开关电源拓扑结构详解

一 、绪论

开关电源电路拓扑是指功率器件和电磁元件连接在电路中的方式，而磁性元件设计、闭环补偿电路以及所有其他电路元件的设计都依赖于拓扑。拓扑可分为：开关型和非开关型两大类。其中开关型拓扑又可以进一步分成两类——直流变换器和交流变换。

常见的开关电源拓扑大约有10种，每种拓扑都有自己的特点和适用场合。在选用时需要注意哪些问题呢？首先是输入电压范围：一般情况下，输入电压为220V,240v或380v.其次是负载容量大小及供电方式。选择的原则取决于它是大功率还是小功率，输出低压输出高压输出还是低，以及是否需要尽可能少的器件。

因此，要正确选择拓扑，必须熟悉不同拓扑的优缺点及其适用范围。错误的选择可能会从一开始就给电源设计带来厄运。正确选择并合理应用各种拓扑对于整个电路设计来说至关重要。本文将对常见的开关电源基本拓扑进行详细介绍，让读者能够更快更好地了解和使用这些拓扑。开关电源的10基本拓扑结构，帮助系统掌握各个电路的工作原理和基本特点。

八种开关电源常见的基本拓扑结构：

BUCK 降压电路

BOOST 升压电路

BUCK-BOOST 降压-升压电路

FLYBACK 反激电路

PUSH-PULL 推挽电路

HALF BRIDGE 半桥电路

FULL BRIDGE 全桥电路

SEPIC 电路

二、拓扑结构介绍

（一）BUCK 降压电路

在不考虑带有寄生参数的RLGC模型的情况下，一般我们的计算步骤如：

Von * Ton＝Voff * Toff –>Vout=D * Vin(占空比D在输出电压设置时已决定)

输出电感L计算：Von * D/f=L * ΔI（ΔI为所允许的电感纹波电流）

输出电容CDC计算：ΔU=ΔQ/C=CI * T/8C（ΔU为所允许的输出纹波电压）

BUCK 降压电路特点：

将输入电压调低至较低。

也许是最简单的电路。

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)。

平滑输出电流。

（二） BOOST 升压电路

计算公式如下：

Von * Ton＝Voff * Toff –>Vout= (Vout- Vin)/ D

输出电感L计算：L=(Vin/(f*ΔIL)) * (1-Vin/Vo+Vd)

输出电容CDC计算：ΔU=(Io/(f*Co)) ((1-Vin/Vo+Vd) +(((Vo+Vd)/Vi) * Io+(Vi/2fL) (1-Vin/Vo+Vd))*ESR

BOOST 升压电路特点:

把输入提高到较高的电压。

与降压相同，但重新排列了电感、开关及二极管。

输出总是比大于或者等于输入(忽略二极管的正向压降)。

平滑输入电流。

输出电流不连续 (斩波)。

（三）BUCK-BOOST 降压-升压电路

计算公式如下：

Vout=(-D/D)*Vin

BUCK-BOOST 降压电路-升压电路特点：

另一种排列电感、开关及二极管方法。

兼有降压电路和升压电路的缺点。

输入电流是不连续的(斩波)。

输出电流也是不连续的(斩波)。

输出相对于输入一直是反向的(注意电容的极性)，但是振幅可以小于或者大于输入。

“反激”变换器实际上是一种降压-升压电路隔离(变压器耦合)。

（四）FLYBACK 反激电路

计算公式如下：

Vout=(-D/n*D)*Vin

FLYBACK 反激电路特点：

工作原理类似于降压-升压电路，但电感有两个绕组，既充当变压器，又充当电感。

输出可以是正的，也可以是负的，这取决于线圈与二极管的极性。

输出电压可以大于或者小于输入电压，取决于变压器的匝数比。

这是最简单的隔离拓扑结构。

可以通过添加次级绕组和电路来获得多个输出。

（五）PUSH-PULL 推挽电路

计算公式如下：

Vout=(D/n)*Vin

PUSH-PULL 推挽电路特点：

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。

变压器磁芯利用率较高—在2.5个周期中都传输功率。

全波拓扑结构，因此输出的纹波频率是变压器频率的两倍。

施加于FET的电压为输入电压的2倍。

（六）HALF BRIDGE 半桥电路

计算公式如下：

Vout=(D/2*n)*Vin

HALF BRIDGE 半桥电路：

在较大功率转换器中最常用的拓扑结构。

开关(FET)被驱动在不同的相位和脉冲宽度调制(PWM)进行调节的输出电压。

变压器磁芯利用率较高—在2.5个周期内输送电力。采用双极性晶体管作为开关器件时，可获得较高的效率；而采用单极性晶体管作开关器件时则不能实现这一目标。这是因为这种开关器件有可能导致损耗增大和开关损耗增加。初级绕组的利用率高于推挽电路。

全波拓扑结构，因此输出的纹波频率是变压器频率的两倍。

施加在FET上的电压和输入电压相同。

（七）FULL BRIDGE 全桥电路

计算公式如下：

Vout=(D/2*n)*Vin

FULL BRIDGE 全桥电路特点：

最常用于较大功率转换器的拓扑结构。

开关(FET)沿对角线方向驱动,采用脉冲宽度调制(PWM)来调节输出电压。

变压器磁芯利用率高—在2.5个周期内传输功率。

全波拓扑结构，因此输出的纹波频率是变压器频率的两倍。

施加于FETs的电压与输入的电压相同。

在给定功率下，初级电流是半桥的一半。

（八）SEPIC 电路

计算公式如下：

Vout=(D*Vin)/(1-D)

SEPIC 电路特点：

输出电压可以比输入电压大或小。

与升压电路一样,输入电流平稳,但输出电流是不连续的.

通过电容将能量从输入转换为输出。