《 開關(guān)電源拓?fù)潆娐返幕拘褪?》

 

 

 

 

 

一、電路拓?fù)?/span>

 

拓?fù)洌且粋€數(shù)學(xué)概念，主要研究幾何圖形或空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的一些性質(zhì)。

 

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是表示點和線之間關(guān)系的圖。要考察的是點、線之間的位置關(guān)系，或者說幾何結(jié)構(gòu)強(qiáng)調(diào)的是點與線所構(gòu)成的形狀及大小。

如梯形、正方形、平行四邊形及圓都屬于不同的幾何結(jié)構(gòu)，但從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度去看，由于其點、線之間的連接關(guān)系相同，從而具有相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即環(huán)型結(jié)構(gòu)。

 

電路拓?fù)洌傅氖且环N描述電子電路中元器件連接形式和互聯(lián)方式的圖形表述法。是對電路圖的再次抽象，僅由支路和節(jié)點構(gòu)成的一個集合，它強(qiáng)調(diào)的是電路的連接關(guān)系及其性質(zhì)，即支路與節(jié)點的連接關(guān)系。

它考慮的是元器件之間的邏輯結(jié)構(gòu)，而不關(guān)心具體的元器件屬性和數(shù)值。以此來分析電路工作原理、優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)、判斷電路可靠性等。

 

在電路拓?fù)渲校骷?/span>之間的連接方式被看做是一個抽象的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。這個結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了每個元器件的連接方式和方向、路徑的傳遞方式、回路的存在與否等重要信息。相比于其他描述電路的方法，如原理圖和布局圖，電路拓?fù)涓雍啙嵜髁耍粫驗榍€的不同而產(chǎn)生混淆。

 

電路拓?fù)渲饕呻娫?/span>（輸入源）、負(fù)載、其它元器件、線性段、交叉點、分支和節(jié)點構(gòu)成。其中，電源、負(fù)載和其它元器件用其對應(yīng)的符號表示；線性段代表連接元器件的導(dǎo)線；交叉點代表兩個或多個導(dǎo)線相互穿過；分支代表一個電路的一部分在某個位置匯合為一個點；節(jié)點是電路中信號或者電流的匯聚點或輸出點，即，多個元器件的連接點。

 

電路拓?fù)涞脑O(shè)計和實現(xiàn)需要考慮到電路中磁性元件和閉環(huán)補(bǔ)償電路以及所有其它電路元器件的特性、工作電壓和信號要求等因素。因此，在設(shè)計電路拓?fù)鋾r，必須首先對電路功能、穩(wěn)定性、可靠性和安全性進(jìn)行系統(tǒng)分析和深入研究。其次，制定合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案，并通過實驗驗證其合理性和有效性。最后，借助電路仿真軟件對電路進(jìn)行仿真分析，以確保最終產(chǎn)品符合設(shè)計要求。

 

二、開關(guān)電源拓?fù)潆娐返幕拘褪?/span>

 

BUCK拓?fù)洌ù?lián)型/降壓式）：BUCK降壓電路是開關(guān)電源中最簡單且常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一。它主要通過控制開關(guān)管的通斷，將輸入電壓降至較低輸出電壓。在BUCK電路中，開關(guān)管和電感器以及輸出電容等元件協(xié)同工作，以實現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出。  

這種電路結(jié)構(gòu)簡單，效率高，非常適合作為用于降壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

不僅可以實現(xiàn)高效率，也可以達(dá)到高功率。BUCK轉(zhuǎn)換器的缺點是輸入電流始終不連續(xù)，從而導(dǎo)致高EMI。

 

BOOST拓?fù)洌ú⒙?lián)型/升壓式）：與BUCK降壓電路相反，BOOST升壓電路主要用于較低的輸入電壓升高至所需的輸出電壓。在BOOST電路中，開關(guān)管、電感器和二極管等元件通過特定的連接方式工作時序，實現(xiàn)電壓的升高。

由于BOOST拓?fù)湓谶B續(xù)導(dǎo)通模式下工作時會以連續(xù)、均勻的方式吸收電流，因此它是功率因素校正電路的理想選擇。

 

BUCK-BOOST拓?fù)洌ǖ箻O性/降壓升壓式）：BUCK-BOOST電路結(jié)合了BUCK和BOOST電路的特點，既可以實現(xiàn)降低功能，也可以實現(xiàn)升壓功能。這種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，但具有更靈活的應(yīng)用范圍。在需要同時滿足降壓和升壓需求的場合，BUCK-BOOST電路是一個很好的選擇。

 

FLYBACK拓?fù)洌ǚ醇な剑?/span>：FLYBACK電路常見于低功率應(yīng)用場景和設(shè)備，是一種隔離式拓?fù)洌谧儔浩鞯拇鎯δ芰總鬏斣恚饕砷_關(guān)元件（如二極管或晶體管）、輸入電容和輸出電容組成。

在FLYBACK拓?fù)渲校斎胼敵鲭娙莅缪葜匾巧兄诜€(wěn)定電源輸出和防止干擾。典型的反激式電源原理圖通常展示了開關(guān)元件、變壓器、輸入輸出電容以及其他必要的電子元件如何連接在一起，形成完整的電源電路。

 

FORWARD拓?fù)洌ㄕな剑?/span>：FORWARD電路是一種隔離式拓?fù)洌浠窘Y(jié)構(gòu)包括一個開關(guān)管、一個高頻變壓器和輸出整流二極管，這種簡單的結(jié)構(gòu)使得正激電路在中小功率電源變換場合得到廣泛應(yīng)用。

FORWARD電路可應(yīng)用于降壓、升壓等多種電壓變換場景，適應(yīng)不同的電源需求。由于其結(jié)構(gòu)特點，正激式電路易于實現(xiàn)多路輸出，適合于需要多個獨立電源輸出的系統(tǒng)。特別是在供電電源要求低電壓大電流的場合尤為適合。

在開關(guān)關(guān)斷期間，為了防止變壓器鐵芯磁飽和，必須采用專門的磁復(fù)位電路，這增加了電路的復(fù)雜性，也影響了它的效率。

由于磁復(fù)位技術(shù)的多樣性和軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，正激電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出多樣性。不同的應(yīng)用場景可用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來優(yōu)化性能和效率。

FORWARD拓?fù)潆娐肥且环N成熟且應(yīng)用廣泛的電力電子技術(shù)，它通過簡單的結(jié)構(gòu)和多樣性的拓?fù)渥兓瑵M足了不同場合的電源需求。

 

TWO-TRANSISTOR FORWARD拓?fù)洌p晶體管正激式）：雙晶體管正激式拓?fù)潆娐罚捎脙蓚€功率開關(guān)晶體管（通常稱為莫氏管）來控制電源的開關(guān)時間。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基于單管正激式發(fā)展而來，具有以下特點：

可靠性：由于輸入和輸出之間存在隔離，雙晶體管正激式轉(zhuǎn)換器屬于初級開關(guān)轉(zhuǎn)換器系列，能夠承受電壓尖峰，提高了系統(tǒng)的可靠性。

功率范圍：適用于高達(dá)數(shù)百瓦的輸出功率，適合于大功率電源應(yīng)用。

控制方式：兩個晶體管由脈寬調(diào)制（PWM）控制，實現(xiàn)同時導(dǎo)通和截止，提高了轉(zhuǎn)換效率。

轉(zhuǎn)換效率：與單管正激式相比，雙管正激式具有更高的轉(zhuǎn)換效率。在單管正激式中，開關(guān)管在復(fù)位過程會承受兩倍的輸入電壓，而在雙管正激式中，兩個晶體管同時導(dǎo)通和關(guān)閉，使得每個晶體管承受的電壓為輸入電壓，從而降低了對晶體管耐壓的要求，提高了轉(zhuǎn)換效率。

應(yīng)用領(lǐng)域：適用于需要高轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性好、動態(tài)響應(yīng)速度快和低輸出紋波的應(yīng)用場景，特別是在大功率電源中成為主流選擇。

雙晶體管正激式拓?fù)涫且环N高效、可靠的電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，特別適用于大功率電源系統(tǒng)，通過使用兩個晶體管并采用脈寬調(diào)制控制，提高了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。

 

Push-Pull拓?fù)洌ㄍ仆焓剑?/span>：Push-Pull拓?fù)洌环N非隔離式拓?fù)洌情_關(guān)電源設(shè)計中的一種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它由兩個參數(shù)相同的功率晶體管（如BJT或MOSFET）組成，這兩個晶體管以推挽方式工作，交替導(dǎo)通和截止。

在Push-Pull電路中，每次只有一個晶體管導(dǎo)通，因此具有較高的效率和較小的導(dǎo)通損耗。推挽輸出的特點是可以向負(fù)載灌電流，也可以從負(fù)載抽取電流。

Push-Pull電路包含兩個對稱的功率開關(guān)管，這兩個開關(guān)管通過一個互補(bǔ)的信號控制，確保在一個時刻只有一個管子導(dǎo)通，另一個管子截止。

當(dāng)一個開關(guān)管導(dǎo)通時，電流通過變壓器的一個線圈流向負(fù)載，同時另一個線圈產(chǎn)生相應(yīng)的磁場。在下一個周期中，原來導(dǎo)通的開關(guān)管截止，另一個開關(guān)管導(dǎo)通，此時電流通過變壓器的另一個線圈流向負(fù)載，原線圈的磁場方向相反。這種交替導(dǎo)通和截止的方式，使得推挽電路能夠在變壓器初級線圈產(chǎn)生交變信號，從而實現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換。

Push-Pull電路結(jié)構(gòu)簡單，開關(guān)變壓器磁芯利用率高。適用于需要較高功率輸出的應(yīng)用場景。Push-Pull拓?fù)溥m用于多種應(yīng)用場景，包括但不限于隔離式電源設(shè)計、低噪聲、小型隔離式電源解決方案等。

變壓器需要中心抽頭，增加了設(shè)計的復(fù)雜性。開關(guān)管的電壓應(yīng)力較高，需要承受相當(dāng)于兩倍電源電壓的耐壓。輸入電流紋波較大，可能導(dǎo)致較大的輸入濾波器體積。

 

HALF BRIDGE拓?fù)洌ò霕蚴剑?/span>：HALF BRIDGE拓?fù)洌且环N常用的非隔離式開關(guān)電源拓?fù)洌ㄟ^兩個開關(guān)管交替導(dǎo)通來形成一個半橋結(jié)構(gòu)。這種電路能夠在電源電路中實現(xiàn)零電壓開關(guān)，從而降低開關(guān)損耗并提高轉(zhuǎn)換效率。

HALF BRIDGE拓?fù)潆娐吠ǔ０瑑蓚€功率半導(dǎo)體開關(guān)管、一個電感和一個電容，它只有半個橋臂，因此稱為“半橋”。這兩個開關(guān)管分別位于交流電源的正負(fù)半周，通過開關(guān)管的開關(guān)控制來實現(xiàn)電源電壓的變換。

HALF BRIDGE拓?fù)潆娐烦Ｒ娪诘凸β蕬?yīng)用場景。

 

FULL BRIDGE拓?fù)洌ㄈ珮蚴剑?/span>：FULL BRIDGE拓?fù)洌且环N可將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的非隔離式電路拓?fù)洹Ｋ饕伤膫€橋臂組成，每個橋臂都包含一個可控開關(guān)管和一個二極管并聯(lián)。這兩個橋臂串聯(lián)后，再并聯(lián)形成全橋結(jié)構(gòu)。輸入端連接在串聯(lián)橋臂的兩端，而輸出端則是兩串聯(lián)橋臂的中點。負(fù)載跨接在輸出端的兩極之間。

FULL BRIDGE拓?fù)潆娐吠ㄟ^控制開關(guān)管的工作狀態(tài)，可以實現(xiàn)直流電轉(zhuǎn)換為交流電的目的。它由四個開關(guān)管和一個負(fù)載組成，其中兩個對稱的開關(guān)管控制電源正負(fù)極之間的電流方向，另外兩個開關(guān)管與這兩個開關(guān)管并聯(lián)，實現(xiàn)電流的反向流動。當(dāng)開關(guān)管的工作狀態(tài)變化時，所連接的負(fù)載上的電壓與電流也會發(fā)生相應(yīng)的變化。

FULL BRIDGE拓?fù)潆娐吩陔娏﹄娮宇I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如在交流電源中用于將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，或在電機(jī)控制中進(jìn)行變頻調(diào)速和正弦波控制。FULL BRIDGE拓?fù)潆娐罚蓱?yīng)用于大功率場合，能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)，降低開關(guān)損耗，提高轉(zhuǎn)換效率。

 

SEPIC拓?fù)洌ǚ歉綦x型）：SEPIC拓?fù)潆娐罚窃贐OOST拓?fù)浠A(chǔ)上增加一個CL（電容和電感）環(huán)節(jié)而形成的一種四階非線性系統(tǒng)，它允許輸出電壓大于、小于或等于輸入電壓。

使用兩個獨立的分立功率電感，輸出電流（脈動小）波形穩(wěn)定，有助于減少電磁干擾（EMI）輻射和對負(fù)載的影響。

它通過CDC（電容數(shù)位化轉(zhuǎn)換）技術(shù)實現(xiàn)輸入輸出同極性。在控制方法層面可以采用PID、模糊自適應(yīng)PID等算法進(jìn)行控制，在控制對象選擇方面可以采用針對電壓的單閉環(huán)、和針對電流、電壓的雙閉環(huán)控制。

它的基本工作原理涉及斬波電路，它是開關(guān)電源六種基本DC/DC變換拓?fù)渲弧＿@種電路在電源管理系統(tǒng)中扮演著重要角色，特別是在需要靈活調(diào)節(jié)電壓并要求高效率的應(yīng)用中。

SEPIC拓?fù)潆娐分敵鲆子跀U(kuò)展，可廣泛應(yīng)用于升降壓型直流變換電路和功率因數(shù)校正電路，更能夠在很寬的電壓輸入范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的輸出電壓。

 

CUK拓?fù)洌ǚ歉綦x型）：CUK拓?fù)潆娐罚且环N直流電源轉(zhuǎn)換器，屬于開關(guān)電源六種基本DC/DC變換拓?fù)渲弧Ｋ擅绹又堇砉W(xué)院的Slobodan Cuk在1980年左右提出，是對Buck/Boost變換器的改進(jìn)型。CUK變換器可以看作是BOOST變換器和BUCK變換器的串聯(lián)組合，中間合并了開關(guān)管。這種變換器具有以下特點：

輸入和輸出端均沒有電感，這有助于顯著減小輸入和輸出電流的脈動。

輸出電壓的極性與輸入電壓相反，這意味著輸出電壓既可以低于也可以高于輸入電壓。

具有CCM（連續(xù)導(dǎo)電模式）和DCM（斷續(xù)導(dǎo)電模式）兩種工作方式，這是指流過二極管的電流在開關(guān)周期中的狀態(tài)。

CUK變換器中的兩個電感之間可以沒有耦合，也可以有耦合，耦合電感可以進(jìn)一步減少電流脈動量。

CUK電路的結(jié)構(gòu)包括輸入濾波電容、開關(guān)管、輸入電感、輸出電感和輸出電容等元件。它的功能不僅限于升降壓轉(zhuǎn)換，還能實現(xiàn)輸出電壓極性與輸入電壓相反的轉(zhuǎn)換，這使得CUK變換器在電源管理系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。

CUK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高效率和輸出電壓不受輸入電壓大小影響的特性，使其非常適合于低電壓大電流的應(yīng)用場景。

 

ZETA拓?fù)洌ǚ歉綦x型）：Zeta拓?fù)潆娐钒瑑蓚€電感、兩個電容和一個開關(guān)管，其中輸入電壓對電感充電，同時電容釋放之前存儲的能量。在開關(guān)管關(guān)斷時，電感和電容釋放存儲的能量，為負(fù)載提供能量。

Zeta拓?fù)渫ㄟ^一個驅(qū)動高端PMOSFET的降壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行配置，其工作原理涉及輸入電壓對電感的充電和電容的放電過程。相比SEPIC拓?fù)洌哂懈偷妮敵鲭妷杭y波和更簡單的補(bǔ)償需求，適合對電源效率有較高要求的場合。

設(shè)計SEPIC拓?fù)潆娐窌r，需要考慮電感和電容的匹配以及開關(guān)管的選型，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率；設(shè)計Zeta轉(zhuǎn)換器時，重點在于優(yōu)化電感和電容的值，以及選擇合適的控制器，以實現(xiàn)快速響應(yīng)和低紋波輸出。

Zeta拓?fù)涞囊粋€重要特點是其輸入輸出關(guān)系，它的輸入、輸出電流均是斷續(xù)的。這種特性使得Zeta電路在功率因子校正（PFC）應(yīng)用中具有優(yōu)勢，因為它允許輸入電流自動跟隨輸入電壓，從而簡化了控制策略并降低了成本。

與Boost拓?fù)浜虰uck拓?fù)潆娐废啾龋琙eta拓?fù)潆娐吩赑FC應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)點，因為其功率因子不受占空比的影響，使得Zeta拓?fù)錁?gòu)成的PFC電路在功率因子的表現(xiàn)上優(yōu)于其他變換器。

Sepic拓?fù)渫ǔＳ糜谛枰斎牒洼敵鲭妷簶O性相同，但電壓范圍不同的應(yīng)用場合，如升壓或降壓轉(zhuǎn)換器；Zeta拓?fù)鋭t適用于需要輸出電壓極性反轉(zhuǎn)的應(yīng)用，如電壓極性反轉(zhuǎn)器或雙向電源等。Sepic拓?fù)湓谀承?yīng)用場景下可能具有較高的效率，特別是在中等功率范圍。Zeta拓?fù)涞男士赡芤驊?yīng)用場景而異，但在特定需求下（如電壓極性反轉(zhuǎn)）表現(xiàn)良好。

Zeta拓?fù)潆娐肪哂械图y波、低噪聲、高效率等優(yōu)點，適用于各種需要非隔離直流電源的場合。