详解开关电源的拓扑结构

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

　　审核编辑：汤梓红