一文讀懂二十種開關電源拓撲結構（建議收藏）
[導讀]什么是拓撲呢？所謂電路拓撲就是功率器件和電磁元件在電路中的連接方式，而磁性元件設計，閉環(huán)補償電路設計及其他所有電路元件設計都取決于拓撲。最基本的拓撲是Buck(降壓式)、Boost(升壓式)和Buck/Boost(升/降壓)，單端反激(隔離反激)，正激、推挽、半橋和全橋變化器。開...
什么是拓撲呢？所謂電路拓撲就是功率器件和電磁元件在電路中的連接方式，而磁性元件設計，閉環(huán)補償電路設計及其他所有電路元件設計都取決于拓撲。最基本的拓撲是Buck(降壓式)、Boost(升壓式)和Buck/Boost(升/降壓)，單端反激(隔離反激)，正激、推挽、半橋和全橋變化器。
開關電源的拓撲結構，常見拓撲大約有14種，每種都有自身的特點和適用場合。選擇原則是要看是大功率還是小功率，高壓輸出還是低壓輸出，以及是否要求器件盡量少等。
因此，要恰當選擇拓撲，熟悉各種不同拓撲的優(yōu)缺點及適用范圍是非常重要的。錯誤的選擇會使電源設計一開始就注定失敗。下面為大家整理匯總了開關電源20種基本拓撲，幫助系統(tǒng)掌握每種電路結構的工作原理與基本特性。
一、20種開關電源拓撲對比
常見的基本拓撲結構：■?Buck 降壓■?Boost 升壓■?Buck-Boost 降壓-升壓■?Flyback 反激■?Forward 正激■?Two-Transistor Forward 雙晶體管正激■?Push-Pull 推挽■?Half Bridge 半橋■?Full Bridge 全橋■?SEPIC■?C’uk
二、基本的脈沖寬度調制波形
這些拓撲結構都與開關式電路有關，基本的脈沖寬度調制波形定義如下：
三、Buck 降壓
特點：■?把輸入降至一個較低的電壓■?可能是最簡單的電路■?電感/電容濾波器濾平開關后的方波■?輸出總是小于或等于輸入■?輸入電流不連續(xù) (斬波)■?輸出電流平滑
四、Boost 升壓
特點：■?把輸入升至一個較高的電壓■?與降壓一樣，但重新安排了電感、開關和二極管■?輸出總是比大于或等于輸入(忽略二極管的正向壓降)■?輸入電流平滑■?輸出電流不連續(xù) (斬波)
五、Buck-Boost 降壓-升壓
特點：■?電感、開關和二極管的另一種安排方法■?結合了降壓和升壓電路的缺點■?輸入電流不連續(xù) (斬波)■?輸出電流也不連續(xù) (斬波)■?輸出總是與輸入反向 (注意電容的極性)，但是幅度可以小于或大于輸入■?“反激”變換器實際是降壓-升壓電路隔離（變壓器耦合）形式。
六、Flyback 反激
特點：■?如降壓-升壓電路一樣工作，但是電感有兩個繞組，同時作為變壓器和電感■?輸出可以為正或為負，由線圈和二極管的極性決定。■?輸出電壓可以大于或小于輸入電壓，由變壓器的匝數比決定。■?這是隔離拓撲結構中最簡單的■?增加次級繞組和電路可以得到多個輸出
七、Forward 正激
特點：■?降壓電路的變壓器耦合形式。■?不連續(xù)的輸入電流，平滑的輸出電流。■?因為采用變壓器，輸出可以大于或小于輸入，可以是任何極性。■?增加次級繞組和電路可以獲得多個輸出。■?在每個開關周期中必須對變壓器磁芯去磁。常用的做法是增加一個與初級繞組匝數相同的繞組。■?在開關接通階段存儲在初級電感中的能量，在開關斷開階段通過另外的繞組和二極管釋放。
八、Two-Transistor Forward雙晶體管正激
特點：■?兩個開關同時工作。■?開關斷開時，存儲在變壓器中的能量使初級的極性反向，使二極管導通。主要優(yōu)點：■?每個開關上的電壓永遠不會超過輸入電壓。■?無需對繞組磁道復位。
九、Push-Pull 推挽
特點：■?開關（FET）的驅動不同相，進行脈沖寬度調制（PWM）以調節(jié)輸出電壓。■?良好的變壓器磁芯利用率---在兩個半周期中都傳輸功率。■?全波拓撲結構,所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。■?施加在FET上的電壓是輸入電壓的兩倍。
十、Half-Bridge 半橋
特點：■?較高功率變換器極為常用的拓撲結構。■?開關（FET）的驅動不同相，進行脈沖寬度調制（PWM）以調節(jié)輸出電壓。■?良好的變壓器磁芯利用率---在兩個半周期中都傳輸功率。而且初級繞組的利用率優(yōu)于推挽電路。■?全波拓撲結構,所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。■?施加在FET上的電壓與輸入電壓相等。
十一、Full-Bridge 全橋
特點：■?較高功率變換器最為常用的拓撲結構。■?開關（FET）以對角對的形式驅動，進行脈沖寬度調制（PWM）以調節(jié)輸出電壓。■?良好的變壓器磁芯利用率---在兩個半周期中都傳輸功率。■?全波拓撲結構，所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。■?施加在FETs上的電壓與輸入電壓相等。■?在給定的功率下，初級電流是半橋的一半。
十二、SEPIC 單端初級電感變換器
特點：■?輸出電壓可以大于或小于輸入電壓。■?與升壓電路一樣，輸入電流平滑，但是輸出電流不連續(xù)。■?能量通過電容從輸入傳輸至輸出。■?需要兩個電感。
十三、C'uk(Slobodan C'uk 的專利)
特點：■?輸出反相■?輸出電壓的幅度可以大于或小于輸入。■?輸入電流和輸出電流都是平滑的。■?能量通過電容從輸入傳輸至輸出。■?需要兩個電感。■?電感可以耦合獲得零紋波電感電流。
十四、電路工作的細節(jié)
下面講解幾種拓撲結構的工作細節(jié)：■?降壓調整器：連續(xù)導電、臨界導電、不連續(xù)導電■?升壓調整器 (連續(xù)導電)■?變壓器工作■?反激變壓器■?正激變壓器
十五、Buck-降壓調整器-連續(xù)導電
特點：■?電感電流連續(xù)。■ Vout是其輸入電壓 (V1)的均值。■?輸出電壓為輸入電壓乘以開關的負荷比 (D)。■?接通時，電感電流從電池流出。■?開關斷開時電流流過二極管。■?忽略開關和電感中的損耗, D 與負載電流無關。■?降壓調整器和其派生電路的特征是：輸入電流不連續(xù) (斬波), 輸出電流連續(xù) (平滑)。
十六、Buck-降壓調整器-臨界導電
■?電感電流仍然是連續(xù)的，只是當開關再次接通時 “達到”零，這被稱為 “臨界導電”。輸出電壓仍等于輸入電壓乘以 D。
十七、Buck-降壓調整器-不連續(xù)導電
■?在這種情況下，電感中的電流在每個周期的一段時間中為零。■?輸出電壓仍然 (始終)是 v1 的平均值。■?輸出電壓不是輸入電壓乘以開關的負荷比 (D)。■?當負載電流低于臨界值時,D 隨著負載電流而變化(而 Vout 保持不變)。
十八、Boost 升壓調整器
■?輸出電壓始終大于（或等于）輸入電壓。■?輸入電流連續(xù)，輸出電流不連續(xù)（與降壓調整器相反）。■?輸出電壓與負荷比（D）之間的關系不如在降壓調整器中那么簡單。在連續(xù)導電的情況下：
在本例中，Vin = 5,Vout = 15, and D = 2/3. Vout = 15，D = 2/3.
十九、變壓器工作（包括初級電感的作用）
■?變壓器看作理想變壓器，它的初級（磁化）電感與初級并聯。
二十、反激變壓器
■?此處初級電感很低，用于確定峰值電流和存儲的能量。當初級開關斷開時，能量傳送到次級。
二十一、Forward 正激變換變壓器
■?初級電感很高，因為無需存儲能量。
■?磁化電流 (i1) 流入 “磁化電感”，使磁芯在初級開關斷開后去磁 (電壓反向)。
二十二、總結
■?此處回顧了目前開關式電源轉換中最常見的電路拓撲結構。■?還有許多拓撲結構，但大多是此處所述拓撲的組合或變形。■?每種拓撲結構包含獨特的設計權衡：1）施加在開關上的電壓2）斬波和平滑輸入輸出電流3）繞組的利用率■?選擇最佳的拓撲結構需要研究：1）輸入和輸出電壓范圍2）電流范圍3）成本和性能、大小和重量之比
END
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