詳解開關(guān)電源的三大基礎(chǔ)拓?fù)?/h1>
1、 摘要
開關(guān)電源已經(jīng)深入到國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)當(dāng)中，設(shè)計(jì)師或是自行設(shè)計(jì)電源或是購買電源模塊，但是這些電源都離不開電源的各種電路拓?fù)?。本文先介紹了開關(guān)電源的三大基礎(chǔ)拓?fù)洌築uck、Boost、Buck-Boost，并就這三者拓?fù)渲g進(jìn)行了簡單地組合，得到了非常巧妙的電路，例如：正負(fù)輸出電源、雙向電源等，能夠滿足諸如運(yùn)放供電、電池充放電等某些特殊的需求。
2、 開關(guān)電源基礎(chǔ)拓?fù)?/p>
開關(guān)電源三大基礎(chǔ)拓?fù)錇椋築uck、Boost、Buck-Boost，大部分開關(guān)電源都是采用這幾種基礎(chǔ)拓?fù)浠蛘咂鋵?yīng)的隔離方式，下面以電感連續(xù)模式進(jìn)行簡單介紹。
2.1 Buck降壓型
Buck降壓型電路拓?fù)?，有時(shí)又稱為Step-down電路，其典型的電路結(jié)構(gòu)如下圖1所示：
Buck電路的工作原理為：
當(dāng)PWM驅(qū)動(dòng)高電平使得NMOS管T導(dǎo)通的時(shí)候，忽略MOS管的導(dǎo)通壓降，等效如圖2，電感電流呈線性上升，MOS導(dǎo)通時(shí)電感正向伏秒為：
當(dāng)PWM驅(qū)動(dòng)低電平的時(shí)候，MOS管截止，電感電流不能突變，經(jīng)過續(xù)流二極管形成回路(忽略二極管電壓)，給輸出負(fù)載供電，此時(shí)電感電流下降，如下圖3所示，MOS截止時(shí)電感反向伏秒為：
D為占空比，0
2.2 Boost升壓型
Boost升壓型電路拓?fù)?，有時(shí)又稱為step-up電路，其典型的電路結(jié)構(gòu)如下圖4所示：
同樣地，根據(jù)Buck電路的分析方式，Boost電路的工作原理為：
0
2.3 Buck-Boost極性反轉(zhuǎn)升降壓型
Buck-Boost電路拓?fù)洌袝r(shí)又稱為Inverting，其典型的電路結(jié)構(gòu)如下圖5所示：
同樣地，根據(jù)Buck電路的分析方式，Buck-Boost電路的工作原理為：
3、 Buck與Buck-Boost組合
金升陽K78系列的產(chǎn)品采用了Buck降壓型的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，是LM78XX系列三端線性穩(wěn)壓器的理想替代品，效率最高可達(dá)96%，不需要額外增加散熱片，同時(shí)還兼有短路保護(hù)和過熱保護(hù)，值得說明的是它能夠完美支持負(fù)輸出。
上面提到金升陽K78系列產(chǎn)品可以支持負(fù)輸出，這是怎么做到的呢?
從上面Buck電路以及Buck- Boost電路結(jié)構(gòu)原理來看，主要的區(qū)別是兩者二極管與功率電感的位置互換。因此，若將Buck電路的輸出Vo引腳接成輸入的GND，而之前的輸入GND
就變成了負(fù)電壓輸出了，即變成了Buck-Boost的電路結(jié)構(gòu)。對應(yīng)到金升陽K78xx-500R2系列的產(chǎn)品就變成了如下圖6所示的負(fù)輸出。
因此，用2只K7812-500R2的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)BUCK與BUCK-BOOST電路相結(jié)合，可以得到±12V輸出，低的紋波和噪聲可以給運(yùn)放進(jìn)行供電。
需要值得注意的是，由于BUCK-BOOST電路在啟動(dòng)電流會比BUCK電路大一些，所以會在BUCK-BOOST電壓輸入端加一些緩沖類的器件。
4、 Buck與Boost組合
Buck與Boost兩者相結(jié)合，會得到什么樣的電路和應(yīng)用呢?根據(jù)不同的控制，可以讓電源從高壓降到低壓，也可以將低壓升到高壓，可以稱之為雙向DC-DC變換器之一，典型的應(yīng)用電路如下圖：
DC-DC雙向變換器目前主要應(yīng)用在各大充放電系統(tǒng)中，隨著儲能器件的發(fā)展得到了廣泛地應(yīng)用，主要的行業(yè)在汽車電子，電梯節(jié)能系統(tǒng)等應(yīng)用行業(yè)。
當(dāng)T2管截止時(shí)，T1管與D1、L等器件構(gòu)成了Buck型降壓電路，可以實(shí)現(xiàn)對后級的負(fù)載進(jìn)行供電;反之，當(dāng)T1管截止，T2管與D2二極管、L等器件構(gòu)成了Boost升壓電路，對前端電源進(jìn)行能量補(bǔ)充。目前對T1和T2管的控制以模擬方式控制相對還是比較困難，均是以數(shù)字控制方式為主。
下面是將超級電容運(yùn)用到電梯能量回收系統(tǒng)中，將電機(jī)的能量在超級電容和直流母線之間進(jìn)行相互傳遞，降低了能源的損耗。
由于超級電容充放電電流比較大，普通的功率MOS管已經(jīng)不適合使用，通常用IGBT來替代，而IGBT驅(qū)動(dòng)在導(dǎo)通和關(guān)斷的響應(yīng)速度上，驅(qū)動(dòng)電源選擇+15V 和-9V將會是比較理想的，一方面+15V能夠完全提供正向驅(qū)動(dòng)的電壓，另一方面-9V又能夠加速IGBT的關(guān)斷。而QP12W05S-37是個(gè)不錯(cuò)的選擇。
5、 總結(jié)
基本電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中Buck降壓型應(yīng)用最多，但是各個(gè)基礎(chǔ)拓?fù)浣M合使用，可以解決很多類似于正負(fù)電源供電以及雙向電源應(yīng)用方面的問題。總之電源基礎(chǔ)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖老，但是實(shí)際應(yīng)用卻可以千變?nèi)f化。
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