开关电源三大拓扑
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干货图文列举具有代表性的开关电源拓扑结构1、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:2、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。
3、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)。
4、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。
5、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。
6、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。
7、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。
8、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。
DC-DC电源拓扑及其工作模式讲解一、DC-DC电源基本拓扑分类:开关电源的三种基本拓扑结构有Buck、Boost、Buck-boost(反极性Boost)。
如果电感连接到地,就构成了升降压变换器,如果电感连接到输入端,就构成了升压变换器。
如果电感连接到输出端,就构成了降压变换器。
基本拓扑图如下:1.Buck2.Boost3.Buck-Boost二、DC-DC复杂拓扑结构1.反激隔离电源(FlyBack)另外有些隔离电源拓扑就是通过基本拓扑增加变压器或者变化得到的,例如反激隔离电源(FlyBack)。
2.Buck+Boost拓扑本质是用一个降压“加上”一个升压,来实现升降压。
SEPIC拓扑:集成了Boost和Flyback拓扑结构3.Cuk、Sepic、Zeta拓扑通过基本拓扑直接组合,形成了三个有实用价值的拓扑结构:Cuk、Sepic、Zeta。
Cuk的本质是Boost变换器和Buck变换器串联,Sepic的本质是Boost和Buck-Boost串联,Zeta可以看成Buck和Buck-Boost串联。
但是里面有些细节按照电流的方向在演进的过程中调整了二极管的方向,两极串联拓扑节省了复用的器件。
通过这样串联和演进,产生了新的三个电源拓扑。
同时,如果我们把同步Buck拓扑串联同步Boost可以形成四开关Buck-Boost拓扑。
4.四开关Buck-Boost拓扑同时,如果我们把同步Buck拓扑串联同步Boost可以形成四开关Buck-Boost拓扑5.反激、正激、推挽拓扑的演进利用变压器代替电感,可以把Boost演进为一个新拓扑FlyBack即反激变换器(反激的公式来看又是很像Buck-Boost,这里变压器不同于电感,也有说法会说反激是Buck-Boost变过来的)。
可以把Buck电路的开关通过一个变压器进行能量传递,就形成正激变换器。
将两个正激变换器进行并联,可以形成推挽拓扑。
正激的变压器,是直接输送能量过去,而不是像反激变压器那样传递能量。
《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。
开关电源三大基础拓扑开关电源三大基础拓扑为:Buck、Boost、Buck-Boost,大部分开关电源都是采用这几种基础拓扑或者其对应的隔离方式。
拓扑的分类取决于电感的连接方式。
当我们在电路中设置合适的参考地后,可以得到三个端子:输入端、输出端、地。
若电感一端与地相连,得到buck-boost电路;若与输入端相连,得到boost电路;若与输出端相连,得到buck电路。
三种电路拓扑的小结Buck电路:占空比D≈VO/VIN ,输出电流IO=电感电流IL,电感电流IL额定值≥1.2IL,正输入负输出/负输入正输出;Boost电路:占空比D≈(VO-VIN)/VO,输出电流IO=电感电流IL(1-D),电感电流IL额定值≥1.2IL,提高输入的值,不改变输入极性;Buck-boost电路:占空比D≈VO/(VO+VIN),输出电流IO=电感电流IL(1-D),电感电流IL额定值≥1.2IL,降低输入的值,不改变输入极性。
各类拓扑下的器件选用一、电感的设计对buck拓扑,一般在输入电压最大值Vimax(即占空比最小值Dmin)下设计电感。
将电流纹波率r设置为0.3~0.4。
对buck-boost、boost拓扑,一般在输入电压最小值Vimin(即占空比最大值Dmax)下设计电感。
将电流纹波率r设置为0.3~0.4。
二、二极管的选用1、所选二极管的额定电流至少等于最恶劣平均电流的两倍。
对buck拓扑,ID≥2I0(1-Dmin);对buck-boost、boost拓扑, ID≥2I0。
2、所选二极管的额定电压至少比最恶劣二极管电压大20%。
对buck拓扑,VD≥1.2Vimax;对boost拓扑,VD≥1.2Vo , Vo为输出电压;对buck-boost拓扑,VD≥1.2(Vimax+ Vo)。
三、开关管的选用1、由P=UI,得开关管有效电流值输入电压最小值Vimin(即占空比最大值Dmax)处最大。
2、所选开关管的额定电流至少等于开关管有效电流值的两倍。
Buck电路1:电容的输入输出平均电流为0,在整个周期内电感平均电流=负载平均电流,所以有:I L=I o2:二极管只在sw关断时流过电流,所以I D=I L×(1-D)3:则平均开关电流I sw=I L×D4:由基尔霍夫电压定律知:Sw导通时:V IN=V ON+V O+V SW→V ON=V IN-V O-V SW假设V SW相比足够小≈V IN-V OV O=V IN-V ON-V SW≈V IN-V ON Sw关断时:V OFF=V O+V D →V O=V OFF-V D假设V D相比足够小≈V OFF(等效于电感电压) 5:由占空比可得: D=t ON/(t ON+t OFF)=V OFF/(V OFF+V ON)由4可得:D=V O/{(V IN-V O)+V O}D=V O/ V IN6:直流电流I DC=电感平均电流I L,即I DC≡I L=I o7:纹波电流I AC=ΔI/2=V IN(1-D)D/ 2Lf=V O(1-D)/2Lf8:由电感的电压公式,伏秒数,占空比及5可得ΔI =V ON×t ON/L=(V IN-V O)×D / Lf=(V IN-DV IN)×D / Lf=V IN(1-D)D / LfΔI/ t ON=V ON/L=(V IN-V O)/LΔI=V OFF×t OFF/L=V O T(1-D)/L=V O(1-D)/LfΔI/ t OFF=V OFF/L=V O/L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P51r=ΔI/ I L=V ON×D/Lf I L=(V IN-V O)×D/Lf I L=V OFF×(1-D)/Lf I L=V O×(1-D)/Lf I L9: 峰峰电流I PP=ΔI=2I AC=r×I DC=r×I L10:峰值电流I PK=I DC+I AC =(1+r/2)×I DC=(1+r/2)×I L=(1+r/2)×I O最恶劣输入电压的确定:V O、I o不变,V IN对I PK的影响:D=V O/ V IN V IN增加↑→D↓→ΔI↑, I DC=I O,不变,所以I PK↑要在V IN最大输入电压时设计buck电路p49-51例题:变压器的电压输入范围是15-20v,输出电压为5v,最大输出电流是5A。
开关电源拓扑结构全解!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。
开关电源常用拓扑结构图文解释第一篇:开关电源常用拓扑结构图文解释开关电源常用拓扑结构开关变换器的拓扑结构是指能用于转换、控制和调节输入电压的功率开关器件和储能器件的不同配置。
开关变换器的拓扑结构可以分为两种基本类型:非隔离型和隔离型。
变换器拓扑结构是根据系统造价、性能指标和输入/输出负载特性等因素选定。
1、非隔离型开关变换器一,Buck变换器,也称降压变换器,其输入和输出电压极性相同,输出电压总小于输入电压,数量关系为:其中Uo为输出电压,Ui为输入电压,ton为开关管一周期内的导通时间,T为开关管的导通周期。
降压变换器的电路模式如图2所示。
工作原理是:在开关管VT导通时,输入电源通过L平波和C滤波后向负载端提供电流;当VT关断后,L通过二极管续流,保持负载电流连续。
二,Boost变换器,也称升压变换器,其输入和输出电压极性相同,输出电压总大于输入电压,数量关系为:。
升压变换器的电路模式如图3所示。
工作原理是:在VT导通时,电流通过L平波,输入电源对L充电。
当VT关断时,电感L及电源向负载放电,输出电压将是输入电压加上输入电源电压,因而有升压作用。
三,Buck-Boost变换器,也称升降压变换器,其输入输出电压极性相反,既可升压又可降压,数量关系为:。
升降压变换器的电路模式如图4所示。
工作原理是:在开关管VT导通时,电流流过电感L,L储存能量。
在VT关断时,电感向负载放电,同时向电容充电。
四,Cuk变换器,也称串联变换器,其输入输出电压极性相反,既可升压又可降压,数量关系为:。
Cuk变换器的电路模式如图5所示。
工作原理是:在开关管VT 导通时,二极管VD反偏截止,这时电感L1储能;C1的放电电流使L2储能,并向负载供电。
在VT关断时,VD正偏导通,这时输入电源和L1向C1充电;同时L2的释能电流将维持负载电流。
2、隔离型开关电源变换器一,推挽型变换器,其变换电路模型如图6所示。
工作过程为:VT1和VT2轮流导通,这样将在二次侧产生交变的脉动电流,经过VD1和VD2全波整流转换为直流信号,再经L、C滤波,送给负载。
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。
开关电源常用拓扑电路开关电源常用拓扑电路开关电源作为现代电子设备中不可或缺的一部分,其功效和性能日益受到重视。
而在开关电源的实际应用中,各种拓扑电路被广泛采用。
本文将按照类别,对开关电源常用的三种拓扑电路进行介绍,并从其原理、优缺点等方面进行分析。
第一类拓扑电路——降压型开关电源降压型开关电源是最基础、应用最广泛的开关电源拓扑电路之一。
其主要原理是通过控制开关管的导通与断开,将输入电压转换为所需的输出电压。
其中最经典的降压型拓扑电路是Buck变换器。
与其他拓扑电路相比,Buck变换器具有转换效率高、体积小、成本低等优点。
而且,它的工作原理相对简单,电路结构较为简洁。
第二类拓扑电路——升压型开关电源既然有降压型开关电源,自然也有升压型开关电源。
升压型开关电源的主要功能是将较低的输入电压转换为较高的输出电压,以满足特定应用的电压需求。
最常见的升压型拓扑电路是Boost变换器。
Boost变换器的工作原理是通过改变开关管的导通与断开时间,将输入电压分段升高,并最终得到所需的输出电压。
Boost变换器具有快速动态响应、输入电流波动小等特点。
第三类拓扑电路——反激型开关电源反激型开关电源也是开关电源的一种常用拓扑电路。
它主要用于输入电压范围较宽、输出电压变化大的电子设备。
反激型拓扑电路中最广泛使用的是Flyback变换器。
这种拓扑电路具有结构简单、成本低、输出电压可调等特点。
它的工作原理是通过供能开关管的瞬态导通和均衡导通,使原来存储于变压器中的能量通过绕组变换到输出端。
综上所述,开关电源常用的拓扑电路主要包括降压型、升压型和反激型。
不同的拓扑电路具有不同的工作原理和特点,适用于不同的应用环境。
在电子设备的设计和制造中,我们需要根据具体需求灵活选择拓扑电路,以满足能量转换的高效、稳定和可靠性要求。
总而言之,开关电源拓扑电路的选择应根据具体应用需求来进行,以确保电子设备在性能、效能和可靠性等方面的全面满足。
相信通过对不同拓扑电路的了解和应用,我们能够在开关电源领域中不断创新,为人们的生活带来更多的便利和发展。
开关电源拓扑结构回顾Lloyd H·Dixon Jr摘要本文回顾了在开关电源中常用的三种电路结构即降压变换电路、升压变换电路和逆向变换电路的特性,这三种电路均可以在断续的感应电流或者连续的感应电流模式下使用。
运行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将与任何拓扑结构和运行方式相联系的问题减到最少。
三种以固定频率运行的控制方法包括:直接占空比控制、电压前馈、和电流模式(两个环路)控制。
本文还论述了三个基本电路的一些扩展,利用每个拓扑电路的相对优点—运行方式—控制方法组合。
一、三种基本拓扑结构:三种基本的拓扑结构如图1所示:降压式,升压式,反激式。
串联式变换器(CUK)是反激式拓扑的逆变,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,三极管,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独特的关系。
例如:降压调整器的功能是使输出电压V0小于输入电压V in,并和它V in有相同的极性。
升压电路的作用是使V0大于V in,并且有相同的极性。
反激拓扑电路的作用是使V0既不大于也不小于V in,但是两者极性必须相反。
二、断续操作方式:在断续的感应电流方式下,或者说“断续方式”下,降压、升压和反激电路的动作方式是相似的,感应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。
开关电源基础拓扑的组合应用1、概述开关电源已经深入到国民经济的各个行业当中,设计师或是自行设计电源或是购买电源模块,但是这些电源都离不开电源的各种电路拓扑。
本文先介绍了开关电源的三大基础拓扑:Buck、Boost、Buck-Boost,并就这三者拓扑之间进行了简单地组合,得到了非常巧妙的电路,例如:正负输出电源、双向电源等,能够满足诸如运放供电、电池充放电等某些特殊的需求。
2、开关电源基础拓扑 开关电源三大基础拓扑为:Buck、Boost、Buck-Boost,大部分开关电源都是采用这几种基础拓扑或者其对应的隔离方式,下面以电感连续模式进行简单介绍。
2.1 Buck降压型 Buck降压型电路拓扑,有时又称为Step-down电路,其典型的电路结构如下图1所示:图1 Buck电路的工作原理为: 当PWM驱动高电平使得NMOS管T导通的时候,忽略MOS管的导通压降,等效如图2,电感电流呈线性上升,MOS导通时电感正向伏秒为:图2当PWM驱动低电平的时候,MOS管截止,电感电流不能突变,经过续流二极管形成回路(忽略二极管电压),给输出负载供电,此时电感电流下降,如下图3所示,MOS截止时电感反向伏秒为:图3 D为占空比,0 2.2 Boost升压型 Boost升压型电路拓扑,有时又称为step-up电路,其典型的电路结构如下图4所示:图4 同样地,根据Buck电路的分析方式,Boost电路的工作原理为: 2.3 Buck-Boost极性反转升降压型 Buck-Boost电路拓扑,有时又称为Inverting,其典型的电路结构如下图5所示:图5 同样地,根据Buck电路的分析方式,Buck-Boost电路的工作原理为: 3、 Buck与Buck-Boost组合 金升阳K78系列的产品采用了Buck降压型的电路结构进行设计,是LM78XX系列三端线性稳压器的理想替代品,效率最高可达96%,不需要额外增加散热片,同时还兼有短路保护和过热保护,值得说明的是它能够完美支持负输出。
开关电源的拓扑
开关电源的拓扑主要有以下几种:
1. 单端正激式(Buck)拓扑:投入电压大于输出电压时,将电源输入关断,输出电容释放能量给负载;
2. 升压式(Boost)拓扑:投入电压小于输出电压时,通过开关周期性充放电操作,将输出电压升高;
3. 反激式(Flyback)拓扑:通过磁共振,利用辅助绕组将输入电能转移到输出端,适用于输出电压变化较大的场景;
4. 无互感式(Push-Pull)拓扑:利用两个互补的开关管周期性地切换,通过变压器将输入电能传递到负载端;
5. 电桥式(Full-Bridge)拓扑:利用四个开关管,通过变压器传递电能,具有较高的输出功率能力。
不同的拓扑结构适用于不同的应用场景,可以根据需要选择最合适的拓扑。
几种常见的开关电源拓扑结构及应用什么是拓扑呢?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。
下面简单介绍一下常用的开关电源拓扑结构。
Buck电路首先我们要讲的就是Buck电路。
Buck电路也成为降压(step-down)变换器。
它的电路图是下面这样的: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(脉冲宽度调制)芯片控制占空比决定晶体管的通断。
Buck电路的功能是把直流电压Ui转换成直流电压Uo,实现降压目的。
展开剩余88%反激变换器反激式开关电源是指使用反激高频变压器隔离输入输出回路的开关电源,与之对应的有正激式开关电源。
反激(FLY BACK),具体是指当开关管接通时,输出变压器充当电感,电能转化为磁能,此时输出回路无电流;相反,当开关管关断时,输出变压器释放能量,磁能转化为电能,输出回来中有电流。
反激式开关电源中,输出变压器同时充当储能电感,整个电源体积小、结构简单,所以得到广泛应用。
应用最多的是单端反激式开关电源。
优点:元器件少、电路简单、成本低、体积小,可同时输出多路互相隔离的电压;缺点:开关管承受电压高,输出变压器利用率低,不适合做大功率电源。
Boost电路Boost(升压)电路是最基本的反激变换器。
Boost变换器又称为升压变换器、并联开关电路、三端开关型升压稳压器。
上面的图就是Boost电路图。
Boost电路是一个升压电路,它的输出电压高于输入电压。
Buck/Boost变换器Buck/Boost变换器:也叫做升降压式变换器,是一种输出电压既可低于也可高于输入电压的单管不隔离直流变换器,但它的输出电压的极性与输入电压相反。
Buck/Boost变换器可以看做是Buck变换器和Boost变换器串联而成,合并了开关管。
开关电源三种拓扑的产生基本概念拓扑拓扑,即电路的组成结构,如buck,boost,正激,反激,全桥,半桥等。
其他电源电路都是以此发展而来。
而最基本的电源拓扑只有3种:buck、boost和buck-boost电路。
电源电路的输入是输入电压Vin或网压,输出则分输出电压和输出电流。
线性调整器传统的电压调整电路如线性调整器,是通过串联一个晶体管来实现分压的功能,使晶体管工作在线性区,以输出电压为反馈,改变晶体管的阻值,起可变电阻的作用,承受部分电压。
承受的电压只能以热能形式消耗,因此效率非常低。
(好处是没有噪声,没有电磁干扰(EMI))用改变开关时间来提高效率要提高效率,就不能用等效电阻耗能的方式(在工作条件不变的情况下,提高效率能够减小输入电流。
这是采用开关方式的重要优点之一。
)采用开关方式(半导体部件工作在开关区)可以提高效率,且配合电容*电感可更有效地利用能量。
常用的三种半导体元件BJT(双极型晶体管):电流控制型器件,适用于大电流工作。
MOSFET(场效应晶体管):电压控制型器件,速度快,适用于高频,单负载大时,导通损耗就大(导通压降与电流成正比)IGBT:适用于较低频率,大电流装置在开关情况下实现连续的能量供给•引入储能元件,想到使用电容以维持负载电压稳定。
•电容会有浪涌电流(电容上电压不能突变,但电流可不一定),导致噪声和EMI。
•用一个电阻串联以抑制浪涌电流(储桶式调整器),但电阻会提高能量的损耗(R*I^2)•采用电感限制电流√PS:电路中的开关元件不停地开/关,当开关断开时,电感很容易造成很高的电压,若此时没有回路能够释放电能,在开关处很容易产生高压电弧(开关触点距离越大,电压越高),最终,电感储能以热能和电火花形式消耗。
因此,采用二极管续流的方式,产生一个电流回路。
开关频率与性能的关系降低开关频率:提高效率(其他损耗减小),减小EMI升高开关频率:减小电源体积,减小噪声开关变换器的3种工作模式-连续导通模式:CCM-临界导通模式:BCM(临界模式属于CCM和DCM的极限情况)-断续导通模式:DCM伏秒平衡{重要}稳定状态下:ΔIon=ΔIoff即:Von*Ton=Voff*Toff [Von、Voff为电感两端电压]在这种情况下,电感能够成功复位。
开关电源三大基本拓扑
1、摘要
开关电源已经深入到国民经济的各个行业当中,设计师或是自行设计电源或是购买电源模块,但是这些电源都离不开电源的各种电路拓扑。
本文先介绍了开关电源的三大基础拓扑:Buck、Boost、Buck-Boost,并就这三者拓扑之间进行了简单地组合,得到了非常巧妙的电路,例如:正负输出电源、双向电源等,能够满足诸如运放供电、电池充放电等某些特殊的需求。
2、开关电源基础拓扑
开关电源三大基础拓扑为:Buck、Boost、Buck-Boost,大部分开关电源都是采用这几种基础拓扑或者其对应的隔离方式,下面以电感连续模式进行简单介绍。
2.1Buck降压型
Buck降压型电路拓扑,有时又称为Step-down电路,其典型的电路结构如下图1所示:
Buck电路的工作原理为:
当PWM驱动高电平使得NMOS管T导通的时候,忽略MOS管的导通压降,等效如图2,电感电流呈线性上升,MOS导通时电感正向伏秒为:
当PWM驱动低电平的时候,MOS管截止,电感电流不能突变,经过续流二极管形成回路(忽略二极管电压),给输出负载供电,此时电感电流下降,如下图3所示,MOS截止时电感反向伏秒为:
D为占空比,0
2.2Boost升压型
Boost升压型电路拓扑,有时又称为step-up电路,其典型的电路结构如下图4所示:
同样地,根据Buck电路的分析方式,Boost电路的工作原理为:
2.3Buck-Boost极性反转升降压型
Buck-Boost电路拓扑,有时又称为Inverting,其典型的电路结构如下图5所示:
同样地,根据Buck电路的分析方式,Buck-Boost电路的工作原理为:
3、Buck与Buck-Boost组合
金升阳K78系列的产品采用了Buck降压型的电路结构进行设计,是LM78XX系列三端线性稳压器的理想替代品,效率最高可达96%,不需要额外增加散热片,同时还兼有短路保护和过热保护,值得说明的是它能够完美支持负输出。
上面提到金升阳K78系列产品可以支持负输出,这是怎么做到的呢?
从上面Buck电路以及Buck-Boost电路结构原理来看,主要的区别是两者二极管与功率电感的位置互换。
因此,若将Buck电路的输出Vo引脚接成输入的GND,而之前的输入GND 就变成了负电压输出了,即变成了Buck-Boost的电路结构。
对应到金升阳K78xx-500R2系列的产品就变成了如下图6所示的负输出。
因此,用2只K7812-500R2的产品,实现BUCK与BUCK-BOOST电路相结合,可以得到±12V输出,低的纹波和噪声可以给运放进行供电。
需要值得注意的是,由于BUCK-BOOST电路在启动电流会比BUCK电路大一些,所以会在BUCK-BOOST电压输入端加一些缓冲类的器件。
4、Buck与Boost组合
Buck与Boost两者相结合,会得到什么样的电路和应用呢?根据不同的控制,可以让电源从高压降到低压,也可以将低压升到高压,可以称之为双向DC-DC变换器之一,典型的应用电路如下图:
DC-DC双向变换器目前主要应用在各大充放电系统中,随着储能器件的发展得到了广泛地应用,主要的行业在汽车电子,电梯节能系统等应用行业。
当T2管截止时,T1管与D1、L等器件构成了Buck型降压电路,可以实现对后级的负载进行供电;反之,当T1管截止,T2管与D2二极管、L等器件构成了Boost升压电路,对
前端电源进行能量补充。
目前对T1和T2管的控制以模拟方式控制相对还是比较困难,均是以数字控制方式为主。
下面是将超级电容运用到电梯能量回收系统中,将电机的能量在超级电容和直流母线之间进行相互传递,降低了能源的损耗。
由于超级电容充放电电流比较大,普通的功率MOS管已经不适合使用,通常用IGBT来替代,而IGBT驱动在导通和关断的响应速度上,驱动电源选择+15V和-9V将会是比较理想的,一方面+15V能够完全提供正向驱动的电压,另一方面-9V又能够加速IGBT的关断。
而QP12W05S-37是个不错的选择。
5、总结
基本电源拓扑结构中Buck降压型应用最多,但是各个基础拓扑组合使用,可以解决很多类似于正负电源供电以及双向电源应用方面的问题。
总之电源基础拓扑结构虽老,但是实际应用却可以千变万化。