干貨｜一文讀懂二十種開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電子工程世界 2021-07-15 07:30

NFC 還能這樣用？瑞薩無(wú)線充電方案全解析 進(jìn)階BLE開(kāi)發(fā)：DA1459x 外設(shè)、功耗與工程實(shí)戰(zhàn)

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什么是拓?fù)淠?？所謂電路拓?fù)渚褪枪β势骷碗姶旁陔娐分械倪B接方式，而磁性元件設(shè)計(jì)，閉環(huán)補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)及其他所有電路元件設(shè)計(jì)都取決于拓?fù)?。最基本的拓?fù)涫荁uck(降壓式)、Boost(升壓式)和Buck/Boost(升/降壓)，單端反激(隔離反激)，正激、推挽、半橋和全橋變化器。

開(kāi)關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，常見(jiàn)拓?fù)浯蠹s有14種，每種都有自身的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合。選擇原則是要看是大功率還是小功率，高壓輸出還是低壓輸出，以及是否要求器件盡量少等。

因此，要恰當(dāng)選擇拓?fù)?，熟悉各種不同拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)及適用范圍是非常重要的。錯(cuò)誤的選擇會(huì)使電源設(shè)計(jì)一開(kāi)始就注定失敗。下面為大家整理匯總了開(kāi)關(guān)電源20種基本拓?fù)?，幫助系統(tǒng)掌握每種電路結(jié)構(gòu)的工作原理與基本特性。

一、20種開(kāi)關(guān)電源拓?fù)鋵?duì)比

常見(jiàn)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

■ Buck 降壓

■ Boost 升壓

■ Buck-Boost 降壓-升壓

■ Flyback 反激

■ Forward 正激

■ Two-Transistor Forward 雙晶體管正激

■ Push-Pull 推挽

■ Half Bridge 半橋

■ Full Bridge 全橋

■ SEPIC

■ C’uk

二、基本的脈沖寬度調(diào)制波形

這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都與開(kāi)關(guān)式電路有關(guān)，基本的脈沖寬度調(diào)制波形定義如下：

三、Buck 降壓

特點(diǎn)：

■ 把輸入降至一個(gè)較低的電壓

■ 可能是最簡(jiǎn)單的電路

■ 電感/電容濾波器濾平開(kāi)關(guān)后的方波

■ 輸出總是小于或等于輸入

■ 輸入電流不連續(xù) (斬波)

■ 輸出電流平滑

四、Boost 升壓

特點(diǎn)：

■ 把輸入升至一個(gè)較高的電壓

■ 與降壓一樣，但重新安排了電感、開(kāi)關(guān)和二極管

■ 輸出總是比大于或等于輸入(忽略二極管的正向壓降)

■ 輸入電流平滑

■ 輸出電流不連續(xù) (斬波)

五、Buck-Boost 降壓-升壓

特點(diǎn)：

■ 電感、開(kāi)關(guān)和二極管的另一種安排方法

■ 結(jié)合了降壓和升壓電路的缺點(diǎn)

■ 輸入電流不連續(xù) (斬波)

■ 輸出電流也不連續(xù) (斬波)

■ 輸出總是與輸入反向 (注意電容的極性)，但是幅度可以小于或大于輸入

■ “反激”變換器實(shí)際是降壓-升壓電路隔離（變壓器耦合）形式。

六、Flyback 反激

特點(diǎn)：

■ 如降壓-升壓電路一樣工作，但是電感有兩個(gè)繞組，同時(shí)作為變壓器和電感

■ 輸出可以為正或?yàn)樨?fù)，由線圈和二極管的極性決定。

■ 輸出電壓可以大于或小于輸入電壓，由變壓器的匝數(shù)比決定。

■ 這是隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中最簡(jiǎn)單的

■ 增加次級(jí)繞組和電路可以得到多個(gè)輸出

七、Forward 正激

特點(diǎn)：

■ 降壓電路的變壓器耦合形式。

■ 不連續(xù)的輸入電流，平滑的輸出電流。

■ 因?yàn)椴捎米儔浩?，輸出可以大于或小于輸入，可以是任何極性。

■ 增加次級(jí)繞組和電路可以獲得多個(gè)輸出。

■ 在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中必須對(duì)變壓器磁芯去磁。常用的做法是增加一個(gè)與初級(jí)繞組匝數(shù)相同的繞組。

■ 在開(kāi)關(guān)接通階段存儲(chǔ)在初級(jí)電感中的能量，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)階段通過(guò)另外的繞組和二極管釋放。

八、Two-Transistor Forward雙晶體管正激

特點(diǎn)：

■ 兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)工作。

■ 開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，存儲(chǔ)在變壓器中的能量使初級(jí)的極性反向，使二極管導(dǎo)通。

主要優(yōu)點(diǎn)：

■ 每個(gè)開(kāi)關(guān)上的電壓永遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò)輸入電壓。

■ 無(wú)需對(duì)繞組磁道復(fù)位。

九、Push-Pull 推挽

特點(diǎn)：

■ 開(kāi)關(guān)（FET）的驅(qū)動(dòng)不同相，進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制（PWM）以調(diào)節(jié)輸出電壓。

■ 良好的變壓器磁芯利用率---在兩個(gè)半周期中都傳輸功率。

■ 全波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),所以輸出紋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。

十、Half-Bridge 半橋

特點(diǎn)：

■ 較高功率變換器極為常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

■ 開(kāi)關(guān)（FET）的驅(qū)動(dòng)不同相，進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制（PWM）以調(diào)節(jié)輸出電壓。

■ 良好的變壓器磁芯利用率---在兩個(gè)半周期中都傳輸功率。而且初級(jí)繞組的利用率優(yōu)于推挽電路。

■ 全波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。

■ 施加在FET上的電壓與輸入電壓相等。

十一、Full-Bridge 全橋

特點(diǎn)：

■ 較高功率變換器最為常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

■ 開(kāi)關(guān)（FET）以對(duì)角對(duì)的形式驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制（PWM）以調(diào)節(jié)輸出電壓。

■ 良好的變壓器磁芯利用率---在兩個(gè)半周期中都傳輸功率。

■ 全波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。

■ 施加在FETs上的電壓與輸入電壓相等。

■ 在給定的功率下，初級(jí)電流是半橋的一半。

十二、SEPIC 單端初級(jí)電感變換器

特點(diǎn)：

■ 輸出電壓可以大于或小于輸入電壓。

■ 與升壓電路一樣，輸入電流平滑，但是輸出電流不連續(xù)。

■ 能量通過(guò)電容從輸入傳輸至輸出。

■ 需要兩個(gè)電感。

十三、C'uk(Slobodan C'uk 的專利)

特點(diǎn)：

■ 輸出反相

■ 輸出電壓的幅度可以大于或小于輸入。

■ 輸入電流和輸出電流都是平滑的。

■ 能量通過(guò)電容從輸入傳輸至輸出。

■ 需要兩個(gè)電感。

■ 電感可以耦合獲得零紋波電感電流。

十四、電路工作的細(xì)節(jié)

下面講解幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作細(xì)節(jié)：

■ 降壓調(diào)整器：連續(xù)導(dǎo)電、臨界導(dǎo)電、不連續(xù)導(dǎo)電

■ 升壓調(diào)整器 (連續(xù)導(dǎo)電)

■ 變壓器工作

■ 反激變壓器

■ 正激變壓器

十五、Buck-降壓調(diào)整器-連續(xù)導(dǎo)電

特點(diǎn)：

■ 電感電流連續(xù)。

■ Vout是其輸入電壓 (V1)的均值。

■ 輸出電壓為輸入電壓乘以開(kāi)關(guān)的負(fù)荷比 (D)。

■ 接通時(shí)，電感電流從電池流出。

■ 開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)電流流過(guò)二極管。

■ 忽略開(kāi)關(guān)和電感中的損耗, D 與負(fù)載電流無(wú)關(guān)。

■ 降壓調(diào)整器和其派生電路的特征是：

輸入電流不連續(xù) (斬波), 輸出電流連續(xù) (平滑)。

十六、Buck-降壓調(diào)整器-臨界導(dǎo)電

■ 電感電流仍然是連續(xù)的，只是當(dāng)開(kāi)關(guān)再次接通時(shí) “達(dá)到”零，這被稱為 “臨界導(dǎo)電”。輸出電壓仍等于輸入電壓乘以 D。

十七、Buck-降壓調(diào)整器-不連續(xù)導(dǎo)電

■ 在這種情況下，電感中的電流在每個(gè)周期的一段時(shí)間中為零。

■ 輸出電壓仍然 (始終)是 v1 的平均值。

■ 輸出電壓不是輸入電壓乘以開(kāi)關(guān)的負(fù)荷比 (D)。

■ 當(dāng)負(fù)載電流低于臨界值時(shí),D 隨著負(fù)載電流而變化(而 Vout 保持不變)。

十八、Boost 升壓調(diào)整器

■ 輸出電壓始終大于（或等于）輸入電壓。

■ 輸入電流連續(xù)，輸出電流不連續(xù)（與降壓調(diào)整器相反）。

■ 輸出電壓與負(fù)荷比（D）之間的關(guān)系不如在降壓調(diào)整器中那么簡(jiǎn)單。在連續(xù)導(dǎo)電的情況下：

在本例中，Vin = 5,Vout = 15, and D = 2/3. Vout = 15，D = 2/3.

十九、變壓器工作（包括初級(jí)電感的作用）

■ 變壓器看作理想變壓器，它的初級(jí)（磁化）電感與初級(jí)并聯(lián)。

二十、反激變壓器

■ 此處初級(jí)電感很低，用于確定峰值電流和存儲(chǔ)的能量。當(dāng)初級(jí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，能量傳送到次級(jí)。

二十一、Forward 正激變換變壓器

■ 初級(jí)電感很高，因?yàn)闊o(wú)需存儲(chǔ)能量。

■ 磁化電流 (i1) 流入 “磁化電感”，使磁芯在初級(jí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后去磁 (電壓反向)。

二十二、總結(jié)

■ 此處回顧了目前開(kāi)關(guān)式電源轉(zhuǎn)換中最常見(jiàn)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

■ 還有許多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但大多是此處所述拓?fù)涞慕M合或變形。

■ 每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含獨(dú)特的設(shè)計(jì)權(quán)衡：

1）施加在開(kāi)關(guān)上的電壓

2）斬波和平滑輸入輸出電流

3）繞組的利用率

■ 選擇最佳的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要研究：

1）輸入和輸出電壓范圍

2）電流范圍

3）成本和性能、大小和重量之比

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