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。
1、电流波形
断续方式的电流波形如图2所示,不管电路的拓扑结构如何，电感、晶体管和二极管的电流波形是一样的，但是输入和输出电流波形会因为电路不同而不同，这取决于三个元件和输入输出的连接方式。
2、三种状态
在每个转换周期期间有三个独特的运行状态：
（1）在晶体管导通期间t on内，感应电流I L从零上升到峰值i p。在t on结束时，这个峰值电流等于储存在电感中的能量。在这段时间内，感应电流从输入端得到，并且储存在电感中的能量每个周期都是从输入电源得到。
（2）当晶体管关断时，电感电压反向并且其中储存的能量推动同一峰值电流流经二极管。在二极管导通时间t d内，感应电流推动输出并且呈线性的减小到零。在t d末期，所有储存在电感中的能量都被传递到输出端。
（3）当电流变为零时，电感再没有能量。在剩余的切换时间内所有开关电路器件中的电流是零。在这个空闲时间t i内，电路等待下一个时钟脉冲到达使晶体管开启，然后开始下一个周期。
3、断续方式边界
当负载电流增加时，控制电路引起t on（占空比）增加。峰值感应电流变大，并且二极管导通时间t d增加。因此，负载电流的增加会引起空闲时间t i内稳态的减小。当负载电流增加到某一值时，t i变成零，并且到达断续方式的边界。如果负载电流进一步增加，电感电流每个周期将不再泄放到零，并且产生连续运行方式。因为稳定的断续方式操作所需要的环路增益补偿不能够阻止连续方式的振
荡，电路将变得不稳定。对控制电路来说监测和限制电感电流以防止它越过在这个边界是必要的。
4、良好的闭环响应
在断续方式下，很容易在改变由于线电压上较大跨度的改变引起的干扰及负载电流时得到良好的响应，因为电感在每个开关周期总是以零储能开始。这使控制电路有可能获得任何需要的能量标准，从零到最大输出，在逐个周期的基础上。电感从小信号闭环特征“突然消失”，使电容相位落后90°。结果的单极特性是固有的稳定的并且在闭环时容易处理的。在连续模式下严格限制闭环响应的右半平面零电位升压和反激电路不同于断续模式拓扑结构。
5、高峰值电流
断续模式的一个主要缺点是有高峰值电流通过晶体管、二极管和输出滤波电容。这要求半导体器件有较高的电流容纳能力并且在输出滤波电容串联等效电阻安置一个偏置负载。例如，在升压和反激电路中，二极管在输出端，因此二极管平均电流I d必须等于OC输出电流Io。在全负载条件下，如果二极管时间t d开关周期的50%,峰值电流就是全电阻电流Io的4倍。
在降压电路中，感应电流推动输出端，所以峰值电是稍微小的与输出电流成比例。降压拓扑很少用在断续模式因为在连续模式工作的更好。
6、极小的开环电源和负载调整率
反击式拓扑结构在断续模式下的基本直流等式如下式（1），升压调整器的公式与其相似，但更为复杂。反激式电路公式如下：
（1）Vo = Vin D-[Ro/(2Lf)]1/2
从这个等式可以看到，如果占空比固定不变（开环控制），Vo的变化与Vin和输出负载Ro有直接的关系。换言之，开环电源和负载调整率是极小的，并且占空比必须被控制电路改变以便在电源好负载条件范围内维持理想的输出电压。
7、控制方法
在三种固定频率的控制方法中，（直接占空比控制、电压前馈、和电流模式）,输出电压是和一个固定的参考电压作比较。得出的电压差被放大并且做为闭环控
制电压V C。
8、直接占空比控制
晶体管占空比D=ton/T，它的变化是与控制电压V C成比例的。极小的开环电源和负载调整率需要很高的环路增益来修正。输出滤波电容是闭环系统的一部分并且引进一个延迟修正V in变化的周期延迟。
9、电源前馈控制
输入电压的取样值被直接反馈到控制电路，引起占空比变化，占空比与V in 成反比，与V C成正比[D=（k V C）/V in]，如果V in增加，D自动减小以便输入伏特--秒维持稳定的V C，因此V C直接控制输入伏特--秒。开环电源调整率是好的，以至于低于所需求的闭环增益到达需要的直流调整率。公式（1）变为：
(2) Vo = K Vc-[Ro/(2Lf)]1/2
其中K为前馈比，K=（VinD）/ Vc
10、电流模式控制
一个内部的第二控制环路的峰值感应电流Ip与控制电压Vc相比较，在外部环路，Vc直接控制Ip。内部环路提供一个内部较好的电源调整率，与单元前馈相似。等式（1）变为：
(3)Vo = K Vc-[RoLf/2]1/2
其中K是内部环路电流控制因子，K=（MaxIp）/（MaxVc）电压前馈和电流控制方式都是常用的，它们实际上有同样的好处—提高开环电源调整率，把瞬间的改正提供给线变化以及需要更少的闭环增益。
三、连续操作模式
在连续感应电流模式（连续模式）下，在任何周期内感应电流从不为零（见图3），与有同样应用参数的断续模式相比，连续模式需要更大的感应系数。与有载输出电流相比电感纹波电流小。
1、电流波形
