用一篇文章解釋開關電源的拓樸結構

電路拓樸是指電路中功率元件與電磁元件之間的連接方式，而磁性元件、閉迴路補償電路以及所有其他電路元件的設計都取決於電路拓樸。最基本的拓樸結構包括降壓（Buck）、升壓（Boost）和降壓/升壓（Buck/Boost）型轉換器，以及單端反激式（隔離式反激式）、正激式、推挽式、半橋式和全橋式轉換器。開關電源大約有14種常見的拓樸結構，每種拓樸結構都有其自身的特性和適用場景。選擇拓樸結構的原則取決於電源供應器是高功率還是低功率、高電壓輸出或低電壓輸出，以及是否需要盡可能減少元件數量。正確選擇拓撲結構並熟悉各種拓撲結構的優缺點和適用範圍至關重要。錯誤的拓樸結構選擇必然會導致電源設計從一開始就失敗。

在本文中，我們將從不同的角度深入探討降階拓樸、升階拓樸和降階升階拓樸。

降壓轉換器

圖1是異步降壓轉換器的原理圖。此降壓轉換器將輸入電壓降低到較低的輸出電壓。當開關Q1導通時，能量傳送到輸出端。

圖1：非同步降壓轉換器的原理圖

一級方程式賽車計算佔空比：

公式 2 計算金屬氧化物半導體場效電晶體 (MOSFET) 的最大應力：

公式 3 可提供最大的二極體應力：

Vin 為輸入電壓，Vout 為輸出電壓，Vf 為二極體的正向電壓。

與線性穩壓器或低壓差穩壓器（LDO）相比，輸入電壓和輸出電壓之間的差異越大，降壓轉換器的效率就越高。

儘管降壓轉換器的輸入端存在脈衝電流，但由於轉換器輸出端存在電感電容（LC）濾波器，其輸出電流是連續的。因此，反射到輸入端的電壓漣波將比輸出端的漣波更大。

對於佔空比小且輸出電流大於 3A 的降壓轉換器，建議使用同步整流器。如果您的電源需要大於 30A 的輸出電流，建議使用多相或交錯式功率級，因為這樣可以最大限度地減少元件應力，分散多個功率級之間產生的熱量，並降低轉換器輸入端的反射紋波。

使用N通道場效電晶體（N-FET）時，由於每個開關週期都需要對自舉電容充電，因此佔空比受到限制。在這種情況下，最大佔空比在95%到99%之間。

由於降壓轉換器採用正向拓樸結構，因此通常具有良好的動態特性。可實現的頻寬取決於誤差放大器的品質和所選的開關頻率。

圖 2 至圖 7 顯示了非同步降壓轉換器中 FET、二極體和電感器在連續導通模式 (CCM) 下的電壓和電流波形。

升壓轉換器

升壓轉換器將輸入電壓提升至更高的輸出電壓。當開關 Q1 不導通時，能量傳送到輸出端。圖 8 為非同步升壓轉換器的原理圖。

圖 8：異步升壓變換器的原理圖

公式 4 計算佔空比：

公式 5 計算 MOSFET 的最大應力：

公式 6 可提供最大的二極體應力：

Vin 為輸入電壓，Vout 為輸出電壓，Vf 為二極體的正向電壓。

透過使用升壓轉換器，可以觀察到脈衝輸出電流，因為LC濾波器位於輸入端。因此，輸入電流是連續的，輸出電壓漣波大於輸入電壓漣波。

設計升壓轉換器時，必須注意，即使轉換器不進行開關操作，輸入端和輸出端之間也始終存在連接。必須採取預防措施，以防止輸出端發生短路。

對於輸出電流大於 4A 的情況，應使用同步整流器取代二極體。如果電源供應器需要提供大於 10A 的輸出電流，強烈建議採用多相或交錯式功率級設計。

在連續導通模式 (CCM) 下工作時，由於升壓轉換器傳遞函數的右半平面零點 (RHPZ) 的限制，其動態特性會受到限制。由於 RHPZ 無法進行補償，因此可實現的頻寬通常小於 RHPZ 頻率的五分之一到十分之一。

請參考公式7：

其中，Vout 為輸出電壓，D 為佔空比，Iout 為輸出電流，L1 為升壓轉換器的電感。

圖 9 至圖 14 顯示了非同步升壓轉換器中 CCM 模式下 FET、二極體和電感器的電壓和電流波形。

升降壓轉換器

升降壓轉換器是由降壓和升壓功率級組合而成，它們共用同一個電感器。

請參考圖15。

圖15：雙開關升降壓轉換器原理圖

升降壓拓樸結構非常實用，因為輸入電壓可以小於、大於或等於輸出電壓，並且需要大於 50W 的輸出功率。

對於輸出功率小於 50W 的情況，單端初級電感轉換器 (SEPIC) 是更具成本效益的選擇，因為它使用的元件較少。

當輸入電壓高於輸出電壓時，升降壓轉換器工作在降壓模式；當輸入電壓低於輸出電壓時，它工作在升壓模式。當轉換器工作在輸入電壓處於輸出電壓範圍內的傳輸區時，有兩種處理這種情況的方法：一是降壓級和升壓級同時工作，二是開關週期在降壓級和升壓級之間交替，每個級通常以正常開關頻率的一半工作。第二種方法可能會在輸出端產生次諧波噪聲，與傳統的降壓或升壓操作相比，輸出電壓精度可能不夠高，但與第一種方法相比，轉換器的效率更高。

由於升降壓拓樸結構在輸入端和輸出端都沒有LC濾波器，因此輸入端和輸出端都存在脈衝電流。

對於升降壓轉換器，降壓和升壓功率級可以分別用於計算。

這款雙開關升降壓轉換器適用於50W至100W的功率範圍（例如LM5118），同步整流功率可達400W（與LM5175相同）。建議使用與非共軛升降壓功率級具有相同限流值的同步整流器。

您需要為升壓級的升降壓轉換器設計一個補償網絡，因為 RHPZ 會限制穩壓器的頻寬。

常見的基本拓樸結構

■降壓電壓降低

■加速

■升降壓降壓

■飛迴式飛迴式

■前進 前進

■雙變壓器正向雙電晶體正向

■推拉

■半橋 半橋

■滿橋

■ SEPIC

■ C'uk

1.基本脈衝寬度調變波形

這些拓樸結構都與開關模式電路有關，基本脈衝寬度調變波形定義如下：

2、巴克

特徵：

■降低輸入電壓。

■這可能是最簡單的電路。

■電感/電容濾波器在開關後使方波變平。

■輸出永遠小於或等於輸入。

■ 輸入電流不連續（斬波）。

輸出電流平穩。

3、提升

特徵：

■提高輸入電壓。

■類似降壓，但採用重新排列的電感器、開關和二極體。

■輸出總是大於或等於輸入（忽略二極體的正向壓降）。

■平穩的輸入電流。

■輸出電流不連續（斬波）。

4、Buck-Boost

特徵：

■電感器、開關和二極體的另一種排列方式。

■結合了降壓電路和升壓電路的缺點。

■ 輸入電流不連續（斬波）。

■輸出電流也是不連續的（斬波）。

■輸出總是與輸入相反（注意電容器的極性），但幅度可以小於或大於輸入。

■反激式轉換器其實是一種降壓升壓電路隔離（變壓器耦合）。

5.飛返

特徵：

■它的工作原理類似於升降壓電路，但電感器有兩個繞組，既可以作為變壓器，也可以作為電感器。

■輸出可以是正的，也可以是負的，由線圈和二極體的極性決定。

■輸出電壓可能大於或小於輸入電壓，這取決於變壓器的匝數比。

■這是最簡單的孤立拓樸結構。

■增加次級繞組和電路可以產生多個輸出。

6、向前

特徵：

■降壓電路的變壓器耦合形式。

■輸入電流不連續，輸出電流平穩。

■由於使用了變壓器，輸出可能大於或小於輸入，且極性可以是任意的。

■增加二次繞組和電路可以獲得多個輸出。

■變壓器鐵心在每次開關循環中都必須消磁。通常的做法是增加一個與初級繞組匝數相同的繞組。

■在開關開啟階段，儲存在初級電感器中的能量在開關關閉階段透過附加繞組和二極體釋放。

7.雙晶體管正向

特徵：

■兩個開關同時運作。

■當開關斷開時，變壓器儲存的能量會反轉初級線圈的極性，使二極體導通。

主要優勢：

■每個開關上的電壓永遠不會超過輸入電壓。

■無需重新調整繞線軌道。

8、推拉

特徵：

■開關（FET）驅動不同的相位，並執行脈衝寬度調變（PWM）來調節輸出電壓。

■變壓器磁芯利用率高－兩個半週期皆可傳輸功率。

■全波拓樸結構，因此輸出漣波頻率是變壓器頻率的兩倍。

■施加在 FET 上的電壓是輸入電壓的兩倍。

9、半橋

特徵：

■大功率轉換器中常用的一種拓樸結構。

■開關（FET）驅動不同的相位，並執行脈衝寬度調變（PWM）來調節輸出電壓。

■變壓器磁芯利用率高－兩個半週期均能傳輸功率。 ■此外，初級繞組的利用率優於推挽電路。

■全波拓樸結構，因此輸出漣波頻率是變壓器頻率的兩倍。

■施加在 FET 上的電壓等於輸入電壓。

10、全橋

特徵：

■高功率轉換器最常用的拓樸結構。

■開關（FET）成對對角驅動，並進行脈衝寬度調變（PWM）以調整輸出電壓。

■變壓器磁芯利用率高－兩個半週期皆可傳輸功率。

■全波拓樸結構，因此輸出漣波頻率是變壓器頻率的兩倍。

■施加在 FET 上的電壓等於輸入電壓。

■在給定功率下，初級電流是半橋電流的一半。

11、SEPIC 單端初級電感變換器（SEPIC）

特徵：

■輸出電壓可以大於或小於輸入電壓。

■就像升壓電路一樣，輸入電流平滑，但輸出電流不連續。

■能量透過電容器從輸入端傳送到輸出端。

■需要兩個電感器。

12、C'uk（Slobodan C'uk 專利）

特徵：

■反相輸出。

■輸出電壓的幅度可以大於或小於輸入電壓。

■輸入電流和輸出電流都很平滑。

■能量透過電容器從輸入端傳送到輸出端。

■需要兩個電感器。

■電感可以耦合以獲得零漣波電感電流。

13.電路工作原理詳情

■以下詳細說明幾種拓樸結構的工作原理：

■電壓調節器：連續導通、臨界導通、斷續導通。

■升壓調節器（連續導通）。

■變壓器運作。

■ 回掃變壓器。

■ 正向變壓器。

14.降壓穩壓器連續導通

特徵：

■電感電流是連續的。

■Vout 是其輸入電壓 (V1) 的平均值。

■輸出電壓是輸入電壓與開關負載比（D）的乘積。

■連接後，電感電流從電池流出。

■當開關關閉時，電流流過二極體。

■忽略開關和電感器的損耗，D 與負載電流無關。

■電壓調節器及其衍生電路的特性如下：

■輸入電流不連續（斬波），輸出電流連續（平滑）。

15.降壓穩壓器臨界導通率

■ 電感電流仍然連續，但當開關再次導通時，電流會降至零，這稱為「臨界導通」。輸出電壓仍等於輸入電壓乘以 D。

16.降壓穩壓器斷續導通

■ 在這種情況下，每個週期內，電感器中的電流會有一段時間為零。

■輸出電壓始終保持為v1的平均值。

■輸出電壓不是輸入電壓與開關負載比（D）的乘積。

■當負載電流低於臨界值時，D 隨負載電流變化（而 Vout 保持不變）。

17.增壓調節器

■輸出電壓總是大於（或等於） 輸入電壓。

■連續輸入電流，不連續輸出電流（與穩壓器相反）。

■輸出電壓與負載比（D）之間的關係不像穩壓器那麼簡單。在連續導通的情況下：

在這個例子中，Vin = 5，Vout = 15，D = 2/3。 Vout = 15，D = 2/3。

18.變壓器的工作原理（包括初級電感的作用）

■ 變壓器被視為理想變壓器，其初級（磁化）電感與初級並聯。

19、反激變壓器

■ 此處初級電感非常低，用於確定峰值電流和儲存能量。當初級開關斷開時，能量會傳遞到次級。

20.正激變換器變壓器

■ 由於不需要儲存能量，因此初級電感值較高。

勵磁電流 (i1) 流入“勵磁電感器”，導致主開關關閉後磁芯退磁（反向電壓）。

概括

■ 本文回顧了目前開關模式功率轉換中最常見的電路拓樸結構。

■ 還有許多其他的拓樸結構，但它們大多是這裡所描述的拓樸結構的組合或變體。

■ 每種拓樸結構都包含獨特的權衡取捨：

1）施加在開關上的電壓

2）對輸入和輸出電流進行斬波和平滑處理

3）繞組利用率

■ 選擇最佳拓樸結構需要研究以下方面：

1）輸入和輸出電壓範圍

2）當前範圍

3）性價比、尺寸重量比