本文主要讲述常见的开关电源拓扑结构简述与特点。
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。见下图:
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：
一. 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。
二. 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)。
三. 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。
四. 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。
五. 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。
六. Two-Transistor Forward双晶体管正激
- 两个开关同时工作。
- 开关断开时，存储在变压器中的能量使初级的极性反向，使二极管导通。
- 主要优点：每个开关上的电压永远不会超过输入电压；无需对绕组磁道复位
七. Push-Pull 推挽
- 开关(FET)的驱动不同相，进行脉冲宽度调制(PWM)以调节输出电压。
- 良好的变压器磁芯利用率——在两个半周期中都传输功率。
- 全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。
- 施加在FET上的电压是输入电压的两倍。
八. Half-Bridge 半桥
- 较高功率变换器极为常用的拓扑结构。
- 开关的驱动不同相，进行脉冲宽度调制以调节输出电压。
- 良好的变压器磁芯利用率——在两个半周期中都传输功率。而且初级绕组的利用率优于推挽电路。
- 全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。
- 施加在FET上的电压与输入电压相等。
九. Full-Bridge 全桥
- 较高功率变换器最为常用的拓扑结构。
- 开关以对角对的形式驱动，进行脉冲宽度调制以调节输出电压。
- 良好的变压器磁芯利用率——在两个半周期中都传输功率。
- 全波拓扑结构，所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。
- 施加在 FETs上的电压与输入电压相等。
- 在给定的功率下，初级电流是半桥的一半。
十. SEPIC 单端初级电感变换器 (Single-Ended Primary Inductance Converter)
- 输出电压可以大于或小于输入电压。
- 与升压电路一样，输入电流平滑，但是输出电流不连续。
- 能量通过电容从输入传输至输出。
- 需要两个电感。
十一. C’uk(Slobodan C’uk的专利)
- 输出反相。
- 输出电压的幅度可以大于或小于输入。
- 输入电流和输出电流都是平滑的。
- 能量通过电容从输入传输至输出。
- 需要两个电感。
- 电感可以耦合获得零纹波电感电流。
Buck电路的工作细节
1. Buck-降压调整器-连续导电
- 电感电流连续。
- Vout是其输入电压(V1)的均值。
- 输出电压为输入电压乘以开关的负荷比(D)。
- 接通时，电感电流从电池流出。
- 开关断开时电流流过二极管。
- 忽略开关和电感中的损耗，D与负载电流无关。
- 降压调整器和其派生电路的特征是：输入电流不连续(斩波)，输出电流连续(平滑)。
2. Buck-降压调整器-临界导电
电感电流仍然是连续的，只是当开关再次接通时“达到”零。这被称为“临界导电”。输出电压仍等于输入电压乘以D。
3. Buck-降压调整器-非连续导电
- 在这种情况下，电感中的电流在每个周期的一段时间中为零。
- 输出电压仍然(始终)是v1的平均值。
- 输出电压不是输入电压乘以开关的负荷比(D)。
- 当负载电流低于临界值时，D随着负载电流而变化(而Vout保持不变)。
Boost升压调整器
- 输出电压始终大于(或等于)输入电压。输入电流连续，输出电流不连续(与降压调整器相反)。
- 输出电压与负荷比(D)之间的关系不如在降压调整器中那么简单。在连续导电的情况下：
在本例中，Vin = 5 , Vout = 15D = 2/3；Vout = 15 , D = 2/3。
变压器工作
1. 变压器工作(包括初级电感的作用)
变压器看作理想变压器，它的初级(磁化)电感与初级并联。
2. 反激变压器
此处初级电感很低，用于确定峰值电流和存储的能量。当初级开关断开时，能量传送到次级。
3. Forward 正激变换变压器
- 初级电感很高，因为无需存储能量。
- 磁化电流(i1)流入 “磁化电感”，使磁芯在初级开关断开后去磁(电压反向)
