开关电源变换器

开关电源拓扑结构概述(降压,升压,反激、正激)主回路—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。

开关电源（直流变换器）的类型很多，在研究开发或者维修电源系统时，全面了解开关电源主回路的各种基本类型，以及工作原理，具有极其重要的意义。

开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。

1. 非隔离式电路的类型：非隔离——输入端与输出端电气相通，没有隔离。

1.1. 串联式结构串联——在主回路中开关器件（下图中所示的开关三极管T）与输入端、输出端、电感器L、负载RL四者成串联连接的关系。

开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T及电感器L对负载供电，并同时对电感器L充电，当开关管T关断时，电感器L中的反向电动势使续流二极管D自动导通，电感器L中储存的能量通过续流二极管D形成的回路，对负载R继续供电，从而保证了负载端获得连续的电流。

串联式结构，只能获得低于输入电压的输出电压，因此为降压式变换。

例如buck拓扑型开关电源就是属于串联式的开关电源上图是在图1-1-a电路的基础上，增加了一个整流二极管和一个LC滤波电路。

其中L 是储能滤波电感，它的作用是在控制开关K接通期间Ton限制大电流通过，防止输入电压Ui直接加到负载R上，对负载R进行电压冲击，同时对流过电感的电流iL转化成磁能进行能量存储，然后在控制开关T关断期间Toff把磁能转化成电流iL继续向负载R提供能量输出；C是储能滤波电容，它的作用是在控制开关K接通期间Ton把流过储能电感L的部分电流转化成电荷进行存储，然后在控制开关K关断期间Toff把电荷转化成电流继续向负载R提供能量输出；D是整流二极管，主要功能是续流作用，故称它为续流二极管，其作用是在控制开关关断期间Toff，给储能滤波电感L释放能量提供电流通路。

在控制开关关断期间Toff，储能电感L将产生反电动势，流过储能电感L的电流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的正极，然后从续流二极管D的负极流出，最后回到反电动势eL的负极。

此培训资料来源于德州仪器（TI）和中国电源学会（世纪电源网）合作举办的“TI 现场培训”课程，世纪电源网同意在 TI 网站上分享这些文档。

第二单元基本DC-DC变换器1.Buck变换器2.Boost变换器3.Buckboost变换器4.基本变换器总结12何为基本DC-DC 功率变换器？gV gI oI oV ont sT son T t d =由上图可知，当输入和输出不需要隔离时，一个最基本的DC-DC 功率变换器，其组成只能有也必须有下列四个元器件，它们分别是：有源开关（一般为MOSFET ），无源开关（一般为二极管），滤波电感和滤波电容。

到目前为止，最基本的DC-DC 功率变换器共有3个，它们分别是Buck （降压式）变换器，Boost （升压式）变换器和Buckboost （升降式）变换器。

为了方便推导DC-DC 功率变换器的稳态关系，在介绍具体的基本DC-DC 功率变换器之前，先介绍一种获得PWM DC-DC 功率变换器在CCM 下的稳态关系的简单方法----电感电压的伏秒平衡定律。

3电感电压的伏秒平衡定律对于已工作在稳态的DC-DC 功率变换器，有源开关导通时加在滤波电感上的正向伏秒一定等于有源开关截止时加在电感上的反向伏秒。

)(t V L )(t I LI gsV onT sT sonT T D =)(t V L 1L V 2L V )(t I L 1L I D 2L I D 1t D 2t D ttt因为：111)(t i L dt t dI LV L L L D D ==onT t ££02222)(t i L dt t dI L V L L L D D ==son T t T ££由于：01>L V 02<L V 所以：，，0111>D ´=D Lt V i L L 0222<D ´=D Lt V i L L 稳态时，必有：21L L i i D -=D 否则的话，电感电流会朝一个方向增加而使电感饱和，并致电路工作不正常。

开关电源功率变换器拓扑与设计1. 开关电源的基本概念说到开关电源，可能很多人会想：“这玩意儿是啥？”别急，让我来给你唠叨唠叨。

简单来说，开关电源就是一种把交流电（咱们家里插座里的电）转换成直流电（电子设备需要的电）的小家伙。

它就像一个高效的“电力魔法师”，能把电压调高调低，甚至能把功率变换得流畅自如。

想象一下，你家冰箱、电视机、甚至手机充电器，都是它的“铁杆粉丝”。

开关电源的出现，简直就是电子设备的“救星”，大大提高了设备的效率，还减少了能耗，真是天上掉下来的“福星”。

1.1 开关电源的工作原理那它是怎么做到这一点的呢？哦，话说这就得从它的工作原理讲起。

开关电源的核心在于“开关”两个字，没错，就是那种一开一关的开关。

它通过快速地开关电路，来控制电流的流动。

想象一下，一群小电流在电线上跳舞，开关就像一个指挥家，挥挥手，电流们就跟着节奏一起起舞。

开关电源通过这种“舞蹈”，把输入电压转变为我们想要的输出电压。

简单点说，就是通过调节开关的频率和占空比，来达到我们所需的功率转换。

1.2 开关电源的种类开关电源可不是只有一种类型哦！它有好几种不同的“身世”。

比如说，有的叫“降压型”，就像你在商场打折一样，把高价压得低低的；而“升压型”则相反，能把低价推得高高的。

再有就是“升降压型”，这可是个灵活的小家伙，可以随心所欲地调节。

每种类型都有各自的“拿手绝活”，适用于不同的场景，就像不同的调味料能让一道菜变得鲜美。

2. 开关电源的设计2.1 设计原则设计开关电源可不是随便捏个饺子那么简单哦！要考虑的因素可多着呢。

首先是效率，大家都知道，越省电越好。

开关电源的效率一般都能达到80%以上，甚至90%！这可是电源界的“高分考生”啊。

其次是稳压能力，稳得住才靠谱，输出电压要稳定，不能时高时低，要不然电器可受不了。

2.2 设计步骤接下来就是设计的步骤了，首先得选定一个合适的拓扑结构。

拓扑就像是开关电源的“骨架”，决定了它的基本性能。

基于Cuk变换器的开关电源设计摘要：DC—DC变换器模块电源在各种电子设备中被广泛应用，随着电子设备功能越来越复杂，集成度越来越高，对DC．DC变换器也提出了更高的要求，需要在提供更大功率的同时，要求更小的体积、功耗和更高的稳定性。

本文是基于Cuk变换器的开关电源设计，首先对Cuk进行了详细的理论分析，对Cuk电路中的主要元件电压、电流波形进行计算，并由此推导出各个主要元器件的参数计算公式。

关键字：开关电源，Cuk电路.1.Cuk电路理论分析Cuk电路是1977年美国加州理工学院的Slobodan Cuk根据boost电路和buck电路的组合进行研究变换后得到的一个电路。

该电路只有一个开关，控制简单，导通比可大于0．5，在输入和输出之间由一电容传送能量，有利于减小体积，提高功率密度。

其输入输出电流均连续，开关电流被限制在变换器内部，因此产生的输出纹波和电磁干扰都比较小。

Cuk 电路在开通和截止的整个周期都能从输入向输出传输功率，所以效率比buck，boost等拓扑形式要高。

2. Cuk电路拓扑结构基本Cuk电路的结构如图2.1所示。

正常工作时，电容C是传递能量的主要元件。

当主开关S1截止时，续流二极管D导通，C被充电存储能量，C的充电电流和负载的续流电流同时流过D；s1导通时,D承受反压，C放电，为负载供电，电源电压直接加L1上，L1被充电储能，L1的充电电流和负载电流要同时流过S1。

当工作在连续的状态下，Cuk电路的输入电流和输出电流不是脉动的，而且增加电感Ll和L2的值．可以使交流纹波的值为任意的小。

同时可以看出，该电路结构对半导体元件的要求是相当高的。

电路的输入输出电压的关系如下：2.1 隔离式Cuk电路上面只是Cuk电路的基本拓扑，实际中还要求电源的原方和副方电气隔离。

所以必须对基本电路作如下修改，插入一个隔离变压器。

1．将C分成两个串联电容Cl和C2。

2．在cl和C2的连接点与输入电源的地之间接一个电感，若这个电感足够大，则从C1和C2的连接点流入电感的电流可以忽略。

反激式开关电源的设计计算一、反激式开关电源变换器：也称Flyback变换器，是将Buck/Boost变换器的电感变为变压器得到的，因为电路简洁，所用元器件少，成本低，是隔离式变换器中最常用的一种，在100W以下AC-DC变换中普遍使用，特别适合在多输出场合。

其中隔离变压器实际上是耦合电感，注意同名端的接法，原边绕组和副边绕组要紧密耦合，而且用普通导磁材料铁芯时必须有气隙，以保证在最大负载电流时铁芯不饱和。

二、AC-DC变换器的功能框图：交流220V电压经过整流滤波后变成直流电压V1，再由功率开关管（双极型或MOSFET）斩波、高频变压器T降压，得到高频矩形波电压，最后通过整流滤波器D、C2，获得所需要的直流输出电压V o。

脉宽调制控制器是其核心，它能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制功率开关管的通断状态，来调节输出电压的高低，达到稳压目的；锯齿波发生器提供时钟信号；利用误差放大器和比较器构成闭环调节系统。

三、设计步骤：1.基本参数：交流输入电压最小值Umin交流输入电压最大值Umax电网频率Fa：50Hz或60Hz开关频率f：大于20kHz，常用50kHz～200kHz输出电压V o输出功率Po损耗分配系数Z ：代表次级损耗与总损耗的比值，一般取0.5电源效率k ：一般取75～85%。

低电压（5V 以下）输出时，效率可取75%，高压（12V 以上）输出，效率可取85%；中等电压（5V 到12V 之间）输出，可选80%。

2. 确定输入滤波电容Cin ：对于宽范围交流输入（85～265Vac ），C1/Po 的比例系数取2～3，即每输出1W 功率，对应3uF 电容量 对于100V/115V 交流固定输入，C1/Po 的比例系数取2～3，即每输出1W 功率，对应3uF 电容量 对于230V ±35V 交流固定输入，C1/Po 的比例系数取1，即每输出1W 功率，对应1uF 电容量若采用100V/115V 交流倍压输入方式，需两只容量相同的电容串联，此时C1/Po 的比例系数取23. 直流输入电压最小值Vimin 的计算：in C a O i kC t F P u V ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−=21222min min 其中：tc 为整流桥的响应时间，一般为3ms也可以由要求的直流输入电压最小值Vimin 来反推需要的输入滤波电容Cin 的精确值：)2(2122min 2min i C a O in V u k t F P C −⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−= 4. 确定初级感应电压Vor ：对于宽范围交流输入（85～265Vac ），初级感应电压V or 取135V对于100V/115V 交流固定输入，初级感应电压V or 取60V对于230V ±35V 交流固定输入，初级感应电压V or 取135V5. 确定钳位二极管反向击穿电压Vb ：高温大电流下二极管钳位电压要高于标称值，所以选用TVS 钳位电压Vb=1.5V or对于宽范围交流输入（85～265Vac ），钳位二极管反向击穿电压Vb 取200V对于100V/115V 交流固定输入，钳位二极管反向击穿电压Vb 取90V对于230V ±35V 交流固定输入，钳位二极管反向击穿电压Vb 取200V当功率开关管关断而次级电路处于导通状态时，次级电压会感应到初级上，感应电压V or 就与Vi 叠加后加到开关管漏极上，与此同时初级漏感也释放能量，并在开关管漏极上产生尖峰电压VL 。