电源变换器电路拓扑剖析

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1、 POWER SUPPLY TOPOLOGIES (电源变换器电路拓扑）简介 第1篇：常用开关变换器电路拓扑： 1、BUCK电路（降压变换器） 2、BOOST电路（升压变换器） 3、BUCK-BOOST电路（降压-升压变换器） 4、SEPIC电路（隔离型的升压-降压变换器） 5、FLYBACK电路（反激式变换器） 6、FORWARD电路（正激式变换器） 7、2 SWITCH FORWARD电路（双开关正激式变换器） 8、ACTIVE CLAMP FORWARD电路（有源钳位正激变换器） 9、HALF BRIGE电路（半桥式变换器） 10、PUSH PULL电路（推挽式变换器） 11、FULL

2、BRIGE电路（全桥式变换器） 12、PHASE SHIFT ZVT电路（移相全桥软开关变换器） 绪言： 开关电源在各个领域应用非常广范：邮电通信、军 事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等 。随着新的电子元器件、新的电磁材料、新的变换技术 、新的控制理论及新的软件应用到开关电源的缘故，使 开关电源的设计更上一层楼，达到频率高、效率高、功 率密度高、功率因素高、可靠性高。但同时开关电源也 遇到更多问题和实际的要求：能否全面贯彻电磁兼容各 项标准；能否大规模稳定生产或快捷单件特殊生产；能 否组建大容量电源；电气额定值能否更高（如PF值）或 更低（如Vout)；能否使外形更加小形化适应使

3、用场所 的要求。为了能够更好选用开关电源的电路拓扑，下面 介绍一些常用开关变换器的电路拓扑以供参考。 第1节：BUCK电路（降压变换器） 一、右图的内容： 1、电路拓扑 2、电压增益 3、开关管的峰值电流 4、开关管的电压应力（VDS） 5、续流二极体的电流 6、续流二极体的反向工作电压 7、工作波形时序图 二、工作原理二、工作原理 1 1、当、当Q1Q1导通时导通时ILIL线性增加，线性增加， D1D1截止截止此时此时ILIL和和 C C向负载供电，向负载供电， 当当ILIL Io Io 时时ILIL向向C C充电也向负载供电充电也向负载供电 2 2、当、当Q1Q1截止时截止时L L通过通过

4、D1D1形成续流回路，形成续流回路， ILIL向向C C充电也向负载供电充电也向负载供电 当当 ILIL IoIo时时C C向负载供电向负载供电 三、电路主要的概念与关系式 1、电感电流连续与不连续：Lc=(1-D)*R*Ts/2 （ Lc:临界电感） 看成是一个有低通滤波器的电压斩波器 2、具有降压作用Vo Vs 3、在连续状态下Vo 与负载R无关 4、在不连续状态下Vo由R和D决定 四、电路的优点 1、通过调节D的大小， 可以得到不同的输出电压； 2、电路结构简单。 五、电路的缺点 1、输入电流是脉动， 电源与变换器的输入端需加滤波器； 2、在不连续状态下， 在一定的Pin下Is峰值电流大

5、， Q1和D1必须具有较高的峰值电压和电流。 二、工作原理：二、工作原理： 1 1、当、当Q1Q1导通时导通时ILIL线性增加，线性增加，D1D1截止此时截止此时CoCo向负载向负载 供电供电 2 2、当、当Q1Q1截止时截止时VLVL和和VSVS串联，串联， 以高于以高于VOVO的电压向的电压向C C充电同时向负载充电同时向负载 供电，此时供电，此时 D1D1导通导通 三、电路的性质特点 1、由于VL+VS向负载供电，VO大于VS具有升压作用 2、在连续状态下，输入电流不是脉动的， 纹波电流随L的增大而减小 3、在不连续状态下，Q1和D1的峰值电流大， 同时输出纹波也增加；当L的电流下降为0

6、时， 只有C向负载供电，要求较大的电容C才能使纹波 小 4、利用电感L作为传送能量的元件 第2节：BOOST电路升压变换器） 一、右图的内容： 1、电路拓扑 2、输入与输出电压关系 3、开关管的最大电流 4、开关管的电压应力（VDS） 5、续流二极管的电流 6、续流二极管的反向工作电压 7、工作波形时序图 四、适用的场合： 1、APFC电路 2、低、中功率的变换器 第3节：BUCK-BOOST电路 （降压-升压变换器、反号器 ） 一、右图的内容： 1、电路拓扑 2、电压增益 3、开关管的峰值电流 4、开关管的电压应力（VDS） 5、续流二极体的电流 6、续流二极体的反向工作电压 7、工作波形时

7、序图 二、工作原理：二、工作原理： 1 1、当、当Q1Q1导通时导通时ILIL线性增加，线性增加， D1D1截止此时截止此时CoCo向负载向负载 供电供电 2 2、当、当Q1Q1截止时截止时L L通过通过D1D1、 CoCo形成续流回路，同时形成续流回路，同时 向负载供电，此时向负载供电，此时D1D1导通导通 三、电路的性质特点： 1、通过调节开关占空比D的大小，得到需要的输出 电压（可升降压） 2、在连续状态下，输入输出电流是脉动的， 输出纹波电流随L的增大而减小 3、在不连续状态下，Q1和D1的峰值电流大， 同时输出纹波也增加； 当L的电流下降为0时， 只有C向负载供电，要求较大的电容C才

8、能使纹波 小 4、利用电感L作为传送能量的元件 四、电路的优缺点 1、电压增益可升压或降压是它的主要优点 2、它的应用电路稍显复杂，输入输出电流是脉动 的， 为了平波要加滤波器 3、Q1的驱动不共地，会使线路构成复杂化，元件增 加 第4节：SEPIC电路 （隔离型的升压-降压变换器） 一、右图的内容： 1、电路拓扑 2、电压增益 3、开关管的峰值电流 4、开关管的电压应力（VDS） 5、续流二极管的电流 6、续流二极管的反向工作电压 7、工作波形时序图 二、工作原理二、工作原理 1 1、当、当Q1Q1导通时导通时IL1IL1线性增加，线性增加，C C通过通过Q1Q1和和L2L2放电，放电， 此

9、时此时D1D1载止载止CoCo放电向负载供电放电向负载供电 2 2、当、当Q1Q1截止时截止时L1L1通过通过C C、D1D1、 CoCo形成续流回形成续流回 路，同时路，同时L2L2通过通过D1D1、 CoCo形成续流回路形成续流回路这两个这两个 续流回路也向负载供电续流回路也向负载供电 三、电路的特点： 1、输入电流和输出电流不是脉动的，而且增加电感 L1和L2的值，可使交流纹波电流的值为任意的小 2、不需要再附加输入/输出的抗电磁干扰的滤波器 3、通过调节开关占空比D的大小，得到需要的输出 电压（可升降压） 4、主要的能量转换元件是电容C，同时起到输入和 输出隔离的作用 5、电路拓扑较佳

10、，但并不广为使用，原因是能量转 换电容C需要耐受极大的纹 波电流，这样电容的 成本高，可靠性也稍差一些 四、适用场合 1、常见用在USB外设电源，可以先升压再降 压的办法， 2、适合应用在需要多种输出电压的场合； 3、用在低电压，小功率的变换器 第5节：FLYBACK电路 （反激式变换器） 一、右图的内容： 1、电路拓扑 2、电压增益 3、开关管的峰值电流 4、开关管的电压应力（VDS） 5、整流二极体的平均电流 6、整流二极体的反向工作电压 7、工作波形时序图 一、工作原理：一、工作原理： 1 1、当、当Q1Q1导通时导通时ILNPILNP线性增加，变压器一次侧储能线性增加，变压器一次侧储能

11、 ， CoCo放电向负载供电，此时放电向负载供电，此时D1D1载止载止 2 2、当、当Q1Q1截止时截止时变压器一次侧储存的能量通过二变压器一次侧储存的能量通过二 次侧泄放，次侧泄放， 此时此时LNSLNS通过通过D1D1向向CoCo充电并负载充电并负载 供电供电 二、电路特点 1、开关管的电压应力（VDS）实际应用上，由于开 关变压器一次侧漏感的存在开关管的电压应力会 大于Vin+Vout*(Np/Ns)，对开关的选择要求高 2、输入输出电流是脉动的，输入输出电路都要加相 应的滤波回路 3、电路结构简单，通过控制占空比D的大小（一般 小于0.48）得到不同的输出电压 4、开关变压器起变压与扼

12、流圈的作用，在输出部分 不需要额外的电感器，但在实际应用中为了抑制 高频的转换杂讯，要加小型的电感器 5、变压器的B-H特性曲线在单一方向来做转换（ 类磁工作状态），铁芯需较大的尺寸和相应的空 气间隙 三、适用场合： 适用在中、小功率的变换器，我们公司的自制 ADAPTER、自制PWPC板其中DC-DC回路均采用此电 路架构。 第6节：FORWARD电路 （正激式变换器） 一、右图的内容： 1、电路拓扑 2、电压增益 3、开关管的峰值电流 4、开关管的电压应力（VDS） 5、整流二极管平均电流 6、整流二极管的反向工作电压 7、工作波形时序图 二、工作原理：二、工作原理： 1 1、当、当Q1Q

13、1导通时导通时ILNPILNP线性增加变压器磁芯储能，同时线性增加变压器磁芯储能，同时 通过二次侧向输出回路转送能量；通过二次侧向输出回路转送能量； 此时此时D1D1导通导通D2D2截止截止ILNSILNS向向L L和和CoCo储能并向负载供储能并向负载供 电电 2 2、当、当Q1Q1截止时截止时变压器一次侧漏感储存的能量通过变压器一次侧漏感储存的能量通过 D3D3、泄放绕组和、泄放绕组和Q1Q1的结电容进行泄放；的结电容进行泄放； 此时此时L L通过飞轮二极体通过飞轮二极体D2D2续流、续流、 CoCo放电，这两回放电，这两回 路向负载供电路向负载供电 三、电路特点： 1、开关管的电压应力（VDS）高，达到2倍Vin对开关管选择要 求高 2、输入电流是脉动的，输出电流是连续，适当选取L感量可使 输出纹波电流较小 3、通过控制占空比D的大小得到不同的输出电压 4、对输出滤波电容的要求低 5、开关变压器的工艺结构稍显复杂 6、使用正激变压器，初次级绕组有相同的极性 7、为了使能量有效转移，在输出端要有储能电感 8、变压器的B-H特性曲线在单一方向来做转换（类磁工作状 态），铁芯需较大的尺寸和相应的空气间隙 9、占空比D要小于0.5，若大于0.5将会破坏磁芯伏特-秒积分 作用的平衡，使变压器趋于饱和产生极高的开关电流破坏