开关电源的主要拓扑结构

开关电源(Switch Mode Power Supply,简称SMPS),利用MOSFET或者IGBT作为开关管,轮流工作在导通和关断的状态,将一个电压,通过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。

开关电源有一些常用的拓扑,每种拓扑都有其自身的特点和适应的场合,有其基本操作、优点、缺点等。要根据应用场合选择最合适的拓扑。

比如:一些拓扑适用于小功率输出(<200W),有些适合大功率输出,有些适合高压输入,有些适合120V AC或者更低输入的场合,有些则适合多组(4~5组以上)输出场合。

对于开关电源,最基本的是脉宽调制模式,定义如下:



下面介绍一些基本的、常用的拓扑结构,看一下这些拓扑结构有什么特点。

1.  Buck(降压)模式

Buck为降压电路,基本上为最简单的电路,一般的非隔离的DCDC电路就是用的Buck模式。

工作过程:开关管开通时,电流经过电感,电感电流线性上升,输出Vout;开关管关断时,续流二极管工作,与电感一起给负载供电,电感电流线性下降,电路保持稳定输出。

2.Boost(升压)模式

Boost为升压电路,电路简单,我们常用的PFC电路就是应用的此模式。

工作过程:开关管开通时,电流经过电感,电感电流线性上升,这个阶段是电感储能阶段;开关管关断时,续流二极管工作,与电感一起给负载供电,电感电流线性下降。为了保持输出稳定,根据负载大小选择合适的储能电容非常重要。

3. Flyback(反激)模式

Flyback是隔离拓扑结构中最简单的。适应于中小功率电源,成本较低,适于多路输出。

工作过程:开关管打开时,变压器将初级的能量传输到次级,同时变压器储能;开关管关断时,变压器储存的能量维持输出电压的稳定。

反激式电路的变压器要储能,所以必须增加气隙,防止变压器饱和。但是,变压器的漏感形成电压尖峰,可能击穿开关器件,需要设置钳位吸收电路。

4. Forward(正激)模式


正激电路的变压器是一个“纯正”的变压器,负责能量的传输和电压的变换,没有储能的作用,而输出额滤波电感起储能作用。

工作过程:开关管on时,变压器将初级的能量传输到次级,同时次级电感储能;开关管off时,变压器停止工作,输出靠滤波电感和输出电容维持输出电压的稳定。

该电路的最大问题是:开关管交替工作于通/断两种状态,当开关管关断时,脉冲变压器处于“空载”状态,其中储存的磁能将被积累到下一个周期,直至电感器饱和,使开关器件烧毁。所以正激电路必须增加磁通复位电路,提供了泄放多余磁能的渠道。

5. Push-pull(推挽)模式

推挽电路非常适合低输入电压高电流的场合,此时的性价比最高。当然了,高输入电压也可以用,但是性价比不高。

这种电路结构为对称性结构,脉冲变压器原边是两个对称线圈,两只开关管接成对称关系,轮流通断。

主要优点:高频变压器磁芯利用率高、电源电压利用率高、输出功率大,驱动电路简单。工作时,两只对称的功率开关管每次只有一个导通,所以导通损耗小。

主要缺点: 变压器绕组利用率低、对开关管的耐压要求比较高 (至少是电源电压的两倍)

6. Half-Bridge(半桥)模式

电路的结构类似于全桥式,只是把其中的两只开关管换成了两只等值大电容。

主要优点:具有一定的抗不平衡能力,对电路对称性要求不很严格,适应的功率范围较大,从几十瓦到千瓦都可以;开关管耐压要求较低,电路成本比全桥电路低等。