通情况下，自身压降同流过电流的压降�交流损耗则主要集中在开关管T上（不考虑二极管因为其通断时间很短）。通常在开断过程中，T上的电流电压升降是需要时间的，若电流电压同时上升下降并同时结束则交流损耗最小，若电流变化结束电压才开始变化，则整个开断时间最长损耗最大，效率也最低。�经过计算可得：E=1/（Po+Pdc+Pac）=Vo/(Vo+1+KVsIoTn/Ts),K是个变值BOOST拓扑�稳定电压输出的形成：�当K接通时，Ui开始对L充电，流过L的电流iL开始增加，同时电流在L中也要产生反电动势eL，C向R放电，形成稳定电压Uo�当K由接通转为关断的时候，为了保持励磁不变，L也会产生反电动势eL。eL反电动势的方向与开关K关断前的方向相反，但与电流的方向相同,在控制开关K两端的输出电压uo等于输入电压Ui与反电动势eL之和。�在开关关断Toff期间，K关断，L把电流iLm转化成反电动势，与输入电压Ui串联迭加，通过整流二极管D继续向负载R提供能量，R两端形成稳定电压输出Uo=Ui+El�BOOST输出电压高于输入，是一个升压电路工作过程分析��工作过程：工作过程：��11、当、当KK导通时导通时→→ILIL线性增加，线性增加，DD截止此截止此时时CC向负载供电向负载供电��22、当、当KK关断时关断时→→UlUl和和UiUi串联，以高于串联，以高于UoUo的电压向的电压向CC充电同充电同时向负载供电，此时时向负载供电，此时DD导通导通,IL,IL逐渐减小逐渐减小��若若ILILILILILILILIL减小到减小到00000000，则，则DD截止，只有截止，只有CC向负载向负载供电供电CCM和DCM模式下的各点电压��由上可知由上可知BOOSTBOOST电路也会出现电感电流断续的情况，即电路也会出现电感电流断续的情况，即也有也有CCMCCM和和DCMDCM两种模式，各点电压分别如左右所示两种模式，各点电压分别如左右所示��在在DCMDCM模式下若模式下若ILIL值逐渐减小到值逐渐减小到IoIo，则，则CC和和LL同时向负载放同时向负载放电，电，��若若ILIL值继续减小直至值继续减小直至00，则，则DD关断，只有关断，只有CC向负载放电，直向负载放电，直到下次周期开始到下次周期开始电感电流连续的临界条件�同BUCK电路相似，也可以从电压图形中分析出BOOST电路临界（BCM）的条件，即当IL的平均值就是输出电流Is,ΔIL为IL在本周期内的最大变化值。�观察上图的波形可以发现，当电流刚好处在临界状态时，0.5ΔIL=Io，分析化简之后可以等效为，τ=0.5D1(1-D1)(1-D1)τ=L/RTs�τ0.5D1(1-D1)(1-D1)时，Io处在连续的状态。�Τ0.5D1(1-D1)(1-D1)时，Io则会出现断流的情况。CCM模式下的电压增益�τ0.5D1(1-D1)(1-D1)时，IL连续,IL的上升部分为ΔIL1=ViD1Ts/L,IL的下降部分为ΔIL2=-（Vo-Vi）D2Ts/L，�D1是K闭合，D导通的时间Ton占总周期Ts的比例，D2是K关断，D截止的时间Toff占总周期Ts的比例�由以上两式相等可以得到电压增益M=Vo/Vi=1/(1-D1)，此时D1+D2=1�由此处可知BOOST电路是一种升压电路，输入小于输出DCM模式下的电压增益比�τ0.5D1(1-D1)(1-D1)时，IL不连续,同样利用IL的上升部分同下降部分相等可以得到电压增益M=（D1+D2）/D2�此时D1+D21，又有IL在Ts内的平均值是Is,Is=Vs(D1+D2)D1Ts/2L=MIo.�从以上两式可以得到τ=L/RTsττ215.02/12112DDM+≈++=电压增益比M分析�电路的工作模式是由τ=L/RTs同D1代数关系式0.5D1(1-D1)(1-D1)相对大小决定的，两者的关系见右上图。�由图形关系可以看出，当τ0.074时，无论D1如何变化都工作在连续区域。当τ0.074时，D1在某一区间内不连续状态，除此为连续状态�CCM和DCM模式下的增益比M同D1的关系见右下图供能模式问题�下面谈一谈BOOST电路的供能模式问题，当K闭合的时候，是由C向负载供电的，而当K打开时，情况就比较复杂了，可以分为CISM完全电感供能模式和IISM不完全电感供能模式�当电路在DCM下，K打开一定不是完全由电感供能，即IISM.当IL小于Io时，L和C同时向R供电，当IL断流为0时，更是只由C向R供电CCM模式下的供能�在CCM模式下，情况则比较复杂，若Io小于IL的最小值，则K断开之后，L始终是向C和R同时供电，即处于CISM状态下�若Io大于IL的最小值，即与IL有交点，则当IL下降到Io以下，C开始放电，L和C同时向R供能。�核心在于IL和Io大小关系BUCK-BOOST拓扑�上图是BUCK-BOOST拓扑的精简模型�输出电压的产生：当K接通的时候，Ui开始对L加电，流过L的电流开始增加，同时电流在L中也要产生磁场；当K由接通转为关断的时候，L会产生反电动势，使电流继续流动，并通过整流二极管D进行整流，再经C储能滤波，然后向负载R提供电流输出。控制开关K不断地反复接通和关断过程，在负载R上就可以得到一个负极性的电压输出。BUCK-BOOSTBUCK-BOOSTBUCK-BOOSTBUCK-BOOST输出的是一个反极性的电压工作过程分析��11、当、当KK导通时导通时→→ILIL线性线性增加，增加，D1D1截止此时截止此时CC向向负载供电负载供电��22、当、当KK截止时截止时→→D1D1导导通通,L,L通过通过DD、、CC形成续流形