开关电源拓扑结构

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1、开关电源的拓扑结构（第一部分）作者：穆罕默德卡米尔（微芯片技术有限公司） 翻译：何南杰一、简介电子行业对电子产品体积小、重量轻、效率高的要求，促使了开关电源拓扑 结构（SMPS）的发展。常用的开关电源有几种拓扑结构。该应用手册系列分为两个部分，第一部分解释了开关电源不同的拓扑结构。 不同拓扑结构的实际应用和他们的优缺点将会进一步探讨。这份应用手册将引导 用户在特定的应用中选择合适的拓扑结构，与此同时还提供了关于设计特定开关 电源时，选择电气和电子器件的实用信息。为什么用关电源拓扑结构？开关电源拓扑结构的主要思想，从直流整流器的概念上可以很容易理解，如图1所示。负载R |需要恒定电压供电，V 来

2、源于初级电压源V，输出电压1 OUT INV 受串联电阻R或者分流电流I的影响。OUT S SV 随I的变化而变化。当R保持恒定时，整流器会产生损耗。这种类型 OUT S S的整流器称作分流受控调节器。整流器中损耗的计算方法在方程式1中给出。注意在 I 为零时损耗不能忽略不计。SRiINRsIs【OUT图 1：DC-DC 整流器式1：分流受控调节器功率损耗P 二V I +(I+1)RLOSS OUT S OUT S S如果改变电阻R并且维持I为零来控制输出输出电压V ，那么理想的功S S OUT 率损耗可以通过公式 2 计算。R式2：串联受控调节器功率损耗P =V2. LOSS IN (R +

3、 R)2SL这种整流器就是串联受控调节器。整流器的理想功率损耗随控制输出电压V 的串联电阻R和负载电流I 而变化。当R的阻值为零或者无穷大时整流 OUTSOUTS器的理想功率损耗为零。这种串联受控调节器的特性是开关电源的原理基础，这 样可以获得最小的转换损耗和最大的转换效率。在开关电源中，串联元件R被半导体开关取代，这种半导体开关有很小的S导通电阻和很大的关断电阻。利用无损耗电感电容的低通录波器后置于半导体开 关元件，可以提供持续的直流输出电压。开关电源用开关器件实现持续高频的开通和关断(从50Hz到数MHz),以此 将电能从输入端转换到无源输出端。输出电压受占空比、频率或半导体器件的相 位控

4、制。由于无源元件的体积与开关频率成反比，高频开关可以缩小导磁体和电 容的体积。虽然高频开关的使用可以极大增强功率密度，但也会导致整流器功率损耗增 加，同时产生更多的电磁干扰。开关电源拓扑结构的选择实现开关电源常用的几种拓扑结构如下。任何一种拓扑结构都能用于任意一 种模式，但是每种拓扑结构都有独特的特征，这使得某种拓扑结构在特定的应用 中是最好的选择。因此，有必要了解一些拓扑结构的基本操作、优点、缺点、复 杂性以及特定拓扑结构的适用范围。选择合适的拓扑结构要考虑以下几点：a) 输出电压是高于还是低于输入电压范围b) 要求输出量是多少c) 是否要求输入与输出之间有电气隔离d) 输入/输出电压是不是

5、很高e) 输入/输出电流是不是很大f) 通过整流器的初始最高电压和最大占空比条件(a)是选择升压、降压或者是升降压类型电源拓扑结构的依据。条件(b) 和条件(c)是能否选用变压器的依据。(d)、(e)、(f)几个条件是电源可靠性要考 虑的基本因素。降压变换器从叫法中可以看出，降压变换器得到的输出电压只能低于输入电压。降压变 换器的简单转换波形图如图2所示。在降压变换器中开关器件0与输入电压源V串联。输入源V通过开关和1ININ电感电容组成的低通滤波器提供到输出端。在稳态时，当开关在T期间处于导通状态时，输入端给输出端和电感L提 ON供能量，在T时间段，电感电流流经开关器件，同时V和V 之间的电

6、压差 ONINOUT由正向的电感产生，如图2(c)所示。因此，电感电流L从IL直线上升到IL， 12如图2 (E)所示。在 T 期间，开关为关断状态，由于电感的储能继续给负载提供电流，电感 off电流按之前的方向续流。二极管D在Q关断期间改变电感电流路径，所以D被 1 1 1称作*二极管。在T时间段，输出电压V 通过反方向的电感建立，如图2 (c) offOUT所示。因此电感电流由之前的IL下降到IL，如图2 (E)所示。21(A) = 降压变换器(B) = MOSFET Q1的门极脉冲(C) =电感L两端压差(D) = 输入电流 IIN(E) = 电感电流 IL图 2 降压变换器连续传导模式

7、在一个开关周期（Ts）内，电感电流是持续的并且总是大于零，因此称这种 运行方式为连续传导模式。在连续传导模式中，输入输出电压的关系由公式 3 给出，其中D是占空比，D的计算由公式4给出。公式3：降压变换器输入输出电压关系VDVOUT INT公式4：占空比D = 4其中T为导通时间，T为转换周期。如果输出 TONSS输入电压比小于0.1，建议用两级降压变换器，即通过两级降压逐步降低电压。 尽管降压变换器既可以是连续模式也可以是断续模式，输入电流常常是断续的， 如图2 （D）所示。这将导致比其他拓扑结构更大的电磁干扰（EMI）。电流模式控制在设计降压变换器时，总会遇到电感和电容尺寸选择的取舍。更大

8、的电感值意味着数倍的磁心变化，但是输出电容的纹波电流更小（小于 满负荷电流的 10%），所以电感的损失增加了。当然，纹波电流的减少使得电流 控制模式几乎不能实现（电流控制模式的技术细节参考“控制方式”一节）。所 以在转换器中可以观察到较差的负荷瞬态响应。较小的电感值使得纹波增大。这使得电流控制模式的应用更容易，结果，转 换器的负载瞬态响应得到了改善。但是高纹波电流需要低等效串联电阻的输出电 容来满足峰值间电压纹波要求。通常情况下，要实现电流控制模式，电感上的纹 波电流至少要为满负荷电流的 30%.前置回馈控制在降压变换器中，应用输入电压前置回馈控制可以降低输入电压的变化对输 出电压的影响。与模

9、拟控制技术相比，很容易通过对输入电压的分辨使用数字控 制技术实现前置回馈控制。在前置回馈控制模式中，一旦检测到输入电压的变化， 数字控制器开始采取合适的自适应行动，实际上可以在这一变化的输入之前影响 到输出参数。同步降压变换器如果输出电流要求很高，多余的能量被续流二极D管消耗，限制最小输出电 压可以实现。为了在大电流时减少功率损耗，得到获得低输出电压，续流二极管 被低导通电阻R的MOSFET替代，该MOSFET同降压MOSFET同步开关。因DSON此称这种拓扑结构为同步降压变换器。该同步MOSFET需要门极驱动信号，即降 价开关门极的驱动信号。MOSFET能够双向导通，如果电感电流接近零时，同

10、步MOSFET在轻载时必 须迅速关断。否则，由于输出 LC 谐振，电感电流将在达到零后反向。这种情况下，同步MOSFET相当于输出电容的负载，并且Rdson(导通电阻)消耗功率，这就导致续流状态运行时损耗增加(电感电流在一个周期中达到零)。当降压变 换器的电感是为中等负载设计时会出现这种情况，但是需要运行于空载或者是轻 载的状况。在这种情况下，如果同步MOSFET在电感达到零后没有迅速关断，输 出电压可能低于规定的电压下限。多相同步降压变换器Q的门极脉冲，电感电流IL1Q3的门极脉冲，电感电流IL2Q5的门极脉冲，电感电流il3 输入电流IINA)B)C)D)E)A)B)C)D)E)图 3 ：

11、多相同步降压变换器多相同步降压变换器要想实现低电压而且负载电流大于35A的单相同步降压变换器是不现实的。 如果负载电流要大于35A-40A,需要几个变换器并联以传递载荷。要使输入输出 电容最优化，所有的并联转换器运行于同一个时基并且每个转换器以固定的时间 或者相位接着前一个转换器开始转换。这种转换器就称作多相同步降压变换器。 图 3 表示多相同步降压变换器每个门极的脉冲时间关系和依据变频器绘制的输 入电流。固定时间或固定相位由时间周期/n或者300/n给出，“n”代表并联变 频器的个数。输入输出电容的设计要基于每个变频器的开关频率乘以并联变频器的数量。 输出电容的纹波电流以“n”倍减少。如图3

12、 (E)所示，与图2 (D)中的单相 变换器相比，多相同步降压变换器的输入电流能续流且纹波更少。所以，更小的 电容值符合多相同步降压变换器的设计要求。附录：术语汇编双极面结型晶体管(BJT)： BJT是掺杂半导体材料的三端器件，用于放大 或者开关应用。降压转换器：一种开关电源拓扑结构，通过串联开关对输入电压斩波，对平 均LC滤波器采用脉冲，以此产生比输入电压低的输出电压。电流控制模式：一种应用双重回路来调整PWM操作的控制模式。电磁干扰(EMI):多余的能量，变频器产生的电磁噪音的一种形式，可以 被引导或者辐射。正向变换器:当开关晶体管导通时，降压变频器拓扑结构中能量转移到次级 变压器绕组并进入负荷。