浅析20种开关电源拓扑结构的特点

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开关模式电源又称交换式电源、开关变换器,是一种高频化电能转换装置,是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压,透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源的输入多半是交流电源(例如市电)或是直流电源,而输出多半是需要直流电源的设备,例如个人电脑,而开关电源就进行两者之间电压电流的转换。本文将浅析20种开关电源拓扑结构的特点。

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:

基本的脉冲宽度调制波形


2、Buck降压

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。
3、Boost升压

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)。
4、Buck-Boost降压-升压

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。
5、Flyback反激

Flyback反激


特点
■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

Forward正激


特点
■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-TransistorForward双晶体管正激

Two-TransistorForward双晶体管正激


特点
■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

Push-Pull推挽


特点
■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。
■良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。
■全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。
■施加在FET上的电压是输入电压的两倍。
9、Half-Bridge半桥

Half-Bridge半桥


特点
■较高功率变换器极为常用的拓扑结构。
■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。
■良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。而且初级绕组的利用率优于推挽电路。
■全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。
■施加在FET上的电压与输入电压相等。
10、Full-Bridge全桥

Full-Bridge全桥


特点
■较高功率变换器最为常用的拓扑结构。
■开关(FET)以对角对的形式驱动,进行脉冲宽度调制(PWM)以调节输出电压。
■良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。
■全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。
■施加在FETs上的电压与输入电压相等。
■在给定的功率下,初级电流是半桥的一半。
11、SEPIC单端初级电感变换器

SEPIC单端初级电感变换器


特点
■输出电压可以大于或小于输入电压。
■与升压电路一样,输入电流平滑,但是输出电流不连续。
■能量通过电容从输入传输至输出。
■需要两个电感。
12、C’uk(SlobodanC’uk的专利)

C’uk(SlobodanC’uk的专利)


特点
■输出反相
■输出电压的幅度可以大于或小于输入。
■输入电流和输出电流都是平滑的。
■能量通过电容从输入传输至输出。
■需要两个电感。
■电感可以耦合获得零纹波电感电流。
13、电路工作的细节
下面讲解几种拓扑结构的工作细节
■降压调整器:
连续导电
临界导电
不连续导电
■升压调整器(连续导电)
■变压器工作
■反激变压器
■正激变压器
14、Buck-降压调整器-连续导电

 

Buck-降压调整器-连续导电
■电感电流连续。
■Vout是其输入电压(V1)的均值。
■输出电压为输入电压乘以开关的负荷比(D)。
■接通时,电感电流从电池流出。
■开关断开时电流流过二极管。
■忽略开关和电感中的损耗,D与负载电流无关。
■降压调整器和其派生电路的特征是:
输入电流不连续(斩波),输出电流连续(平滑)。
15、Buck-降压调整器-临界导电

 

Buck-降压调整器-不连续导电
■电感电流仍然是连续的,只是当开关再次接通时“达到”零。
这被称为“临界导电”。
输出电压仍等于输入电压乘以D。
16、Buck-降压调整器-不连续导电

Buck-降压调整器-不连续导电


■在这种情况下,电感中的电流在每个周期的一段时间中为零。
■输出电压仍然(始终)是v1的平均值。
■输出电压不是输入电压乘以开关的负荷比(D)。
■当负载电流低于临界值时,D随着负载电流而变化(而Vout保持不变)。
17、Boost升压调整器

Boost升压调整器


■输出电压始终大于(或等于)输入电压。
■输入电流连续,输出电流不连续(与降压调整器相反)。
■输出电压与负荷比(D)之间的关系不如在降压调整器中那么简单。在连续导电的情况下:

公式


在本例中,Vin=5,
Vout=15,andD=2/3.
Vout=15,D=2/3.
18、变压器工作(包括初级电感的作用)

变压器工作(包括初级电感的作用)


■变压器看作理想变压器,它的初级(磁化)电感与初级并联。
19、反激变压器

反激变压器


■此处初级电感很低,用于确定峰值电流和存储的能量。当初级开关断开时,能量传送到次级。
20、Forward正激变换变压器

Forward正激


■初级电感很高,因为无需存储能量。
■磁化电流(i1)流入“磁化电感”,使磁芯在初级开关断开后去磁(电压反向)。
21、总结

在此,我们将回顾当前最常见的开关式电源转换电路拓扑结构,每一种拓扑都包含着独特的设计权衡,例如施加在开关上的电压、斩波和平滑输入输出电流、绕组的利用率。而选择最佳的拓扑结构需要研究输入输出电压范围、电流范围、成本与性能、尺寸与重量的比例等方面。

 

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去耦电容的有效使用方法 要点2

去耦电容的有效使用方法的第二个要点是降低电容的ESL(即等效串联电感)。虽说是“降低ESL”,但由于无法改变单个产品的ESL本身,因此这里是指“即使容值相同,也要使用ESL小的电容”。通过降低ESL,可改善高频特性,并可更有效地降低高频噪声。

去耦电容的有效使用方法 要点1

去耦电容有效使用方法的要点大致可以分为以下两种。另外,还有其他几点需要注意。本文就以下三点中的“要点1”进行介绍。

电容的频率特性

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使用电容器的噪声对策

噪声分很多种,性质也是多种多样的。所以,噪声对策(即降低噪声的方法)也多种多样。在这里主要谈开关电源相关的噪声,因此,请理解为DC电压中电压电平较低、频率较高的噪声。另外,除电容外,还有齐纳二极管和噪声/浪涌/ESD抑制器等降噪部件。不同的噪声性质,所需要的降噪部件也各不相同。如果是DC/DC转换器,多数会根据其电路和电压电平,用LCR来降低噪声。

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