開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和進化

開關(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu)和進化一、概述直流變換器按輸入與輸出是否有電氣隔離可分為兩類：沒有電氣隔離的稱為非隔離的直流變換器，有電氣隔離的稱為隔離的直流變換器。非隔離電源基本的非隔離開關(guān)電源拓撲主要有六種，即降壓變換器(buck)，升壓變換器(boost)，升降壓變換器(buck-boost)，Cuk變換器，Zeta變換器和Sepic變換器等。在這六種變換器中，降壓式變換器和升壓式變換器是最基礎(chǔ)的，另外四種是從中進化衍生而來。隔離電源隔離的直流變換器按有源功率器件的數(shù)量來分類。單管的有正激式(Forward)和反激式(Flyback)兩種；雙管的有雙管正激(DoubleTransistorForwardConvert)、雙管反激(DoubleTransistorFlybackConverter)、推挽(Push-pullConverter)和半橋(Half-bridgeConvert)等四種；四管的直流變換器就只有全橋直流變換器(FullBridgeConvert)o很多人尤其是開關(guān)電源的初學者，常常被上述林林總總的開關(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu)給弄的暈頭轉(zhuǎn)向，不了解不同拓撲之間的關(guān)系。其實各種隔離拓撲結(jié)構(gòu)全部是由非隔離拓撲演化而來，通過對它們進行分類、了解演化關(guān)系，可以極大的簡化我們對開關(guān)電源的學習，深入了解各種拓撲的特點3常見DC/DC電源變換器的拓撲類型常見DC/DC電源變換器的拓撲類型見表1?表3所列。表中給出不同的電路結(jié)構(gòu)，同時也給出相應(yīng)的電壓及電流波形（設(shè)相關(guān)的電感電流為連續(xù)工作方式）°PWM表示脈寬調(diào)制波形，U1為直流輸入電壓，UDS為功率兀關(guān)管SKMOSFFT）的漏一源極電壓。ID1為S1的漏極電流。IF1為D1的工作電流，U0為輸出電壓，IL為負載電流。T為周期，t為UO呈高電平（或低電平）的時問及開關(guān)導(dǎo)通時間，D為占空比，有關(guān)系式：D=t/T。C1、C2均為輸入端濾波電容，CO為輸出端濾波電容，L1、L2為電感。金換熱關(guān)型Uurk（W/I；A）lkMM（升fK武）Kurk-Koin.1（WMQ升版式.含鍬件反轉(zhuǎn)式.即Inverting式）SKPIC（年端次側(cè)電$式）馮］，年心<*IX電路n構(gòu)勺汗押想的"v'n—_T9Ji-'.,〃一f"傳淺函或t/i7U.TtI，“7-r1-0f|-〃燦火漏極電浪hj—匕〉'A?41"，，'、J"K,;?極電JkS土L.p^L..UzUl&輸出二眼tr1的電流/”.（i~〃n/h-Ai/hwA?輸出湛忤的反向電麻“mWln\-lo?IwieawiM/iM；PUM電JK及

電浪波形zimrin

4=nJU

jj^Lnn,；Obf

土上irirt

人LTQLttwLUUznrmArLTi4i_T主費特點〃必戲us川卜電池供電的使攜式說備ixyiM：控耕器的代他產(chǎn)制MAX758ALM25782596I.M2578/25WAPI50I/I5O7/I509M；\X77（y7731CC38OOTZ7Ul；l*CM4lIC3572TZ7SSIICC3MX）LCC38C42TZI130a2奇尼反E式或正1?式ixyix:電耳安株2Switflic'ih(>n%anlAc-lixcClavn[>Htnuinlfm(正皿)g/r關(guān)證激式)(，岫位，頃式)blylMick（反激式.亦你【"】打式〉（村絨電流為不逐續(xù)方式）理.也的'7—CiVlU.iU"Z?T-畏〃?、??MA..T=V"Arf/(>*.iGM7*二冷D?rM大汨成屯彼*?p"/<??>i,》=l、y”,i'—=(X)/o漏t及電斥Ub"冬</<?八「uqu.gUc輸山.極管上的也流心.,>!=/.?//M.J)LTD輸出二極管的反向電壓Um=Uq棗U.M如二〃『冬〃，N.電路結(jié)構(gòu)pwm電m及電流波形心出I_IIIU4_/I/Lf-U4m4^—aL>K>x_><\?—-Ji」LJl_JL<.HfW，4ri_n_r|d弓5凸Ez，pJ_JLJ「

己nxiiriJ"

&?in_rt_rLJ?????“mjuij—z—!—：JE理特點當功率ftxnMO^FEI濟迥!1?J?將電能儲存作高楠些幾器的?次饒ftth：“1\KJSPKr美斯時.向：次MteHntiftt汽M（.?FErVfifflHf.向.次例輸出電帆.等功牛IT關(guān)管V1OSFET關(guān)斷時,次次狀冏I的能量供務(wù)負我電路中使川四nMOSFET0殲關(guān)器什采川打源箝位的H：激式交換器D（vr>c

控;W器

的典型產(chǎn)MIC3H42

ICC38OO

(CC3570IIC3K42

133800

((；(：3X90-lLC3842

(CC38(MI

IK：(3X<M)-II(1(35X0-1

l：CC?0llitJIX.電游安挾咨f&JFKa4J.費司芝舊JIfllfl?rifl^>L《羋橋式我鎮(zhèn)器)FLkllHriclgfI令濟式叩勒器)PlmwSlinflSwiH-hi*zvri^fflA零電田〔推挽或盟瞑;ft)丹關(guān)唾弒需｝理思的t\._￡.rt\~Aj.r$FV.「f?l一占.、廣『-A公叫■vr_rM大兩柚電成fr-?i-LiLm—F、，Al^[jinu.T=\4i_I:}h漏晦電壓￡m=E—Ui9j=2tJi1im=f.插出：瞇晉1.的電港/u=/>￡eLlZH比'AlW*I柚出’.段曾的疚向也川Egr/fi-￥’tl‘i隔=僥it.￡妻特點UlM閂MOSHI構(gòu)成T轎，冏攤野￡E囂按白橋的對用魏上Fll4H1UMFKI構(gòu)成全橋，與*橋-王換艷IH比."JSS出吏N的功十采-E網(wǎng)相控制及零命啊登.h陶帶中心電ih.判開菟技靠.次抽％.runLmcsh-:t大降低r珀羹損耗.輪淡|仲鹿顯揮捉高堂換黯的效傘\ic/nc控制端的?：塑產(chǎn)晶UC.M3IICUWiiAICCANO6ICw一1IC5S2MLC3525S:、升壓變換器(buck)與降壓變換器(boost)l.buck(串聯(lián)式)IGS879?：3叫開關(guān)變換器取代線性調(diào)壓早在20世紀60年代就已經(jīng)開始使用，它通過快速開關(guān)晶體管，經(jīng)過電感或電容濾波后，輸出直流電壓的平均值。通過控制晶體管開關(guān)的占空比，可以控制輸出電壓的大小。上圖是最早的開關(guān)型變換器一一buck變換器，當開關(guān)管導(dǎo)通時，輸入電壓通過開關(guān)管、電感L1對負載提供能量，同時為L1、C1進行儲能;當開關(guān)管關(guān)斷時，L1、C1對負載提供能量，二極管D1為儲能電感提供續(xù)流泄放路徑。串聯(lián)——在主回路中開關(guān)器件（下圖中所示的開關(guān)三極管T）與輸入端、輸出端、電感器L、負載RL四者成串聯(lián)連接的關(guān)系。開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，當開關(guān)管T導(dǎo)通時，輸入端電源通過開關(guān)管T及電感器L對負載供電，并同時對電感器L充電，當開關(guān)管T關(guān)斷時，電感器L中的反向電動勢使續(xù)流二極管D自動導(dǎo)通，電感器L中儲存的能量通過續(xù)流二極管D形成的回路，對負載R繼續(xù)供電，從而保證了負載端獲得連續(xù)的電流。串聯(lián)型開關(guān)梏壓電路主回路串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，只能獲得低于輸入電壓的輸出電壓，因此為降壓式變換。例如buck拓撲型開關(guān)電源就是屬于串聯(lián)式的開關(guān)電源2.boost上圖為另外一種最基本的開關(guān)變換器拓撲一一boost變換器拓撲。當開關(guān)管導(dǎo)通時，輸入電壓對電感L1提供能量進行儲能，同時負載由電容C1來提供能量;當開關(guān)關(guān)斷時，輸入電壓與電感L1通過二極管D1共同為負載提供能量，同時電容C1充電以補充在開關(guān)管判斷期間損耗掉的能量。并聯(lián)——在主回路中，相對于輸入端而言，開關(guān)器件（下圖中所示的開關(guān)三極管T）與輸出端負載成并聯(lián)連接的關(guān)系。開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，當開關(guān)管T導(dǎo)通時，輸入端電源通過開關(guān)管T對電感器L充電，同時續(xù)流二極管D關(guān)斷，負載R靠電容器存儲的電能供電；當開關(guān)管T關(guān)斷時，續(xù)流二極管D導(dǎo)通，輸入端電源電壓與電感器L中的自感電動勢正向疊加后，通過續(xù)流二極管D對負載R供電，并同時對電容器C充電。d并聯(lián)型開美裕壓電路主回路d并聯(lián)型開美裕壓電路主回路由此可見并聯(lián)式結(jié)構(gòu)中可以獲得高于輸入電壓的輸出電壓因此為升壓式變換。并且為了獲得連續(xù)的負載電流，并聯(lián)結(jié)構(gòu)比串聯(lián)結(jié)果對輸出濾波電容C的容量有更高的要求。例如boots拓撲型的開關(guān)電源就是屬于并聯(lián)型式的開關(guān)電源。并聯(lián)開關(guān)電源輸出電壓Uo為：并聯(lián)型開維穩(wěn)壓電路主回藉boots拓撲輸出電壓Uo:Uo=Ui（1+D/1-D）=Ui（1/1-D）（D為占空比）1.3.極性反轉(zhuǎn)型變換器結(jié)構(gòu)（inverting）極性反轉(zhuǎn)——輸出電壓與輸入電壓的極性相反。電路的基本結(jié)構(gòu)特征是：在主回路中，相對于輸入端而言，電感器1與負載成并聯(lián)。（也是串聯(lián)式開關(guān)電源的一種，一般又稱為反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源）極性反轉(zhuǎn)型換能電路開關(guān)管T交替工作于通/斷兩種狀態(tài)，工作過程與并聯(lián)式結(jié)構(gòu)相似，當開關(guān)管T導(dǎo)通時，輸入端電源通過開關(guān)管T對電感器L充電，同時續(xù)流二極管D關(guān)斷，負載RL靠電容器存儲的電能供電；當開關(guān)管T關(guān)斷時，續(xù)流二極管D導(dǎo)通，電感器L中的自感電動勢通過續(xù)流二極管D對負載RL供電，并同時對電容器C充電；由于續(xù)流二極管D的反向極性，使輸出端獲得相反極性的電壓輸出。并聯(lián)型開維穩(wěn)壓電路主回藉極性反轉(zhuǎn)型換能電路反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出電壓Uo為：由（1-27）式可以看出，反轉(zhuǎn)式串聯(lián)開關(guān)電源輸出電壓與輸入電壓與開關(guān)接通的時間成正比，與開關(guān)關(guān)斷的時間成反比。三、常見隔離拓撲前面討論的buck與boost開關(guān)變換器拓撲有一個明顯的缺點，就是它們的輸入回路和輸出回路共地，并且無法實現(xiàn)多路輸出。下面介紹的正激變換器、推挽變換器、半橋變換器、全橋變換器有很多共同的特點，如這些拓撲全部利用變壓器把能量傳遞到負載、輸入輸出回路隔離不共地、可以利用變壓器多個次級繞組實現(xiàn)多路輸出。1.正激變換器（ForwardConvert）正激變換器由Buck變換器派生而來，如下圖所示，在Buck變換器輸入端加入變壓器對輸入信號進行隔離，再由二極管D3對變壓器輸出信號進行半波整流輸出PWM脈沖信號代替原來由高端開關(guān)形成PWM輸入。同時，為了簡化驅(qū)動電路，開關(guān)管由高端浮地改為低端開關(guān)？？，形成正激變換器的基本結(jié)構(gòu)（缺磁復(fù)位電路沒有顯示）。當開關(guān)管導(dǎo)通時，同名端相對于異名端為正二極管D2正偏，二極管D3反偏，輸入功率通過變壓器經(jīng)過D3、L3給負載提供能量，同時給電感L2儲存能量;當開關(guān)管關(guān)斷時，輸入能量傳遞不到副邊，電感L2里面存儲的能量通過D2傳送到負載。正激變壓器在輸出功率150W~200W，輸入電壓較低，60~250V的場合，正激變換器可能是最廣泛應(yīng)用的拓撲。若輸入電壓低于60V,則對應(yīng)最小輸入電壓所需的初級輸入電流就太大。若最大輸入電壓超過250V，則開關(guān)管的最大電壓應(yīng)力太大。若輸出功率超過200W，對于任何直流輸入電壓，所需的輸入電流太大。2.推挽變換器推挽變換器可以理解為由兩路正激電路并聯(lián)構(gòu)成，如下圖所示。由于推挽變換器原邊有兩個相差180度相位的繞組交換傳遞能量到副邊輸出級，所以副邊采用帶中間抽頭的雙繞組，并采用全波整流，可以去除在正激變換器中開關(guān)管關(guān)閉時，由儲能電感對外提供能量的周期，整個開關(guān)周期都有能量從原邊傳遞到副邊。由于不需要儲能電感的續(xù)流功能，所以續(xù)流二極管D2也只可以省略。即原邊輸入級采用兩路正激變換器的輸入級交錯并聯(lián)，副邊合理的節(jié)省部分整流、濾波電路后，即派生出典型的推挽式開關(guān)電源變換器。對于推挽式開關(guān)電源變換器，由于上面已經(jīng)提到，整個開關(guān)周期都有能量從輸入側(cè)傳遞到輸出測，沒有儲能電感續(xù)流供電過程，采用全波或橋式整流后，其輸出電壓的脈動系數(shù)和電流的脈動系數(shù)都很小，因此只需要很小的輸出濾波電感、電容，就可以得到電壓紋波與電流紋波都很小的輸出電壓，其輸出電壓特性非常好。其次，由于推挽式開關(guān)電源中的變壓器磁芯屬于雙向極化，工作在一、三象限，其磁芯利用率較正激變換器更高。另外，推挽式開關(guān)電源變換器的兩個開關(guān)管都有一個公共接地端，相對于半橋、全橋拓撲來講，其驅(qū)動電路可以簡化很多，這也是推挽拓撲的一個優(yōu)點。

與其優(yōu)點一樣，推挽拓撲的缺點一樣非常鮮明。與正激拓撲一樣，由于每個開關(guān)管在關(guān)斷期間承受的電壓為兩倍輸入電壓（不包括因開關(guān)管通斷與寄生參數(shù)造成的開關(guān)尖峰），推挽拓撲不適用于輸入電壓較高的場合。3.反激變換器(FlybackConverter)前面講到的幾種變換器，除boost夕卜，都是在開關(guān)管導(dǎo)通時將能量傳遞到負載端。這里要講的反激變換器則不同，在反激拓撲中，開關(guān)管導(dǎo)通時，變壓器存儲能量，負載電流由輸出濾波電容提供;開關(guān)管關(guān)斷時，變壓器將存儲的能量傳遞到負載，并給輸出電容充電來補償開關(guān)管導(dǎo)通期間輸出電容放電消耗的能量。反激拓撲在高電壓、小功率的應(yīng)用專用（電壓不大于5000V，功率幾十瓦），如果輸入電壓較高，初級電流適當，反派拓撲可以用在輸出功率高達150W的電源中。它最大的優(yōu)點在于不需要接buck類拓撲都需要的輸出電感，使反激變換器結(jié)構(gòu)簡化、體積減小、成本降低。所謂反激式變壓器開關(guān)電源，是指當變壓器的初級線圈正好被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈沒有向負載提供功率輸出而僅在變壓器初級線圈的激勵電壓被關(guān)斷后才向負載提供功率輸出，這種變壓器開關(guān)電源稱為反激式開關(guān)電源。反激式電路與正激式電路相反，脈沖變壓器的原/付邊相位關(guān)系，確保當開關(guān)管導(dǎo)通，驅(qū)動脈沖變壓器原邊時，變壓器付邊不對負載供電，即原/付邊交錯通斷。脈沖變壓器磁能被積累的問題容易解決，但是，由于變壓器存在漏感，將在原邊形成電壓尖峰，可能擊穿開關(guān)器件，需要設(shè)置電壓鉗位電路予以保護D3、N3構(gòu)成的回路。從電路原理圖上看，反激式與正激式很相象，表面上只是變壓器同名端的區(qū)別，但電路的工作方式不同，D3、N3的作用也不同。DIl—*o單端正激式開夫電源主回路單端正激式開夫電源主回路反激式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓為：(1-110)式中，Uo為反激式變壓器開關(guān)電源的輸出電壓，Ui變壓器初級線圈輸入電壓，D為控制開關(guān)的占空比，n為變壓器次級線圈與初級線圈的匝數(shù)比。2.3.推挽Pushpull(變壓器中心抽頭)式這種電路結(jié)構(gòu)的特點是：對稱性結(jié)