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開關(guān)電源20種基本拓?fù)浣榻B

電子芯期天 ? 來源:電子芯期天 ? 2023-05-18 09:13 ? 次閱讀

什么是拓?fù)淠兀克^電路拓?fù)渚褪枪β势骷碗姶旁陔娐分械倪B接方式,而磁性元件設(shè)計,閉環(huán)補(bǔ)償電路設(shè)計及其他所有電路元件設(shè)計都取決于拓?fù)洹W罨镜耐負(fù)涫荁uck(降壓式)、Boost(升壓式)和Buck/Boost(升/降壓),單端反激(隔離反激),正激、推挽、半橋和全橋變化器。

開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),常見拓?fù)浯蠹s有14種,每種都有自身的特點和適用場合。選擇原則是要看是大功率還是小功率,高壓輸出還是低壓輸出,以及是否要求器件盡量少等。

因此,要恰當(dāng)選擇拓?fù)洌煜じ鞣N不同拓?fù)涞膬?yōu)缺點及適用范圍是非常重要的。錯誤的選擇會使電源設(shè)計一開始就注定失敗。下面為大家整理匯總了開關(guān)電源20種基本拓?fù)洌瑤椭到y(tǒng)掌握每種電路結(jié)構(gòu)的工作原理與基本特性。

一、20種開關(guān)電源拓?fù)鋵Ρ?/strong> 常見的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu): ■Buck 降壓 ■Boost 升壓 ■Buck-Boost 降壓-升壓 ■Flyback 反激 ■Forward 正激 ■Two-Transistor Forward 雙晶體管正激 ■Push-Pull 推挽 ■Half Bridge 半橋 ■Full Bridge 全橋 ■SEPIC ■C’uk 二、基本的脈沖寬度調(diào)制波形 這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都與開關(guān)式電路有關(guān),基本的脈沖寬度調(diào)制波形定義如下: a2ecc6e6-f50b-11ed-90ce-dac502259ad0.png ? 三、Buck 降壓 a32a3dfa-f50b-11ed-90ce-dac502259ad0.png ? 特點: ■?把輸入降至一個較低的電壓 ■?可能是最簡單的電路 ■?電感/電容濾波器濾平開關(guān)后的方波 ■?輸出總是小于或等于輸入 ■?輸入電流不連續(xù) (斬波) ■?輸出電流平滑 ? 四、Boost 升壓 a37086e8-f50b-11ed-90ce-dac502259ad0.png ? 特點: ■?把輸入升至一個較高的電壓 ■?與降壓一樣,但重新安排了電感、開關(guān)和二極管 ■?輸出總是比大于或等于輸入(忽略二極管的正向壓降) ■?輸入電流平滑 ■?輸出電流不連續(xù) (斬波) ? 五、Buck-Boost 降壓-升壓 a3a92a2a-f50b-11ed-90ce-dac502259ad0.png ? 特點: ■?電感、開關(guān)和二極管的另一種安排方法 ■?結(jié)合了降壓和升壓電路的缺點 ■?輸入電流不連續(xù) (斬波) ■?輸出電流也不連續(xù) (斬波) ■?輸出總是與輸入反向 (注意電容的極性),但是幅度可以小于或大于輸入 ■?“反激”變換器實際是降壓-升壓電路隔離(變壓器耦合)形式。 ? 六、Flyback 反激 a3e619f8-f50b-11ed-90ce-dac502259ad0.png ? 特點: ■?如降壓-升壓電路一樣工作,但是電感有兩個繞組,同時作為變壓器和電感 ■?輸出可以為正或為負(fù),由線圈和二極管的極性決定。 ■?輸出電壓可以大于或小于輸入電壓,由變壓器的匝數(shù)比決定。 ■?這是隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中最簡單的 ■?增加次級繞組和電路可以得到多個輸出 ? 七、Forward 正激 a424d1d4-f50b-11ed-90ce-dac502259ad0.png ? 特點: ■?降壓電路的變壓器耦合形式。 ■?不連續(xù)的輸入電流,平滑的輸出電流。 ■?因為采用變壓器,輸出可以大于或小于輸入,可以是任何極性。 ■?增加次級繞組和電路可以獲得多個輸出。 ■?在每個開關(guān)周期中必須對變壓器磁芯去磁。常用的做法是增加一個與初級繞組匝數(shù)相同的繞組。 ■?在開關(guān)接通階段存儲在初級電感中的能量,在開關(guān)斷開階段通過另外的繞組和二極管釋放。 ? 八、Two-Transistor Forward雙晶體管正激 a47f84ee-f50b-11ed-90ce-dac502259ad0.png ? 特點: ■?兩個開關(guān)同時工作。 ■?開關(guān)斷開時,存儲在變壓器中的能量使初級的極性反向,使二極管導(dǎo)通。 主要優(yōu)點: ■?每個開關(guān)上的電壓永遠(yuǎn)不會超過輸入電壓。 ■?無需對繞組磁道復(fù)位。 ? 九、Push-Pull 推挽 a4bc86e6-f50b-11ed-90ce-dac502259ad0.png

特點: ■開關(guān)(FET)的驅(qū)動不同相,進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制(PWM)以調(diào)節(jié)輸出電壓。 ■良好的變壓器磁芯利用率---在兩個半周期中都傳輸功率。 ■全波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。 ■施加在FET上的電壓是輸入電壓的兩倍。 十、Half-Bridge 半橋 a4f3b094-f50b-11ed-90ce-dac502259ad0.png ? 特點: ■?較高功率變換器極為常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 ■?開關(guān)(FET)的驅(qū)動不同相,進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制(PWM)以調(diào)節(jié)輸出電壓。 ■?良好的變壓器磁芯利用率---在兩個半周期中都傳輸功率。而且初級繞組的利用率優(yōu)于推挽電路。 ■?全波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。 ■?施加在FET上的電壓與輸入電壓相等。 ? 十一、Full-Bridge 全橋 a5385708-f50b-11ed-90ce-dac502259ad0.png ? 特點: ■?較高功率變換器最為常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 ■?開關(guān)(FET)以對角對的形式驅(qū)動,進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制(PWM)以調(diào)節(jié)輸出電壓。 ■?良好的變壓器磁芯利用率---在兩個半周期中都傳輸功率。 ■?全波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。 ■?施加在FETs上的電壓與輸入電壓相等。 ■?在給定的功率下,初級電流是半橋的一半。 ? 十二、SEPIC 單端初級電感變換器 a584df42-f50b-11ed-90ce-dac502259ad0.png

特點: ■輸出電壓可以大于或小于輸入電壓。 ■與升壓電路一樣,輸入電流平滑,但是輸出電流不連續(xù)。 ■能量通過電容從輸入傳輸至輸出。 ■需要兩個電感。 十三、C'uk(Slobodan C'uk 的專利) a5bd3112-f50b-11ed-90ce-dac502259ad0.png

特點: ■輸出反相 ■輸出電壓的幅度可以大于或小于輸入。 ■輸入電流和輸出電流都是平滑的。 ■能量通過電容從輸入傳輸至輸出。 ■需要兩個電感。 ■電感可以耦合獲得零紋波電感電流。 十四、電路工作的細(xì)節(jié) 下面講解幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作細(xì)節(jié): ■降壓調(diào)整器:連續(xù)導(dǎo)電、臨界導(dǎo)電、不連續(xù)導(dǎo)電 ■升壓調(diào)整器 (連續(xù)導(dǎo)電) ■變壓器工作 ■反激變壓器 ■正激變壓器 十五、Buck-降壓調(diào)整器-連續(xù)導(dǎo)電 a626e742-f50b-11ed-90ce-dac502259ad0.png

特點: ■電感電流連續(xù)。 ■ Vout是其輸入電壓 (V1)的均值。 ■輸出電壓為輸入電壓乘以開關(guān)的負(fù)荷比 (D)。 ■接通時,電感電流從電池流出。 ■開關(guān)斷開時電流流過二極管。 ■忽略開關(guān)和電感中的損耗, D 與負(fù)載電流無關(guān)。 ■降壓調(diào)整器和其派生電路的特征是: 輸入電流不連續(xù) (斬波), 輸出電流連續(xù) (平滑)。 十六、Buck-降壓調(diào)整器-臨界導(dǎo)電 a6605c34-f50b-11ed-90ce-dac502259ad0.png

■電感電流仍然是連續(xù)的,只是當(dāng)開關(guān)再次接通時 “達(dá)到”零,這被稱為 “臨界導(dǎo)電”。輸出電壓仍等于輸入電壓乘以 D。 十七、Buck-降壓調(diào)整器-不連續(xù)導(dǎo)電 a6df1ace-f50b-11ed-90ce-dac502259ad0.png

■在這種情況下,電感中的電流在每個周期的一段時間中為零。 ■輸出電壓仍然 (始終)是 v1 的平均值。 ■輸出電壓不是輸入電壓乘以開關(guān)的負(fù)荷比 (D)。 ■當(dāng)負(fù)載電流低于臨界值時,D 隨著負(fù)載電流而變化(而 Vout 保持不變)。 十八、Boost 升壓調(diào)整器 a713d8c2-f50b-11ed-90ce-dac502259ad0.png

■輸出電壓始終大于(或等于)輸入電壓。 ■輸入電流連續(xù),輸出電流不連續(xù)(與降壓調(diào)整器相反)。 ■輸出電壓與負(fù)荷比(D)之間的關(guān)系不如在降壓調(diào)整器中那么簡單。在連續(xù)導(dǎo)電的情況下: a736f546-f50b-11ed-90ce-dac502259ad0.png

在本例中,Vin = 5,Vout = 15, and D = 2/3. Vout = 15,D = 2/3. 十九、變壓器工作(包括初級電感的作用) a774d3f2-f50b-11ed-90ce-dac502259ad0.png

■變壓器看作理想變壓器,它的初級(磁化)電感與初級并聯(lián)。 二十、反激變壓器 a7b5ee78-f50b-11ed-90ce-dac502259ad0.png ? ■?此處初級電感很低,用于確定峰值電流和存儲的能量。當(dāng)初級開關(guān)斷開時,能量傳送到次級。 ? 二十一、Forward 正激變換變壓器 a7ed49ea-f50b-11ed-90ce-dac502259ad0.png ? ■?初級電感很高,因為無需存儲能量。 ■?磁化電流 (i1) 流入 “磁化電感”,使磁芯在初級開關(guān)斷開后去磁 (電壓反向)。 ?


二十二、總結(jié) ■此處回顧了目前開關(guān)式電源轉(zhuǎn)換中最常見的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 ■還有許多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),但大多是此處所述拓?fù)涞慕M合或變形。 ■每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含獨特的設(shè)計權(quán)衡: 1)施加在開關(guān)上的電壓 2)斬波和平滑輸入輸出電流 3)繞組的利用率 ■選擇最佳的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要研究: 1)輸入和輸出電壓范圍 2)電流范圍 3)成本和性能、大小和重量之比

審核編輯:彭靜
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原文標(biāo)題:干貨|一文讀懂二十種開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

文章出處:【微信號:Elec-sunday,微信公眾號:電子芯期天】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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