开关电源常用的基本拓扑种类讲解
DC-DC电源拓扑及其工作模式讲解
DC-DC电源拓扑及其工作模式讲解一、DC-DC电源基本拓扑分类：开关电源的三种基本拓扑结构有Buck、Boost、Buck-boost（反极性Boost）。
如果电感连接到地，就构成了升降压变换器，如果电感连接到输入端，就构成了升压变换器。
如果电感连接到输出端，就构成了降压变换器。
基本拓扑图如下：1.Buck2.Boost3.Buck-Boost二、DC-DC复杂拓扑结构1.反激隔离电源（FlyBack）另外有些隔离电源拓扑就是通过基本拓扑增加变压器或者变化得到的，例如反激隔离电源（FlyBack）。
2.Buck+Boost拓扑本质是用一个降压“加上”一个升压，来实现升降压。
SEPIC拓扑：集成了Boost和Flyback拓扑结构3.Cuk、Sepic、Zeta拓扑通过基本拓扑直接组合，形成了三个有实用价值的拓扑结构：Cuk、Sepic、Zeta。
Cuk的本质是Boost变换器和Buck变换器串联，Sepic的本质是Boost和Buck-Boost串联，Zeta可以看成Buck和Buck-Boost串联。
但是里面有些细节按照电流的方向在演进的过程中调整了二极管的方向，两极串联拓扑节省了复用的器件。
通过这样串联和演进，产生了新的三个电源拓扑。
同时，如果我们把同步Buck拓扑串联同步Boost可以形成四开关Buck-Boost拓扑。
4.四开关Buck-Boost拓扑同时，如果我们把同步Buck拓扑串联同步Boost可以形成四开关Buck-Boost拓扑5.反激、正激、推挽拓扑的演进利用变压器代替电感，可以把Boost演进为一个新拓扑FlyBack即反激变换器（反激的公式来看又是很像Buck-Boost，这里变压器不同于电感，也有说法会说反激是Buck-Boost变过来的）。
可以把Buck电路的开关通过一个变压器进行能量传递，就形成正激变换器。
将两个正激变换器进行并联，可以形成推挽拓扑。
正激的变压器，是直接输送能量过去，而不是像反激变压器那样传递能量。
开关电源拓扑结构。
D1
NU o NU o Ui
N是变压器的变压比
Uo
Up Ni
iL
iL1 N
Hale Waihona Puke I L max N
2Io N
2U o NR
Ui D1Ts NL
i L1
Ui D1Ts L
L Ui D1Ts R 2U o
Flyback变换器的优缺点比较
优点： 1、电路简单，能高效提供多路直流输出，因此适合多组输 出的要求，并可通过调节占空比D1的大小升压或降压。 2、输出功率为20~100w，可以同时输出不同的电压且有较 好的电压调整率。不需接输出滤波电感，使反激变换器成本 降低，体积减小。 缺点： 1、输出的纹波电压较大，外特性差，负载调整精度不高， 因此输出功率受到限制,通常应用于150W 以下。适用于相对 固定的负载。 2、与其他隔离变换器相比效率较低。
K由接通突然转为关断瞬间，流过变压器初级线 圈的电流i1突然为0，由于磁通不能突变，因此， 在K关断的Toff期间，变压器铁心中的磁通主要由 N2线圈回路中的电流来维持,N2中产生反激电流 ，流过D向电容C和负载R供电。
开关管导通 时等效电路
开关管关断 时等效电路
Buck-Boost拓扑结构简介
反激式变压器开关电源的工作情况同BUCK-BOOST拓扑极为相似。
另两种电感电流模式的介绍
CCM模式 D1+D2=1
DCM模式 D1+D2<1
Uo D1 Ui (D1 D2 )
二、Boost拓扑结构——升压式变换电路（非隔离）
Boost变换器：也称升压式变换器，是一种输出电压高 于输入电压的单管不隔离直流变换器。 该稳压电路元器件与前面讲的Buck变换电路一样，只是 摆放位置不同，由此导致其功能也不同。
开关电源拓扑结构
开关电源拓扑结构回顾Lloyd H·Dixon Jr前言本文回顾了在开关电源中常用的三种基本电路系列即降压变换电路、升压变换电路和反激（或升降压）电路的特性，这三种电路均可以工作于电感断流或续流模式下。
工作方式的选择对整体电路特性有很大的影响。
所使用的控制方式也能有助于减少与拓扑和工作模式相关的问题。
三种以恒频率工作的控制方法包括：直接占空比控制、电压前馈、和电流模式（双环）控制。
本文还论述了三个基本电路的一些扩展，以及每种拓扑、工作模式、组合控制方法的相对优点。
一、三种基本拓扑结构：三种基本的拓扑结构降压式，升压式，反激式如图1所示。
串联式变换器（CUK）是反激式拓扑的倒置（不宜翻译为逆变，因其意思为DC－AC的变换），不作论述。
这三种不同的开关电路使用了三种相同的元件：电感，晶体管（晶体管包括三极管及MOSFET）和二极管，但是使用了不同的安放方式，（输出电容是滤波元件，不是开关电路的一部分）。
理论上，还有另外三种由这三种元件组成的T型结构的电路，但这三种是前面三种电路的简单镜像和在相反方向的耦合能量。
有一条在任何运行模式和控制方式下都适用于上述三种电路拓扑的原则：在稳态运行下，在每个开关周期内，电感两端的平均电压必须为零，否则平均感应电流将会改变，违反稳态前提。
三种基本电路系列的每一个在输入和输出电压、电流、占空比之间都有一个确定的关系。
例如：降压调整器的功能是使输出电压V0小于输入电压Vin，并和它Vin 有相同的极性。
升压电路的作用是使V大于Vin，并且有相同的极性。
反激拓扑电路的作用是使V0既可大于也可小于Vin，但是两者极性相反。
二、断流工作模式：在电感电流断续方式下，或者说“断流模式”下，降压、升压和反激电路的动作方式是相似的，电感电流在每个开关周期的最后部分期间为零（因此不连续）。
在每个周期的开始部分，感应电流从零增加，从输入端得到储存能量。
在周期的第二部分，所有储存的能量通过负载泄放，从输入端汲取能量到输出端。
最详细的5种开关电源拓扑结构
开关电源分类
开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。 非隔离——输入端与输出端电气相通，没有隔离。 1、串联式结构是指在主回路中，相对于输入端而言，开 关器件与输出端负载成串联连接的关系。例如buck拓扑型 开关电源就是属于串联式的开关电源 2、并联式结构是指在主回路中，相对于输入端而言，开 关器件与输出端负载成并联连接的关系。例如boost拓扑 型开关电源就是属于串联式的开关电源 3、极性反转结构是指输出电压与输入电压的极性相反。 电路的基本结构特征是：在主回路中，相对于输入端而言， 电感器L与负载成并联。Buck-boost拓扑就是反极性开关 电源
工作过程分析
工作过程： 1、当K导通时→IL 线性增加，D截止此 时C向负载供电 2、当K断开时→Ul 和Ui串联，以高于 Uo的电压向C充电同 时向负载供电，此时 D导通,IL逐渐减小 若IL减小到0，则D 截止，只有C向负载 供电
CCM和DCM模式下的各点电压
由上可知BOOST电路也会出现电感电流断续的情况，即 也有CCM 和DCM两种模式，各点电压分别如左右所示 在DCM模式下若IL值逐渐减小到Io，则C和L同时向负载放 电， 若IL值继续减小直至0，则D关断，只有C向负载放电，直 到下次周期开始
DCM模式下的电压增益比
τ <0.5D1(1-D1)(1-D1)时，IL不连续,同样利用IL的 上升部分同下降部分相等可以得到电压增益M= （D1+D2）/D2 此时D1+D2<1，又有IL在Ts内的平均值是 Is,Is=Vs(D1+D2)D1Ts/2L=MIo. 从以上两式可以得到
1 1 2D12 / D1 M 0.5 2 2
常用开关电源拓扑结构
开关电源拓扑结构概述(降压,升压,反激、正激)主回路—开关电源中，功率电流流经的通路。
主回路一般包含了开关电源中的开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器、等所有功率器件，以及供电输入端和负载端。
开关电源（直流变换器）的类型很多，在研究开发或者维修电源系统时，全面了解开关电源主回路的各种基本类型，以及工作原理，具有极其重要的意义。
开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。
1. 非隔离式电路的类型：非隔离——输入端与输出端电气相通，没有隔离。
1.1. 串联式结构串联——在主回路中开关器件（下图中所示的开关三极管T）与输入端、输出端、电感器L、负载RL四者成串联连接的关系。
开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T及电感器L对负载供电，并同时对电感器L充电，当开关管T关断时，电感器L中的反向电动势使续流二极管D自动导通，电感器L中储存的能量通过续流二极管D形成的回路，对负载R继续供电，从而保证了负载端获得连续的电流。
串联式结构，只能获得低于输入电压的输出电压，因此为降压式变换。
例如buck拓扑型开关电源就是属于串联式的开关电源/blog/100019740上图是在图1-1-a电路的基础上，增加了一个整流二极管和一个LC滤波电路。
其中L 是储能滤波电感，它的作用是在控制开关K接通期间Ton限制大电流通过，防止输入电压Ui直接加到负载R上，对负载R进行电压冲击，同时对流过电感的电流iL转化成磁能进行能量存储，然后在控制开关T关断期间Toff把磁能转化成电流iL继续向负载R提供能量输出；C是储能滤波电容，它的作用是在控制开关K接通期间Ton把流过储能电感L的部分电流转化成电荷进行存储，然后在控制开关K关断期间Toff把电荷转化成电流继续向负载R提供能量输出；D是整流二极管，主要功能是续流作用，故称它为续流二极管，其作用是在控制开关关断期间Toff，给储能滤波电感L释放能量提供电流通路。
开关电源基本拓扑结构剖析
Vout Dy Vin Dy D
(1.12)
Io
1 Ts
I Lf max 2
(Ton
T' off
)
1 2 I Lf max(Dy D)
(1.13)
开关电源基本拓扑
开关电源技术——郑琼林
9
电感电流临界连续
2 I o Lf max i
1
(1.14)
iLf
max
Vin Vo Lf
DyTs
(1.15)
IoG
(1 Dy )Dy 2Lf fs
Vin
Fig 1.4 Vin=const
开关电源基本拓扑
开关电源技术——郑琼林
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Vout = constant (输出电压恒定) For Vo=Vin Dy, so eq.(1.16) can be reformed as:
I oG
(1 2L
Dy f fs
)
Fig 3.1 Configuration of Buck/Boost converter main circuit
开关电源基本拓扑
开关电源技术——郑琼林
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电感电流连续时的工作模式 (CCD)
Mode 1
Fig 3.2
Mode 2
开关电源基本拓扑
开关电源技术——郑琼林
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电流连续时(CCM)的工作原理(operating principle)
Vout
Fig 1.5 Vout=const
开关电源基本拓扑
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开关电源基本拓扑结构
二、并联型——boost converter
升压式(Boost)变换器是一种输出电压等于或高于输入电压的单管非隔离直流变换 器。下图给出了它的电路拓扑图。Boost变换器的主电路由开关管Q，二极管 D，输出滤波电感Lf和输出滤波电容Cf构成。
开关电源各种拓扑结构集锦详解 后附笔记
《精通开关电源设计》笔记三种基础拓扑（buck boost buck-boost ）的电路基础： 1， 电感的电压公式dtdILV =＝T I L ∆∆，推出ΔI ＝V ×ΔT/L2， sw 闭合时，电感通电电压V ON ，闭合时间t ON sw 关断时，电感电压V OFF ，关断时间t OFF3， 功率变换器稳定工作的条件：ΔI ON ＝ΔI OFF 即，电感在导通和关断时，其电流变化相等。
那么由1，2的公式可知，V ON ＝L ×ΔI ON /Δt ON ，V OFF ＝L ×ΔI OFF /Δt OFF ，则稳定条件为伏秒定律：V ON ×t ON ＝V OFF ×t OFF4， 周期T ，频率f ，T ＝1/f ，占空比D ＝t ON /T ＝t ON /（t ON ＋t OFF ）→t ON ＝D/f ＝TD→t OFF ＝（1－D ）/f电流纹波率r P51 52r ＝ΔI/ I L ＝2I AC /I DC 对应最大负载电流值和最恶劣输入电压值ΔI ＝E t /L μH E t ＝V ×ΔT （时间为微秒）为伏微秒数，L μH 为微亨电感，单位便于计算 r ＝E t /（ I L ×L μH ）→I L ×L μH ＝E t /r →L μH ＝E t /（r* I L ）都是由电感的电压公式推导出来 r 选值一般0.4比较合适，具体见 P53电流纹波率r ＝ΔI/ I L ＝2I AC /I DC 在临界导通模式下，I AC ＝I DC ，此时r ＝2 见P51 r ＝ΔI/ I L ＝V ON ×D/Lf I L ＝V O ＦＦ×（1－D ）/Lf I L →L ＝V ON ×D/rf I L 电感量公式：L ＝V O ＦＦ×（1－D ）/rf I L ＝V ON ×D/rf I L 设置r 应注意几个方面：A,I PK ＝（1＋r/2）×I L ≤开关管的最小电流，此时r 的值小于0.4，造成电感体积很大。
开关电源三大基础拓扑
开关电源三大基础拓扑开关电源三大基础拓扑为：Buck、Boost、Buck-Boost，大部分开关电源都是采用这几种基础拓扑或者其对应的隔离方式。
拓扑的分类取决于电感的连接方式。
当我们在电路中设置合适的参考地后，可以得到三个端子：输入端、输出端、地。
若电感一端与地相连，得到buck-boost电路；若与输入端相连，得到boost电路；若与输出端相连，得到buck电路。
三种电路拓扑的小结Buck电路：占空比D≈VO/VIN ，输出电流IO=电感电流IL，电感电流IL额定值≥1.2IL，正输入负输出/负输入正输出；Boost电路：占空比D≈(VO-VIN)/VO，输出电流IO=电感电流IL(1-D)，电感电流IL额定值≥1.2IL，提高输入的值，不改变输入极性；Buck-boost电路：占空比D≈VO/(VO+VIN)，输出电流IO=电感电流IL(1-D)，电感电流IL额定值≥1.2IL，降低输入的值，不改变输入极性。
各类拓扑下的器件选用一、电感的设计对buck拓扑，一般在输入电压最大值Vimax(即占空比最小值Dmin)下设计电感。
将电流纹波率r设置为0.3~0.4。
对buck-boost、boost拓扑，一般在输入电压最小值Vimin(即占空比最大值Dmax)下设计电感。
将电流纹波率r设置为0.3~0.4。
二、二极管的选用1、所选二极管的额定电流至少等于最恶劣平均电流的两倍。
对buck拓扑，ID≥2I0(1-Dmin);对buck-boost、boost拓扑, ID≥2I0。
2、所选二极管的额定电压至少比最恶劣二极管电压大20%。
对buck拓扑，VD≥1.2Vimax；对boost拓扑，VD≥1.2Vo , Vo为输出电压；对buck-boost拓扑，VD≥1.2(Vimax+ Vo)。
三、开关管的选用1、由P=UI，得开关管有效电流值输入电压最小值Vimin(即占空比最大值Dmax)处最大。
2、所选开关管的额定电流至少等于开关管有效电流值的两倍。
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开关电源常用的基本拓扑种类讲解
开关电源常用的基本拓扑约有14种。
每种拓扑都有其自身的特点和适用场合。
一些拓
扑适用于离线式(电网供电的)AC/DC变换器。
其中有些适合小功率输出(<200W)，有些
适合大功率输出；有些适合高压输入(≥220V AC)，有些适合120V AC或者更低输入的
场合；有些在高压直流输出(>～200V)或者多组(4～5组以上)输出场合有的优势；有些
在相同输出功率下使用器件较少或是在器件数与可靠性之间有较好的折中。
较小的输入/输出纹波和噪声也是选择拓扑经常考虑的因素。
一些拓扑更适用于DC/DC变换器。
选择时还要看是大功率还是小功率，高压输出还是
低压输出，以及是否要求器件尽量少等。
另外，有些拓扑自身有缺陷，需要附加复杂且难
以定量分析的电路才能工作。
因此，要恰当选择拓扑，熟悉各种不同拓扑的优缺点及适用范围是非常重要的。
错误的
选择会使电源设计一开始就注定失败。
开关电源常用拓扑：
buck开关型调整器拓扑、boost开关调整器拓扑、反极性开关调整器拓扑、推挽拓扑、正激变换器拓扑、双端正激变换器拓扑、交错正激变换器拓扑、半桥变换器拓扑、全桥变换器拓扑、反激变换器、电流模式拓扑和电流馈电拓扑、SCR振谐拓扑、CUK
变换器拓扑。