开关电源三种拓扑的产生

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拓扑

拓扑,即电路的组成结构,如buck,boost,正激,反激,全桥,半桥等。其他电源电路都是以此发展而来。而最基本的电源拓扑只有3种:buck、boost和buck-boost电路。

 电源电路的输入是输入电压Vin或网压,输出则分输出电压和输出电流。

线性调整器

传统的电压调整电路如线性调整器,是通过串联一个晶体管来实现分压的功能,使晶体管工作在线性区,以输出电压为反馈,改变晶体管的阻值,起可变电阻的作用,承受部分电压。承受的电压只能以热能形式消耗,因此效率非常低。(好处是没有噪声,没有电磁干扰(EMI))

用改变开关时间来提高效率

要提高效率,就不能用等效电阻耗能的方式(在工作条件不变的情况下,提高效率能够减小输入电流。这是采用开关方式的重要优点之一。)采用开关方式(半导体部件工作在开关区)可以提高效率,且配合电容*电感可更有效地利用能量。

常用的三种半导体元件

BJT(双极型晶体管):电流控制型器件,适用于大电流工作。 
MOSFET(场效应晶体管):电压控制型器件,速度快,适用于高频,单负载大时,导通损耗就大(导通压降与电流成正比) 
IGBT:适用于较低频率,大电流装置

在开关情况下实现连续的能量供给

  • 引入储能元件 , 想到使用电容以维持负载电压稳定。
  • 电容会有浪涌电流(电容上电压不能突变,但电流可不一定),导致噪声和EMI。
  • 用一个电阻串联以抑制浪涌电流(储桶式调整器),但电阻会提高能量的损耗(R*I^2)
  • 采用电感限制电流 √

PS:电路中的开关元件不停地开/关,当开关断开时,电感很容易造成很高的电压,若此时没有回路能够释放电能,在开关处很容易产生高压电弧(开关触点距离越大,电压越高),最终,电感储能以热能和电火花形式消耗。因此,采用二极管续流的方式,产生一个电流回路。

开关频率与性能的关系

降低开关频率:提高效率(其他损耗减小),减小EMI 
升高开关频率:减小电源体积,减小噪声

开关变换器的3种工作模式

-连续导通模式:CCM 
-临界导通模式:BCM(临界模式属于CCM和DCM的极限情况) 
-断续导通模式:DCM

伏秒平衡{重要}

稳定状态下:ΔIon=ΔIoff 
即:Von*Ton=Voff*Toff [Von、Voff为电感两端电压] 
在这种情况下,电感能够成功复位。输出稳定。 
ps:Toff不一定等于T-Ton,仅指电压下降那段时间。 
由公式:V=L*dI/dt得,电流的斜率由V/L决定。

达到伏秒平衡

开关导通期间电感和开关电流上升率为Von/L,开关关断期间电感和二极管电流下降斜率为Voff/L. 
若等待足够长时间,电感电流会降为零(电感复位)。但若未等足够长时间就很快再次导通开关,则电流还会上升(爬高) 

电感电流

方法之一是等待足够大的Toff,再导通开关,但这样仍无法得到有效输出。 


正确的方法是,与二极管串接一个电容,开关关断时,串联回路为电容充电,使电容电压达到Vo,以此增大Voff,同时电流下降速率Voff/L也增加,使Von与Voff相当,从而实现伏秒平衡。 

启动过程

一开始电流递增,数周期后达到稳定状态。电容每个周期都被充电,电流下降速率不断增大,直到到达平衡。

小结

  • 为提高效率,线性变换器→开关元件
  • 为使能量连续→引入储能元件:电容
  • 因为电容有浪涌电流,加入电阻缓解的话会增大损耗→改成电感
  • 因为开关关断时电感会在开关触点处产生电弧→加入二极管续流
  • 因为无法达到伏秒平衡→加入电容

三种基本拓扑

基本拓扑有三种buck.boost和buck-boost。为什么基本拓扑仅有三种?这取决于电感的连接方式,设置合适的参考地后,可以得到三个不同端子输入端、输出端和地端,若电感一端与地相连,则得到buck-boost电路若与输人端相连,则得到boost电路若与输出端楣连,则得到buck电路。 

buck-boost电路

buck-boost电路

buck-boost电路2

buck-boost电路既可降压输出也可升压输出,但极性会改变。 


如输入电压为正,输出电压为负,或输入为负 输出为正。

可得占空比方程为:占空比方程 

注意:稳定状态下,电容的输入输出平均电流为0,故平均二极管电流为平均负载电流。

boost电路

boost电路

极性不变 


占空比方程为: 占空比方程2

Buck电路

Buck电路

极性不变 


占空比方程为: 

占空比方程3

PS:占空比方程中的Vd和Vsw,若他们的值足够小,则可忽略。

说明:以上内容均总结于《精通开关电源设计》第一章

文章转载自:SanYooh的博客

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