开关电源三种拓扑的产生

周一, 18 九月 2017 - 15:28

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

<ul>
<li>引入储能元件 ，想到使用电容以维持负载电压稳定。</li>
<li>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。</li>
<li>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）</li>
<li>采用电感限制电流 √</li>
</ul>

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。输出稳定。  
ps：Toff不一定等于T-Ton，仅指电压下降那段时间。  
由公式：V=L*dI/dt得,电流的斜率由V/L决定。

达到伏秒平衡

开关导通期间电感和开关电流上升率为Von/L,开关关断期间电感和二极管电流下降斜率为Voff/L.  
若等待足够长时间，电感电流会降为零(电感复位)。但若未等足够长时间就很快再次导通开关，则电流还会上升(爬高)

方法之一是等待足够大的Toff，再导通开关，但这样仍无法得到有效输出。

正确的方法是，与二极管串接一个电容，开关关断时，串联回路为电容充电，使电容电压达到Vo，以此增大Voff，同时电流下降速率Voff/L也增加，使Von与Voff相当，从而实现伏秒平衡。

一开始电流递增，数周期后达到稳定状态。电容每个周期都被充电，电流下降速率不断增大，直到到达平衡。

小结

<ul>
<li>为提高效率，线性变换器→开关元件</li>
<li>为使能量连续→引入储能元件：电容</li>
<li>因为电容有浪涌电流，加入电阻缓解的话会增大损耗→改成电感</li>
<li>因为开关关断时电感会在开关触点处产生电弧→加入二极管续流</li>
<li>因为无法达到伏秒平衡→加入电容</li>
</ul>

三种基本拓扑

基本拓扑有三种buck.boost和buck-boost。为什么基本拓扑仅有三种?这取决于电感的连接方式，设置合适的参考地后，可以得到三个不同端子输入端、输出端和地端，若电感一端与地相连，则得到buck-boost电路若与输人端相连，则得到boost电路若与输出端楣连，则得到buck电路。

buck-boost电路

buck-boost电路既可降压输出也可升压输出，但极性会改变。

如输入电压为正，输出电压为负，或输入为负输出为正。

可得占空比方程为：<img alt="占空比方程" data-entity-type="file" data-entity-uuid="9844c650-c159-44b1-8e4d-3e64180187c0" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%8D%A0%E7%A9%BA%E6%AF%94%E6%96%B9%E7%A8%8B.png" />

注意：稳定状态下，电容的输入输出平均电流为0，故平均二极管电流为平均负载电流。

boost电路

极性不变

占空比方程为： <img alt="占空比方程2" data-entity-type="file" data-entity-uuid="c16982f5-156a-4b17-a90f-4018f81f1b6c" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%8D%A0%E7%A9%BA%E6%AF%94%E6%96%B9%E7%A8%8B2.png" />

Buck电路

极性不变

占空比方程为：

PS：占空比方程中的Vd和Vsw，若他们的值足够小，则可忽略。

说明：以上内容均总结于《精通开关电源设计》第一章

文章转载自：<a href="http://blog.csdn.net/sanyooh">SanYooh的博客</a>