开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源。根据开关电源的输入和输出类型可以分为:AC-DC、DC-DC、DC-AC等。本文主要介绍DC-DC电源基本拓扑结构。
非隔离式
输入端与输出端电气相通,没有隔离。
1.1. 串联式结构:在主回路中开关管与输入端、输出端、电感器L、负载RL四者成串联连接的关系。

串联式结构只能获得低于输入电压的输出电压,因此为降压式变换。例如buck拓扑型开关电源就是属于串联式的开关电源。

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VOUT=D×VIN (CCM模式,D=Ton/(Ton+Toff))

【图1】是buck拓扑电路,其中L是储能滤波电感,它的作用是在控制开关K接通期间Ton限制大电流通过,防止输入电压Ui直接加到负载R上,对负载R进行电压冲击,同时对流过电感的电流iL转化成磁能进行能量存储,然后在控制开关T关断期间Toff把磁能转化成电流iL继续向负载R提供能量输出;C是储能滤波电容,它的作用是在控制开关K接通期间Ton把流过储能电感L的部分电流转化成电荷进行存储,然后在控制开关K关断期间Toff把电荷转化成电流继续向负载R提供能量输出;D是整流二极管,主要功能是续流作用,故称它为续流二极管,其作用是在控制开关关断期间Toff,给储能滤波电感L释放能量提供电流通路。

1.2. 并联式结构:在主回路中,相对于输入端而言,开关管与输出端负载成并联连接的关系。

并联式结构可以获得高于输入电压的输出电压,因此为升压式变换。并且为了获得连续的负载电流,并联结构比串联结果对输出滤波电容C的容量有更高的要求。例如boots拓扑型的开关电源就是属于并联型式的开关电源。

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VOUT=Vin×(1+D/1-D) (CCM模式,D=Ton/(Ton+Toff))

【图2】是Boost拓扑结构电路图,当开关管T导通时,输入端电源通过开关管T对电感器L充电,同时续流二极管D关断,负载R靠电容器存储的电能供电;当开关管T关断时,续流二极管D导通,输入端电源电压与电感器L中的自感电动势正向叠加后,通过续流二极管D对负载R供电,并同时对电容器C充电。


隔离式类型
输入端与输出端电气不相通,通过脉冲变压器的磁偶合方式传递能量,输入输出完全电气隔离。
2.1. 单端正激式 single Forward Converter(又叫单端正激式变压器开关电源 )

单端:通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器;

正激式:在开关管导通的时候能量通过变压器或电感向负载释放,当开关关闭的时候停止向负载释放能量。

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VOUT=N*Vin×D (CCM模式,N:变压器次级线圈与初级线圈匝数比,D=Ton/(Ton+Toff))

【图3】是单晶正激式拓扑电路图,VIN是开关电源的输入电压,当Q导通时电能通过变压器T1初级线圈耦合传递到次级侧,D1整流导通,电能一部分被电感L吸收储能另一部分输出给负载RL;当Q关断时D1反向截止,电感L能量通过D2续流二极管续流继续给负载提供能量。

2.2. 单端反激式 Single Flyback Converter(单端反激式变压器开关电源)
反激式:开关管导通的时候存储能量,关管关断的时候向负载释放能量。
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VOUT=N*Vin×(D/1-D) (CCM模式,N:变压器次级线圈与初级线圈匝数比,D=Ton/(Ton+Toff))

图4是反激式拓扑电路图,VIN是开关电源的输入电压,当Q导通时电能通过变压器T1初级线圈进行储能(变压器相当于电感),D2反向截止;当Q截止时变压器储存的能量以耦合的方式传递到初级线圈,此时整流二极管D2导通,将电能输送到输出端。


小结:电压公式均可通过伏秒平衡原理推导出来。伏秒平衡原理:在稳态工作的开关电源中电感两端的正伏秒值等于负伏秒值。



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