詳細解析開關電源的三大基礎拓撲

 1、 摘要
       開關電源已經深入到國民經濟的各個行業(yè)當中,設計師或是自行設計電源或是購買電源模塊,但是這些電源都離不開電源的各種電路拓撲。本文先介紹了開關電源的三大基礎拓撲:Buck、Boost、Buck-Boost,并就這三者拓撲之間進行了簡單地組合,得到了非常巧妙的電路,例如:正負輸出電源、雙向電源等,能夠滿足諸如運放供電、電池充放電等某些特殊的需求。
       2、 開關電源基礎拓撲
      開關電源三大基礎拓撲為:Buck、Boost、Buck-Boost,大部分開關電源都是采用這幾種基礎拓撲或者其對應的隔離方式,下面以電感連續(xù)模式進行簡單介紹。
      2.1 Buck降壓型
       Buck降壓型電路拓撲,有時又稱為Step-down電路
      Buck電路的工作原理為:
      當PWM驅動高電平使得NMOS管T導通的時候,忽略MOS管的導通壓降,等效如圖2,電感電流呈線性上升,MOS導通時電感正向伏秒為:

       當PWM驅動低電平的時候,MOS管截止,電感電流不能突變,經過續(xù)流二極管形成回路(忽略二極管電壓),給輸出負載供電,此時電感電流下降,如下圖3所示,MOS截止時電感反向伏秒為:

      D為占空比,0
      2.2 Boost升壓型
      Boost升壓型電路拓撲,有時又稱為step-up電路,其典型的電路結構如下圖4所示:

       同樣地,根據Buck電路的分析方式,Boost電路的工作原理為:

      
       2.3 Buck-Boost極性反轉升降壓型
       Buck-Boost電路拓撲,有時又稱為Inverting,其典型的電路結構如下圖5所示:

       同樣地,根據Buck電路的分析方式,Buck-Boost電路的工作原理為:

      
       3、 Buck與Buck-Boost組合
       金升陽K78系列的產品采用了Buck降壓型的電路結構進行設計,是LM78XX系列三端線性穩(wěn)壓器的理想替代品,效率最高可達96%,不需要額外增加散熱片,同時還兼有短路保護和過熱保護,值得說明的是它能夠完美支持負輸出。
       上面提到金升陽K78系列產品可以支持負輸出,這是怎么做到的呢?
       從上面Buck電路以及Buck- Boost電路結構原理來看,主要的區(qū)別是兩者二極管與功率電感的位置互換。因此,若將Buck電路的輸出Vo引腳接成輸入的GND,而之前的輸入GND
就變成了負電壓輸出了,即變成了Buck-Boost的電路結構。對應到金升陽K78xx-500R2系列的產品就變成了如下圖6所示的負輸出。

      因此,用2只K7812-500R2的產品,實現BUCK與BUCK-BOOST電路相結合,可以得到±12V輸出,低的紋波和噪聲可以給運放進行供電。

       需要值得注意的是,由于BUCK-BOOST電路在啟動電流會比BUCK電路大一些,所以會在BUCK-BOOST電壓輸入端加一些緩沖類的器件。
       4、 Buck與Boost組合
       Buck與Boost兩者相結合,會得到什么樣的電路和應用呢?根據不同的控制,可以讓電源從高壓降到低壓,也可以將低壓升到高壓,可以稱之為雙向DC-DC變換器之一,典型的應用電路如下圖8:

       DC-DC雙向變換器目前主要應用在各大充放電系統(tǒng)中,隨著儲能器件的發(fā)展得到了廣泛地應用,主要的行業(yè)在汽車電子,電梯節(jié)能系統(tǒng)等應用行業(yè)。
       當T2管截止時,T1管與D1、L等器件構成了Buck型降壓電路,可以實現對后級的負載進行供電;反之,當T1管截止,T2管與D2二極管、L等器件構成了Boost升壓電路,對前端電源進行能量補充。目前對T1和T2管的控制以模擬方式控制相對還是比較困難,均是以數字控制方式為主。
       下圖9是將超級電容運用到電梯能量回收系統(tǒng)中,將電機的能量在超級電容和直流母線之間進行相互傳遞,降低了能源的損耗。

       由于超級電容充放電電流比較大,普通的功率MOS管已經不適合使用,通常用IGBT來替代,而IGBT驅動在導通和關斷的響應速度上,驅動電源選擇+15V 和-9V將會是比較理想的,一方面+15V能夠完全提供正向驅動的電壓,另一方面-9V又能夠加速IGBT的關斷。而QP12W05S-37是個不錯的選擇。
       5、 總結
       基本電源拓撲結構中Buck降壓型應用最多,但是各個基礎拓撲組合使用,可以解決很多類似于正負電源供電以及雙向電源應用方面的問題?傊娫椿A拓撲結構雖老,但是實際應用卻可以千變萬化。


【上一個】 提高開關電源效率的電路和系統(tǒng)方法 【下一個】 要出貨的開關電源要注意哪些方面


 ^ 詳細解析開關電源的三大基礎拓撲