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1、开关电源拓扑结构回顾引言：本文综述的是开关稳压电源常用的三个基本电路。它的特点为降压，升压和反激式（或降压-升压式）。这三个电路的拓扑结构，可以工作在两种模式下：间断或连续电感电流模式。选择模式对总体特征具有很大的影响。控制方法的使用可以帮助减少与任何拓扑结构和运作模式有关的问题。有三种固定频率的控制方法：直接占空比控制，电压前馈，电流模式（双回路）控制。一些基本电路的扩展电路也纳入讨论的范围内，讨论了每种电路拓扑，运作模式，控制方法组合的优点。3种基本的拓扑：三种基本配置如图1所示：降压，升压和反激式。cuk变换器是一个反激式拓扑结构，没有进行讨论。三种不同的开关电路具有相同的三个要素：电感
2、，晶体管和二极管，但安排在不同的位置（输出电容器是滤波元件，而不是开关电路的一部分）。理论上，可能还有三种其他电路使用相同的三个元件并配置为T型结构，但这些只是前三个电路的简单镜像结构和极性相反的耦合电源方向。不论运作模式或控制方法，一个适用于所有这三个拓扑的通用原则是：在稳定操作状态下，每次开关周期电感上的电压平均值必须是零。否则，平均电感电流会改变，违反了稳定状态的前提。三种拓扑的每一个基本电路输入、输出电流及电压、占空比三者间有唯一的对应关系。举例来说，基本buck降压电路的输出电压Vo，一定小于输入电压Vin并且这两个电压具有相同的极性。基本Boost电路需要Vo大于Vin且同极性。反
3、激式拓扑结构Vo无论是高于或低于Vin都可以，但二者必须极性相反。间断操作模式：在间断电感电流模式，或“间断模式” ，降压，升压和反激式电路以类似方法运行。在每个开关周期最后的部分，电感电流是零。在每个开关周期的开始部分，电感电流从零增加，从输入端储存能量。在开关周期的第二部分，所有储存的能量释放到负载，能量从输入传送到输出。电流波形。间断模式电流波形如图2所示。不论电路拓扑如何，电感，晶体管和二极管的波形相同，但是由于各电路从输入到输出的三个元件级联的方式不同，输入和输出电流波形不同。三种状态。每个开关周期有三种不同的运行状态1.在晶体管的“开”的时间，Ton，电感电流上升，从零到峰值Ip。
4、这个峰值电流对应于Ton结束的时候电感中储存的能量，。在这段时间电感电流是取自的输入，这是电感每个周期从电源输入能量。2.当晶体管关闭时，电感电压反向，它所存储的能量使已经达到峰值的电流通过二极管形成回路。在二极管导通期间，Td，电感电流驱动输出并线性减小至零。在Td结束的时候，所有储存在电感的能量已传送到输出。3.当电流达到零。电感没有更多的能量。开关周期的剩余时间里，开关电路所有元件上的电流都是零。在空余时间Ti，电路等待下一个时钟脉冲来触发晶体管导通，并开始下一个周期。间断模式边界。当负载电流增加，控制电路使晶体管的导通时间Ton（工作周期）增加。峰值电感电流增加，二极管导通时间Td也必
5、须增加。因此，负荷电流的增加会导致稳态空闲时间Ti的减少。当负载电流增加至某一水平，Ti成为零，此时达到间断模式边界。如果负荷电流继续增加，每个周期电感电流将不再放电到零，并会以连续模式运行。此时电路将变得不稳定，因为稳定的间断模式操作所需要的闭环增益补偿不足以防止连续模式下的振荡。对于控制电路来说，检测并限制电感电流以防止其超过该模式下的边界条件是必要的。良好的闭环响应。在间断模式下，校正由于输入电压或负载电流较大的阶跃变化而产生的干扰从而获得理想的输出是很容易做到的，因为每一个开关周期电感中的能量总是从零开始变化。这使得控制电路能够获得从零到满输出的任意需要的能量水平和输出功率。电感从小信
6、号闭环特性中消失了，只留下输出电容以及它所产生的90度相位滞后。得到的单极性特性是稳定的而且采用闭环的手段也容易处理。严重限制连续模式下的升压和反激式电路的闭环响应的右半平面零点问题在间断模式拓扑种也不会出现。高峰值电流。间断模式的一个主要的缺点是流经晶体管，二极管和输出滤波电容器的尖峰电流。这就要求半导体具有较高的载流能力，并使输出滤波电容的等效串联电阻ESR负担增加。举例来说，在升压式和反激式电路中，二极管是输出元件，因此，二极管平均电流，Id，必须等于直流输出电流，Io。在满负荷条件下，如果二极管的导通时间是开关周期的50%，则尖峰电流是满负荷输出电流Io的4倍。在降压式电路中电感电流驱
7、动输出，因此，尖峰电流会比输出电流小一定比例。不过，降压式的拓扑结构是很少使用在间断模式，因为连续模式提供了更好的表现。不良的开环输入-负载调节能力。反激式拓扑结构在间断模式下的直流特性基本方程如下式所示。升压调节器的公式更加复杂。对于反激式电路来说：从这个等式可以看出，如果占空比固定（开环控制），Vo会随着Vin和输出负载电阻Ro的平方根变化。换言之，开环的输入-负载调节能力较差，这样的话控制电路必须对占空比进行相当大的改变以保证输出电压的稳定。控制方法。对所有这三个恒频控制方法（直接占空比，电压前馈，和电流模式）来说，输出电压是与一个固定的基准电压进行比较。电压的偏差被放大，并用来作为闭环
8、控制电压，Vc。直接占空比控制，占空比：通过不同的比例来控制电压Vc。不良的开环负载调节能力使得电路工作时需要较高的开环增益来进行校正。输出滤波电容器是闭环系统的一部分从而引入一个滞后相角使输入的变化得到延迟校正。电压前馈控制：输入电压的采样值直接送至控制电路，使占空比与Vin成反比，与Vc成正比变化（D=KVc/Vin）。如果将Vin增大，D自动下降，输入伏-秒（VinD）特性维持Vc不变。因此，Vc的成正比的控制输入伏-秒（VinD）特性。开环线性调节能力较好，所以仅需要较小的开环增益满足直流调节的需要。方程(1)变为：（2） 其中，K是前馈的比例=VIND/VC“电流模式控制：一个内部的
9、第二反馈回路比较峰值电感电流，Ip，和控制电压，Vc。在外部的反馈回路中，Vc直接控制Ip。内反馈回路提供良好的内部线性调节能力，类似于电压前馈。 方程（1）变为：（3）其中，K是内反馈回路电流控制系数=maxIp/maxVc。建议使用电压前馈或电流模式控制。它们都具有很重要的改善效果改进开环线性调节能力，提供线性变化时的瞬时校正，并仅需要较小的闭环增益。连续模式，在连续电感电流模式（连续模式）下，电感电流在开关周期的任何时刻都不会是零。于间断模式下相同的应用参数相比，连续模式需要更大的电感值。电感纹波电流比满负荷时的输出电流小。电流波形。连续模式波形如图3所示。正如与非连续模式，电感，晶体管
10、和二极管电流波形是完全同为降压，升压或反激式电路，但输入和输出波形不同，与三要素是串联输入还是输出有关。升压和反激式电路具有类似的行为。在这两种情况下，输出电流是经过二极管的电流，该电流是不连续的。峰值输出电流比不连续模式下的峰值电流的一半稍大。这样的话输出电容的负担就会减轻。降压式变换器的行为区别较大。其输出电流是电感电流，该电流是连续的，并且具有相对较小的坡度和纹波幅值。该波形很容易进行滤波，大大减少输出电容的ESR和额定电流的要求。基于这个理由，连续模式下的降压调节器是最流行的开关电源配置，尤其是在大功率情况下，此时其它配置会产生高得多的尖峰电流会超出输出电容的最大负荷能力。两种状态。因
11、为电感电流是永远不为零，在连续模式下没有空闲时间，在每个开关周期只有两个工作状态。1）在晶体管的“开”的时间，Ton，电感电流从一个初始值（大于零）增加到更高的值，取代了在“关闭” 期间电感的放电行为。电流和功率均取自输入。2）当晶体管关闭，二极管运行于开关周期的剩余时间。下降到初始值，不会下降到零但会把能量传送给输出。在连续模式下，电感电流的上升和下降仅依赖于输入和输出电压大小，与平均电感电流或输出负载电流无关。没有间断模式下的灵活的提供第三种状态（空闲），Vin，Vo和占空比D的关系会随着拓扑结构的不同而不同。例如，在降压模式下，电感输入端的平均电压是是，或VinD，而电感输出端的电压是Vo。