种经典开关电源拓扑结构(1)

常见的开关电源拓扑结构本文主要讲述了常见的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。

上图是常见的基本拓扑结构。

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：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。

开关电源拓扑结构回顾Lloyd H·Dixon Jr前言本文回顾了在开关电源中常用的三种基本电路系列即降压变换电路、升压变换电路和反激（或升降压）电路的特性，这三种电路均可以工作于电感断流或续流模式下。

工作方式的选择对整体电路特性有很大的影响。

所使用的控制方式也能有助于减少与拓扑和工作模式相关的问题。

三种以恒频率工作的控制方法包括：直接占空比控制、电压前馈、和电流模式（双环）控制。

本文还论述了三个基本电路的一些扩展，以及每种拓扑、工作模式、组合控制方法的相对优点。

一、三种基本拓扑结构：三种基本的拓扑结构降压式，升压式，反激式如图1所示。

串联式变换器（CUK）是反激式拓扑的倒置（不宜翻译为逆变，因其意思为DC－AC的变换），不作论述。

这三种不同的开关电路使用了三种相同的元件：电感，晶体管（晶体管包括三极管及MOSFET）和二极管，但是使用了不同的安放方式，（输出电容是滤波元件，不是开关电路的一部分）。

理论上，还有另外三种由这三种元件组成的T型结构的电路，但这三种是前面三种电路的简单镜像和在相反方向的耦合能量。

有一条在任何运行模式和控制方式下都适用于上述三种电路拓扑的原则：在稳态运行下，在每个开关周期内，电感两端的平均电压必须为零，否则平均感应电流将会改变，违反稳态前提。

三种基本电路系列的每一个在输入和输出电压、电流、占空比之间都有一个确定的关系。

例如：降压调整器的功能是使输出电压V0小于输入电压Vin，并和它Vin 有相同的极性。

升压电路的作用是使V大于Vin，并且有相同的极性。

反激拓扑电路的作用是使V0既可大于也可小于Vin，但是两者极性相反。

二、断流工作模式：在电感电流断续方式下，或者说“断流模式”下，降压、升压和反激电路的动作方式是相似的，电感电流在每个开关周期的最后部分期间为零（因此不连续）。

在每个周期的开始部分，感应电流从零增加，从输入端得到储存能量。

在周期的第二部分，所有储存的能量通过负载泄放，从输入端汲取能量到输出端。

开关电源拓扑结构开关电源拓扑结构一、定义：开关电源拓扑结构，也称为直流-直流转换器，通常采用小尺寸和轻质的结构，可以将低压或中压的电源转换成更高的直流电压或功率。

它具有体积小、重量轻、效率高、失真小等优点，在日常生活中被广泛应用。

二、组成：开关电源拓扑结构的基本构成包括：输入电路、开关模块、驱动电路、高压变换器、低压变换器、散热器、比较器、控制单元和数显仪等。

1.输入电路：采用有趣磁型滤波电路，具有较好的抗干扰能力，能够有效抑制工频信号，为开关模块提供稳定的电源。

2.开关模块：采用开关变换方式，它是实现输入电压转换成输出电压的基本组件。

3.驱动电路：开关模块的正常工作需要依赖于良好的驱动电路，它的信号周期必须严格控制，以实现电压和功率的平稳转换。

4.高压变换器：变换器的核心部分，也是实现电压转换的重要组件，通常采用电感和电容的加减容组合，以实现输入和输出电压的高效转换。

5.低压变换器：主要配合高压变换器，通过其核心部分电容，对输出电压进行必要的补偿，实现输出电压的平稳变换，保证输出电压的平稳性。

6.散热器：散热器的作用是控制过程中的温度，以防止开关模块过热，发生负载非线性等不良现象。

7.比较器：根据负责负荷管理的外部参数，通过比较器对外围负载信号进行实时修正，以实现轻负荷和小信号振荡的功率幅度调节。

8.控制单元：负责实时调整驱动电路和散热器的信号，以保证正常的电源、散热和负载控制。

9.数字显示仪：它通常是比较器的表示，而数字显示仪则是总结比较器的信息的必要工具，以便调节者实时了解相关信息。

三、优势和应用1.优势：开关电源拓扑结构体积小、重量轻、抗干扰性好、效率高，具有波形失真小、可靠性好、节能效率高、温度补偿能力强等优点。

2.应用：开关电源拓扑结构宽泛地用于医疗设备，汽车、航空航天、工厂自动化设备等场景，得到了越来越多的认可与应用，预计将会在未来领域发挥重要作用。

《精通开关电源设计》笔记三种基础拓扑（buck boost buck-boost ）的电路基础： 1， 电感的电压公式dtdILV =＝T I L ∆∆，推出ΔI ＝V ×ΔT/L2， sw 闭合时，电感通电电压V ON ，闭合时间t ON sw 关断时，电感电压V OFF ，关断时间t OFF3， 功率变换器稳定工作的条件：ΔI ON ＝ΔI OFF 即，电感在导通和关断时，其电流变化相等。

那么由1，2的公式可知，V ON ＝L ×ΔI ON /Δt ON ，V OFF ＝L ×ΔI OFF /Δt OFF ，则稳定条件为伏秒定律：V ON ×t ON ＝V OFF ×t OFF4， 周期T ，频率f ，T ＝1/f ，占空比D ＝t ON /T ＝t ON /（t ON ＋t OFF ）→t ON ＝D/f ＝TD→t OFF ＝（1－D ）/f电流纹波率r P51 52r ＝ΔI/ I L ＝2I AC /I DC 对应最大负载电流值和最恶劣输入电压值ΔI ＝E t /L μH E t ＝V ×ΔT （时间为微秒）为伏微秒数，L μH 为微亨电感，单位便于计算 r ＝E t /（ I L ×L μH ）→I L ×L μH ＝E t /r →L μH ＝E t /（r* I L ）都是由电感的电压公式推导出来 r 选值一般0.4比较合适，具体见 P53电流纹波率r ＝ΔI/ I L ＝2I AC /I DC 在临界导通模式下，I AC ＝I DC ，此时r ＝2 见P51 r ＝ΔI/ I L ＝V ON ×D/Lf I L ＝V O ＦＦ×（1－D ）/Lf I L →L ＝V ON ×D/rf I L 电感量公式：L ＝V O ＦＦ×（1－D ）/rf I L ＝V ON ×D/rf I L 设置r 应注意几个方面：A,I PK ＝（1＋r/2）×I L ≤开关管的最小电流，此时r 的值小于0.4，造成电感体积很大。

开关电源的拓扑结构开关电源的拓扑结构是指功率变换电路的结构，也就是DC/DC变换器的结构。

拓扑结构不同，与之配套的PWM控制器类型和输出整流/滤波电路也有差异。

拓扑结构也基本决定了开关电源的工作原理及输出特性。

本章将对开关电源常用的拓扑结构及工作原理进行详细介绍，以便读者在设计、制作开关电源时选用。

第一节降压式变换器降压式变换器亦称Buck变换器，是最常用的DC/DC变换器之一。

降压式DC/DC变换器能将一种直流电压变换成更低的直流电压。

例如它可将+24V电源变换成+15V、+12V或+5V 电源，并且在变换过程中的电源损耗很小，在分布式电源系统中经常会用到。

1、降压式DC/DC变换器的拓扑结构降压式DC/DC变换器的拓扑结构如图2-1-1所示。

图中的开关S用来等效功率开关管，U1为直流输入电压，U o为直流输出电压，VD为续流二极管，L为输出滤波电感(也称储电感)，C为输出滤波电容。

当S闭合时除向负载供电之外，还有一部分电能储存于电感L和电容C 中，L上的电压为U L，其极性是左端为正、右端为负，此时续流二极管VD截止。

当S断开时，L上产生极性为左端负、右端正的反向电动势，使得VD导通，L中的电能继续传送给负载和电容C。

降压式DC/DC变换器在功率开关管导通时向负载传输能量，属于正激式DC/DC 变换器。

图2-1-1 降压式DC/DC变换器的拓扑结构2、降压式DC/DC变换器的工作原理降压式DC/DC变换器可用一只NPN型功率开关管VT（或N沟道功率场效应管MOSFET）作为开关器件S，在脉宽调制(PWM)信号的控制下，使输入电压交替地接通、断开储能电感L。

降压式变换器的简化电路如图2-1-2(a)所示，脉宽调制信号控制功率开关管VT的导通与截止。

图2-1-2(b)、(c)显示出了开关闭合、断开时的电流路径。

图2-1-2 降压式DC/DC变换器的工作原理简化电路；(b)开关闭合时的电流路径；(c)开关断开时的电流路径当开关闭合时续流二极管VD截止，由于输入电压U1与储能电感L接通，因此输入---输出压差(U1---U o)就加在电感L上，使通过L的电流I L线性地增加。

开关电源典型拓扑
开关电源是一种常见的电源系统，其中典型的拓扑结构包括：1. 单端升压式（Boost）开关电源：该电路通过一个开关管切换电源电压，产生高于输入电压的输出电压。

一般将此电路用于需要减小内阻、提升整机效率的场合。

2. 单端降压式（Buck）开关电源：该电路同样通过一个开关管切换电源电压，但产生低于输入电压的输出电压。

此电路用于减小电压而提升电流，适用于很多操作。

3. 变换式（Flyback）开关电源：该电路通过开关闭合来储存能量，随后把储存的能量传送到输出绕组，通过电感、变压器实现电能转换的拓扑系统，一般适用于中等功率的场合。

4. 直流-直流（DC-DC）转换器：该电路通过开关闭合快速切换电源电压，将高电压转换为低电压，从而实现不同电压级别的环路控制的拓扑。

常见于移动设备、工业控制以及电子电源等领域。