种经典开关电源拓扑结构(1)
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。
常见的开关电源拓扑结构
常见的开关电源拓扑结构本文主要讲述了常见的开关电源拓扑结构特点和优缺点对比。
常见的拓扑结构，包括Buck降压、Boost升压、Buck-Boost降压-升压、Flyback反激、Forward正激、Two-Transistor Forward双晶体管正激等。
上图是常见的基本拓扑结构。
基本的脉冲宽度调制波形这些拓扑结构都与开关式电路有关。
基本的脉冲宽度调制波形定义如下：常见的基本拓扑结构1 Buck降压•把输入降至一个较低的电压。
•可能是最简单的电路。
•电感/电容滤波器滤平开关后的方波。
•输出总是小于或等于输入。
•输入电流不连续(斩波)。
•输出电流平滑。
2 Boost升压•把输入升至一个较高的电压。
•与降压一样，但重新安排了电感、开关和二极管。
•输出总是比大于或等于输入(忽略二极管的正向压降)。
•输入电流平滑。
•输出电流不连续(斩波)。
3 Buck-Boost降压-升压•电感、开关和二极管的另一种安排方法。
•结合了降压和升压电路的缺点。
•输入电流不连续(斩波)。
•输出电流也不连续(斩波)。
•输出总是与输入反向(注意电容的极性)，但是幅度可以小于或大于输入。
•“反激”变换器实际是降压-升压电路隔离(变压器耦合)形式。
4 Flyback反激•如降压-升压电路一样工作，但是电感有两个绕组，而且同时作为变压器和电感。
•输出可以为正或为负，由线圈和二极管的极性决定。
•输出电压可以大于或小于输入电压，由变压器的匝数比决定。
•这是隔离拓扑结构中最简单的。
•增加次级绕组和电路可以得到多个输出。
5 Forward正激•降压电路的变压器耦合形式。
•不连续的输入电流，平滑的输出电流。
•因为采用变压器，输出可以大于或小于输入，可以是任何极性。
•增加次级绕组和电路可以获得多个输出。
•在每个开关周期中必须对变压器磁芯去磁。
常用的做法是增加一个与初级绕组匝数相同的绕组。
•在开关接通阶段存储在初级电感中的能量，在开关断开阶段通过另外的绕组和二极管释放。
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。
开关电源拓扑结构
开关电源拓扑结构开关电源拓扑结构一、定义：开关电源拓扑结构，也称为直流-直流转换器，通常采用小尺寸和轻质的结构，可以将低压或中压的电源转换成更高的直流电压或功率。
它具有体积小、重量轻、效率高、失真小等优点，在日常生活中被广泛应用。
二、组成：开关电源拓扑结构的基本构成包括：输入电路、开关模块、驱动电路、高压变换器、低压变换器、散热器、比较器、控制单元和数显仪等。
1.输入电路：采用有趣磁型滤波电路，具有较好的抗干扰能力，能够有效抑制工频信号，为开关模块提供稳定的电源。
2.开关模块：采用开关变换方式，它是实现输入电压转换成输出电压的基本组件。
3.驱动电路：开关模块的正常工作需要依赖于良好的驱动电路，它的信号周期必须严格控制，以实现电压和功率的平稳转换。
4.高压变换器：变换器的核心部分，也是实现电压转换的重要组件，通常采用电感和电容的加减容组合，以实现输入和输出电压的高效转换。
5.低压变换器：主要配合高压变换器，通过其核心部分电容，对输出电压进行必要的补偿，实现输出电压的平稳变换，保证输出电压的平稳性。
6.散热器：散热器的作用是控制过程中的温度，以防止开关模块过热，发生负载非线性等不良现象。
7.比较器：根据负责负荷管理的外部参数，通过比较器对外围负载信号进行实时修正，以实现轻负荷和小信号振荡的功率幅度调节。
8.控制单元：负责实时调整驱动电路和散热器的信号，以保证正常的电源、散热和负载控制。
9.数字显示仪：它通常是比较器的表示，而数字显示仪则是总结比较器的信息的必要工具，以便调节者实时了解相关信息。
三、优势和应用1.优势：开关电源拓扑结构体积小、重量轻、抗干扰性好、效率高，具有波形失真小、可靠性好、节能效率高、温度补偿能力强等优点。
2.应用：开关电源拓扑结构宽泛地用于医疗设备，汽车、航空航天、工厂自动化设备等场景，得到了越来越多的认可与应用，预计将会在未来领域发挥重要作用。
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。
5种经典开关电源拓扑结构
工作过程分析
工作过程：1、当K导通时 1、当K →IL线性增加，D1截止→ IL线性增加，D1截止→ 此时IL和 此时IL和C向负载供电 当IL＞ Io时，IL向 IL＞ Io时，IL向 C充电也向负载供电 2、当K关断时→L通 、当K关断时→ 过D1形成续流回路， D1形成续流回路， IL向C充电也向负 IL向 载供电→ 载供电→当 IL﹤Io时，L IL﹤Io时，L 和C同时向负载供电。 IL减小到 减小到0 若IL减小到0,则D 关断，只有C 关断，只有C向负载供电
CCM模式下的供能
在CCM模式下，情况则比 较复杂，若Io小于IL的最小 值，则K断开之后，L始终 是向C和R同时供电，即处 于CISM状态下 若Io大于IL的最小值，即与 IL有交点，则当IL下降到Io 以下，C开始放电，L和C 同时向R供能。 核心在于IL和Io大小关系
BUCK-BOOST拓扑
CCM模式下的电压增益
τ>0.5D1(1-D1)(1-D1)时，IL连续,IL的上升部分为 ∆IL1=ViD1Ts/L,IL的下降部分为∆IL2=-（Vo-Vi） D2Ts/L， D1是K闭合，D导通的时间Ton占总周期Ts的比例， D2是K关断，D截止的时间Toff占总周期Ts的比例 由以上两式相等可以得到电压增益M=Vo/Vi=1/(1D1)，此时D1+D2=1 由此处可知BOOST电路是一种升压电路，输入小于 输出
在K关断期间，IL线性下降，若周期结束即K导通瞬间IL不等 于0，则IL呈现左侧图(c)中的波形，电流连续。若K导通之前 IL就已经降为0，IL就会呈现断流的情形，为右侧图（c）的 波形。
临界情况下的电路各点波形
从电路结构可以看出IL的平均值就是输出电流Io, ∆IL为IL在本周期内的最大 变化值。 观察上图的波形可以发现，当电流刚好处在临界状态时，0.5 ∆IL=Io，分析 化简之后可以等效为τ=（1-D1）/2， τ=L/RTs 0.5∆IL<Io时，即τ>（1-D1）/2 ，Io处在连续的状态。 0.5∆IL>Io时，即τ<（1-D1）/2 ， Io则会出现断流的情况。
开关电源(SMPS)的拓扑结构(第一部分)
前馈控制
在降压转换器中，输入电压变化在电压输出端产生的影 响通常可通过输入电压前馈控制降到最低。与模拟控制 方式相比，使用具有输入电压检测功能的数字信号控制 器能轻易实现前馈控制。在前馈控制方法中，数字信号 控制器一旦检测到输入电压的变化，在输入变化对输出 参数造成实际影响之前就将开始采取自适应措施进行相 应的处理。
AN1114
开关电源 （SMPS）的拓扑结构 （第一部分）
作者： Mohammad Kamil Microchip Technology Inc.
简介
工业驱动向更小、更轻和更高效的电子设备的发展趋势 促 进 了 开 关 电 源 （Switch Mode Power Supply， SMPS）的发展。通常可采用几种不同的拓扑结构实现 SMPS。
DS01114A_CN 第 2 页
2008 Microchip Technology Inc.
图 2：
(A)
降压转换器 IIN
Q1 VIN
D1
L
+ IL -
IOUT VOUT
AN1114
(B) Q1GATE
t
(C)
VL
VIN - VOUT
t
-VOUT
(VIN - VOUT)/L
(D)
IIN
t
-VOUT/L IL2
输入和输出电容的设计取决于每一个转换器的开关频率 乘以并联转换器的个数。从输出电容的角度来看纹波电 流减少 “n”倍。与图 2 （D）中所示的单一转换器相 比，多相同步降压转换器汲取的输入电流是连续的且纹 波较少，如图 3 （E）所示。因此，对于多相同步降压 转换器来说，较小的输入电容能满足设计要求。
种经典开关电源拓扑结构课件
升压型开关电源工作原理
总结词
通过控制开关管开通和关断的时间，将输入 电压转换成高于输入电压的输出电压。
详细描述
在升压型开关电源中，当开关管开通时，输 入电压同时加在负载和储能元件上，产生较 大的电流，储能元件充电；当开关管关断时， 电流减小，储能元件释放之前存储的能量。 由于储能元件的充放电作用，输出电压高于 输入电压。通过控制开关管的占空比，可以 调节输出电压的大小。
转换效率
01 02
转换效率
指开关电源将输入的电能转换为输出电能的能力，通常以百分比表示。 转换效率越高，说明开关电源的能源利用率越高，能够减少能源浪费和 发热量。
最大功率转换效率
指在一定的输入电压和输出电压条件下，开关电源能够达到的最大转换 效率。它是衡量开关电源性能的重要指标之一，要求尽可能高。
详细描述
极性反转型开关电源通过控制开关管开通和关断的时间比率，将输入电压的极性 反转并输出。在开关管开通时，输入电压与电感器共同对电容充电，当开关管关 断时，电感器通过输出二极管和负载释放能量。
升降压型（Buck-Boost）开关电源
总结词
升降压型开关电源是一种能够根据需要调整输出电压极性和大小的电源转换器。
详细描述
升压型开关电源通过控制开关管开通和关断的时间比率，将输入电压提升到所 需的输出电压。在开关管开通时，输入电压与电感器共同对电容充电，当开关 管关断时，电感器通过输出二极管和负载释放能量。
极性反转型（Inverting）开关电源
总结词
极性反转型开关电源是一种能够将输入电压极性反转的电源转换器。
03
开关电源的工作原理
降压型开关电源工作原理
总结词
通过控制开关管开通和关断的时间，调 节输出电压的大小。
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4
隔离式电路的类型
❖ 隔离——输入端与输出端电气不相通，通过脉冲变压器的 磁偶合方式传递能量，输入输出完全电气隔离
单端——通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器；
隔离室电路主要分为正激式和反激式两种
❖ 正激式：就是只有在开关管导通的时候，能量才通过变压 器或电感向负载释放，当开关关闭的时候，就停止向负载 释放能量。目前属于这种模式的开关电源有：串联式开关 电源，buck拓扑结构开关电源，激式变压器开关电源、推 免式、半桥式、全桥式都属于正激式模式。
❖ BUCK电路的功能：把可直编辑流版电压Ui转换成直流电压 7 Uo，实现降压的目的
BUCK拓扑的精简模型
❖ 上图是简化之后的BUCK电路主回路。下面分析输出电压的产生 1、K闭合后，D关断，电流流经L，L是储能滤波电感，它的作用是在 K接通Ton期间限制大电流通过，防止输入电压Ui直接加到负载R上， 对R进行电压冲击，同时把电感电流IL转化成磁能进行能量存储；与R 并联的C是储能滤波电容，如此R两端的电压在Ton期间是稳定的直流 电压 2、在K关断期间Toff，L将产生反电动势，流过电流IL由反电动势eL 的正极流出，通过负载R，再经过续流二极管D，最后回到反电动势 eL的负极。由于C的储能稳压，Toff阶段的输出电压Uo也是稳定的直 流电压 K闭合时，L两端有压降，意味可着编U辑o版<Ui, BUCK电路一定是降压电路 8
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10
CCM，DCM模式下的各点电压
❖ 在K关断期间，IL线性下降，若周期结束即K导通瞬间IL不等
于0，则IL呈现左侧图(c)中的波形，电流连续。若K导通之前
IL就已经降为0，IL就会呈现断流的情形，为右侧图（c）的
波形。
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11
临界情况下的电路各点波形
从电路结构可以看出IL的平均值就是输出电流Io, ΔIL为IL在本周期内的最大
开关电源电路拓 扑结构
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1
目录
❖ 开关电源拓扑结构综述 ❖ 开关电源分类 ❖ 非隔离式拓扑举例 BUCK BOOST BUCK-BOOST ❖ 隔离式拓扑举例 正激式 反激式
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2
开关电源拓扑结构综述
❖ 开关电源主要包括主回路和控制回路两大部分 ❖ 主回路是指开关电源中功率电流流经的通路。主
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
❖ 反激式：就是在开关管导通的时候存储能量，只有在开关
管关断的时候释放才向负载释放能量。属于这种模式的开
关电源有：并联式开关电源、boots、极性反转型变换器、
反激式变压器开关电源。可编辑版
5
非隔离式拓扑举例
❖BUCK拓扑 ❖BOOST拓扑 ❖BUCK-BOOST拓扑
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6
BUCK降压电路
❖ 上图是BUCK电路的经典模型。晶体管，二极管， 电感，电容和负载构成了主回路，下方的控制回路 一般采用PWM芯片控制占空比决定晶体管的通断。
❖ 电流连续时τ>L/RTs ，
i1 l t1 V V id o V t V it1 o V V iD 1 o T ( 1 式 s )
0L
L
L
i2 lt2 V do t V(t2 o t1 ) VD o 2 T (2 式 s)
， t1L L
L
（通常定义D1为K导通D关断的时段0到T1占Ts的比例，D2为K 关断D导通的时段T1到T2占Ts的比例）
工作过程分析
❖ 工作过程：1、当K导通时 →IL线性增加，D1截止→ 此时IL和C向负载供电
❖
当IL＞ Io时，IL向
C充电也向负载供电
❖
2、当K关断时→L通
过D1形成续流回路，
❖
IL向C充电也向负
载供电→当 IL﹤Io时，L
和C同时向负载供电。
❖
若IL减小到0,则D
关断，只有C向负载供电
可编辑版
Io=[0.5(D1+D2)Ts(Vs-Vo)D1Ts/L]/Ts=Vo/R,两式联合
可以解得
M Vo
2
,
L
Vs
1
1
8
D1 2
RTs
可编辑版
14
临界情况下，M的计算用以上 两种模式下任一种都可以， 这里就不做分析了。
电流连续与否是由0.5 ΔIL和Io 的大小关系决定的,调节占 空比D1或负载，有可能使 工作模式在CCM和DCM模 式之间发生转换。
变化值。
观察上图的波形可以发现，当电流刚好处在临界状态时，0.5 ΔIL=Io，分析
化简之后可以等效为τ=（1-D1）/2， τ=L/RTs
0.5ΔIL<Io时，即τ>（1-D1）/2 ，Io处可在编连辑版续的状态。
12
0.5ΔIL>Io时，即τ<（1-D1）/2 ， Io则会出现断流的情况。
电压增益比M(CCM)
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。 ❖ 控制回路一般采用PWM可编控辑版制方式，通过输出信号 3 和基准的比较来控制主回路中的开关器件
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并联连接的关系。例如buck拓扑型 开关电源就是属于串联式的开关电源
9
CCM,DCM
❖ 由工作过程分析可以得知， IL可能会出现断流的情况。
❖ 通常我们把电流连续的模 式称为CCM模式，电流断 续的模式称为DCM模式。 当然也有两者之间的临界 情况BCM模式
❖ 下面就将按照以上三种模 式对电路做具体的分析。
❖ 注意：Uo,Io作为输出电压 电流，均认为是稳定的直 流量。
此时D1+D2=1。
1式2式相等，可以得到M=Vo/Vs=D1,
由此处可知BUCK电路是一种降压电路，输出小于输入
可编辑版
13
电压增益比M（DCM）
❖ Τ<L/RTs,同CCM模式相似，同样可以由1式2式相 等，得到M=Vo/Vs=D1/(D1+D2)，此时D1+D2<1。
❖ 又有Io是IL在Ts内的平均值，即IL等腰三角形面积 在Ts时间内的平均值，并且等于Vo/R.固有