常用開關(guān)電源拓撲演進

　　一、概述

　　直流變換器按輸入與輸出是否有電氣隔離可分為兩類：沒有電氣隔離的稱為非隔離的直流變換器，有電氣隔離的稱為隔離的直流變換器。

　　基本的非隔離開關(guān)電源拓撲主要有六種，即降壓變換器(buck)，升壓變換器(boost)，升降壓變換器(buck-boost)，Cuk變換器，Zeta變換器和Sepic變換器等。在這六種變換器中，降壓式變換器和升壓式變換器是最基礎(chǔ)的，另外四種是從中派生而來。

　　隔離的直流變換器按有源功率器件的數(shù)量來分類。單管的有正激式(Forward)和反激式(Flyback)兩種;雙管的有雙管正激(Double Transistor Forward Convert)、雙管反激(Double Transistor Flyback Converter)、推挽(Push-pull Converter)和半橋(Half-bridge Convert)等四種;四管的直流變換器就只有全橋直流變換器(Full Bridge Convert)。

　　很多人尤其是開關(guān)電源的初學(xué)者，常常被上述林林總總的開關(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu)給弄的暈頭轉(zhuǎn)向，不了解不同拓撲之間的關(guān)系。其實各種隔離拓撲結(jié)構(gòu)全部是由非隔離拓撲演化而來，通過對它們進行分類、了解演化關(guān)系，可以極大的簡化我們對開關(guān)電源的學(xué)習(xí)，深入了解各種拓撲的特點。

　　二、升壓變換器(buck)與降壓變換器(boost)

　　開關(guān)變換器取代線性調(diào)壓早在20世紀60年代就已經(jīng)開始使用，它通過快速開關(guān)晶體管，經(jīng)過電感或電容濾波后，輸出直流電壓的平均值。通過控制晶體管開關(guān)的占空比，可以控制輸出電壓的大小。

　　上圖是最早的開關(guān)型變換器——buck變換器，當開關(guān)管導(dǎo)通時，輸入電壓通過開關(guān)管、電感L1對負載提供能量，同時為L1、C1進行儲能;當開關(guān)管關(guān)斷時，L1、C1對負載提供能量，二極管D1為儲能電感提供續(xù)流泄放路徑。

　　上圖為另外一種最基本的開關(guān)變換器拓撲——boost變換器拓撲。當開關(guān)管導(dǎo)通時，輸入電壓對電感L1提供能量進行儲能，同時負載由電容C1來提供能量;當開關(guān)判斷時，輸入電壓與電感L1通過二極管D1共同為負載提供能量，同時電容C1充電以補充在開關(guān)管判斷期間損耗掉的能量。

　　三、常見隔離拓撲

　　前面討論的buck與boost開關(guān)變換器拓撲有一個明顯的缺點，就是它們的輸入回路和輸出回路共地，并且無法實現(xiàn)多路輸出。下面介紹的正激變換器、推挽變換器、半橋變換器、全橋變換器有很多共同的特點，如這些拓撲全部利用變壓器把能量傳遞到負載、輸入輸出回路隔離不共地、可以利用變壓器多個次級繞組實現(xiàn)多路輸出。

　　1.正激變換器(Forward Convert)

　　正激變換器由Buck變換器派生而來，如下圖所示，在Buck變換器輸入端加入變壓器對輸入信號進行隔離，再由二極管D3對變壓器輸出信號進行半波整流輸出PWM脈沖信號代替原來由高端開關(guān)形成PWM輸入。同時，為了簡化驅(qū)動電路，開關(guān)管由高端浮地改為低端開關(guān)，形成正激變換器的基本結(jié)構(gòu)(缺磁復(fù)位電路沒有顯示)。當開關(guān)管導(dǎo)通時，同名端相對于異名端為正二極管D2正偏，二極管D3反偏，輸入功率通過變壓器經(jīng)過D3、L3給負載提供能量，同時給電感L2儲存能量;當開關(guān)管關(guān)斷時，輸入能量傳遞不到副邊，電感L2里面存儲的能量通過D2傳送到負載。

　　正激變壓器在輸出功率150W~200W，輸入電壓較低，60~250V的場合，正激變換器可能是最廣泛應(yīng)用的拓撲。若輸入電壓低于60V，則對應(yīng)最小輸入電壓所需的初級輸入電流就太大。若最大輸入電壓超過250V，則開關(guān)管的最大電壓應(yīng)力太大。若輸出功率超過200W，對于任何直流輸入電壓，所需的輸入電流太大。

　　2.推挽變換器

　　推挽變換器可以理解為由兩路正激電路并聯(lián)構(gòu)成，如下圖所示。由于推挽變換器原邊有兩個相差180度相位的繞組交換傳遞能量到副邊輸出級，所以副邊采用帶中間抽頭的雙繞組，并采用全波整流，可以去除在正激變換器中開關(guān)管關(guān)閉時，由儲能電感對外提供能量的周期，整個開關(guān)周期都有能量從原邊傳遞到副邊。由于不需要儲能電感的續(xù)流功能，所以續(xù)流二極管D2也只可以省略。即原邊輸入級采用兩路正激變換器的輸入級交錯并聯(lián)，副邊合理的節(jié)省部分整流、濾波電路后，即派生出典型的推挽式開關(guān)電源變換器。

　　對于推挽式開關(guān)電源變換器，由于上面已經(jīng)提到，整個開關(guān)周期都有能量從輸入側(cè)傳遞到輸出測，沒有儲能電感續(xù)流供電過程，采用全波或橋式整流后，其輸出電壓的脈動系數(shù)和電流的脈動系數(shù)都很小，因此只需要很小的輸出濾波電感、電容，就可以得到電壓紋波與電流紋波都很小的輸出電壓，其輸出電壓特性非常好。其次，由于推挽式開關(guān)電源中的變壓器磁芯屬于雙向極化，工作在一、三象限，其磁芯利用率較正激變換器更高。另外，推挽式開關(guān)電源變換器的兩個開關(guān)管都有一個公共接地端，相對于半橋、全橋拓撲來講，其驅(qū)動電路可以簡化很多，這也是推挽拓撲的一個優(yōu)點。

　　與其優(yōu)點一樣，推挽拓撲的缺點一樣非常鮮明。與正激拓撲一樣，由于每個開關(guān)管在關(guān)斷期間承受的電壓為兩倍輸入電壓(不包括因開關(guān)管通斷與寄生參數(shù)造成的開關(guān)尖峰)，推挽拓撲不適用于輸入電壓較高的場合。

　　3.反激變換器(Flyback Converter)

　　前面講到的幾種變換器，除boost外，都是在開關(guān)管導(dǎo)通時將能量傳遞到負載端。這里要講的反激變換器則不同，在反激拓撲中，開關(guān)管導(dǎo)通時，變壓器存儲能量，負載電流由輸出濾波電容提供;開關(guān)管判斷時，變壓器將存儲的能量傳遞到負載，并給輸出電容充電來補償開關(guān)管導(dǎo)通期間輸出電容放電消耗的能量。

　　反激拓撲在高電壓、小功率的應(yīng)用專用(電壓不大于5000V,功率幾十瓦)，如果輸入電壓較高，初級電流適當，反派拓撲可以用在輸出功率高達150W的電源中。它最大的優(yōu)點在于不需要接buck類拓撲都需要的輸出電感，使反激變換器結(jié)構(gòu)簡化、體積減小、成本降低。

　　4.半橋、全橋拓撲也可以由buck拓撲派生而來，由于篇幅問題，這里不再贅述，感興趣的朋友可以自己償試推演一下。