最新开关电源拓扑结构

开关电源拓扑结构

开关电源拓扑结构回顾

Lloyd H·Dixon Jr

前言

本文回顾了在开关电源中常用的三种基本电路系列即降压变换电路、升压变换电路和反激（或升降压）电路的特性，这三种电路均可以工作于电感断流或续流模式下。工作方式的选择对整体电路特性有很大的影响。所使用的控制方式也能有助于减少与拓扑和工作模式相关的问题。三种以恒频率工作的控制方法包括：直接占空比控制、电压前馈、和电流模式（双环）控制。本文还论述了三个基本电路的一些扩展，以及每种拓扑、工作模式、组合控制方法的相对优点。

一、三种基本拓扑结构：

三种基本的拓扑结构降压式，升压式，反激式如图1所示。串联式变换器（CUK）是反激式拓扑的倒置（不宜翻译为逆变，因其意思为DC－AC的变换），不作论述。这三种不同的开关电路使用了三种相同的元件：电感，晶体管（晶体管包括三极管及MOSFET）和二极管，但是使用了不同的安放方式，（输出电容是滤波元件，不是开关电路的一部分）。理论上，还有另外三种由这三种元件组成的T型结构的电路，但这三种是前面三种电路的简单镜像和在相反方向的耦合能量。

有一条在任何运行模式和控制方式下都适用于上述三种电路拓扑的原则：在稳态运行下，在每个开关周期内，电感两端的平均电压必须为零，否则平均感应电流将会改变，违反稳态前提。

三种基本电路系列的每一个在输入和输出电压、电流、占空比之间都有一个确定的关系。例如：降压调整器的功能是使输出电压V0小于输入电压V in，并和它V in有相同的极性。升压电路的作用是使V0大于V in，并且有相同的极性。反激拓扑电路的作用是使V0既可大于也可小于V in，但是两者极性相反。

二、断流工作模式：

在电感电流断续方式下，或者说“断流模式”下，降压、升压和反激电路的动作方式是相似的，电感电流在每个开关周期的最后部分期间为零（因此不连续）。在每个周期的开始部分，感应电流从零增加，从输入端得到储存能量。在周期的第二部分，所有储存的能量通过负载泄放，从输入端汲取能量到输出端。

1、电流波形

断续方式的电流波形如图2所示,不管电路的拓扑结构如何，电感、晶体管和二极管的电流波形是一样的，但是输入和输出电流波形会因为电路不同而不同，这取决于三个元件和输入输出的连接方式。

2、三种状态

在每个转换周期期间有三个典型的工作状态：

（1）在晶体管导通期间t on内，感应电流I L从零上升到峰值i p。在t on结束时，该峰值电流与电感储存能量成等式关系……（equal to 才是相等的意

思）。在这段时间内，电感电流由输入端提供，并且每个周期里，电感

储存能量都等于输入电源提供的能量。

（2）当晶体管关断时，电感电压反向并且其中储存的能量推动同一峰值电流流经二极管。在二极管导通时间t d内，感应电流提供能量给输出并且呈

线性的减小到零。在t d末期，所有储存在电感中的能量都被传递到输出

端。

（3）当电流变为零时，电感再没有能量。在剩余的开关周期内所有开关器件的电流是零。在这个空闲时间t i内，电路等待下一个时钟脉冲到达使晶

体管开启，然后开始下一个周期。

3、断流模式零界点

当负载电流增加时，控制电路引起t on（占空比）增加。峰值感应电流变大，并且二极管导通时间t d增加。因此，负载电流的增加会引起空闲时间t i不稳定。当负载电流增加到某一值时，t i变成零，即断流模式出现的零界点。如果负载电流进一步增加，电感电流每个周期将不再泄放到零，并且出现续流工作模式。因为稳定的断续方式操作所需要的环路增益补偿不能够阻止连续方式的振荡，电路将变得不稳定。对控制电路来说监测和限制电感电流以防止它越过在这个边界是必要的。

4、良好的闭环响应

在断流模式下，因为电感储能在每个开关周期总是为零，所以通过修正由较大阶越的线电压及负载电流引起的扰动，很容易得到较快的响应速度。这使得从空载到满载情况下，控制电路有可能在单周期内控制任何需要的能量（并提供给输出）。在小信号闭环特性分析中，电感可以忽略，则只有电容引起的90°滞后相位。而由此引起的单极点具有稳定的固有特性，并且通过闭环很容易处理。工作于续流模式的升压和反激电路，会存在右半平面零点严重制约了闭环响应速度的问题，但断流模式拓扑结构不存在此问题。

5、高峰值电流

断续模式的一个主要缺点是有高峰值电流通过晶体管、二极管和输出滤波电容。这对半导体器件的额定电流有很高的要求，并且对输出滤波电容的ESR （串联等效电阻）及额定电流有效值要求是一个巨大的挑战。例如，在升压和反激电路中，二极管在输出端，因此二极管平均电流I d与输出直流电流Io成等式关系（Id是不等于Io的）。在满载条件下，如果二极管导通时间t d是开关周期的50%,则峰值电流就是满载电流Io的4倍。

在降压电路中，提供能量给输出端的电感电流的波形系数要好点，所以峰值电近似与输出电流成比例。降压拓扑很少用在断续模式因为在连续模式工作的更好。

6、较差的开环线性和负载调整率(线性调整率为ΔVo/ΔVin,负载调整率为

ΔVo/ΔIo)

反击式拓扑结构在断续模式下的基本直流等式如下式（1），升压调节器的公式与其相似，但更为复杂。反激式电路公式如下：

（1） Vo = Vin D-[Ro/(2Lf)]1/2

从这个等式可以看到，如果占空比固定不变（开环控制），Vo的变化与Vin和输出负载Ro有直接的关系。换言之，开环电源和负载调整率很差的，并且在

全部输入电压和负载范围内，控制电路必须改变占空比以维持要求的输出电压。

7、控制方法

在三种恒频的控制方法中，（直接占空比控制、电压前馈、和电流模式）,输出电压是和一个固定的参考电压作比较。得出的误差电压被放大并且做为闭环控制电压V C。

8、直接占空比控制

晶体管占空比D=ton/T，它的变化是与控制电压V C成比例的。较差的开环电源和负载调整率需要很大的环路增益来修正。输出滤波电容是闭环系统的一部分并且引进一个滞后相位，该滞后相位会延迟V in变化的修正。

9、电源前馈控制

输入电压的取样值被直接反馈到控制电路，引起占空比变化，占空比与V in 成反比，与V C成正比[D=（k V C）/V in]，如果V in增加，D自动减小以便输入伏特--秒恒定来等到固定的V C，因此V C直接控制输入伏特--秒。开环电源调整率是好的，以至于只需底闭环增益便可满足直流变换器的调整率。公式（1）变为：

(2) Vo = K Vc-[Ro/(2Lf)]1/2

其中K为前馈比，K=（VinD）/ Vc