常用开关电源拓扑结构研究
开关电源拓扑分类：
任何电子产品都离不开电源的设计，其中DCDC是使用频率最高的。DCDC共分三种，降压电路，升压电路，升降压电路,常用的是前两种。降压电路，将系统输入电压，比如常规的5V，12V，24V，48V等，降到5V，3.3V，2.5V，1.8V，1.2V等，供不同种类的IC使用。升压电路，将系统输入电压，比如3.3V，5V等，升到12V，24V等。
DC-DC 6种基本拓扑（非隔离性DC-DC拓扑）
BUCK:（输入输出极性相同非隔离性DC-DC降压电路拓扑）
原理分析：
1、开关管导通时，环路由Vi，S，L，C构成。 此时负载由Vi供电，Vi同时还对电感L进行充电；
2、开关管断开时，环路有L，C，D构成。S断开时，由于电感L的电流不能突变，在电感两端产生感应电压，感应电压继续给负载供电，通过二极管D形成回路。
器件分析：
1、S，产品PWM波的关键器件，如果断路，输出电压为0V；如果短路，输出电压为Vi，将烧毁负载元器件；
2、L，降压的核心器件，如果断路，输出电压0V；如果短路，输出电压为Vi，将烧毁负载元器件；
3、C，稳定输出电压的作用；
4、D，续流二极管，开关管断开时，给L的的续流提供回路，如果断路，输出电压出现尖峰，偏低等；如果短路，将损坏开关管。
原理设计分析：
分析发现，输出电压与PWM的占空比有关，占空比越大，开关管截至时间越长，VI供电的时间越长，输出电压越高， 公式如下： Vo = Vi*D。 D通常取值0.2至0.8
PCB设计分析:
原则，使环路最小，环路越小，辐射越小。
BOOST:（输入输出极性相同非隔离性DC-DC升压电路拓扑）
二极管的作用：当mos管完全导通时，阻抗很低。二极管可以防止电容直接对地放电。防止能量损失，提高BOOST电路的效率。
原理分析：
1、开关管导通时，环路由Vi，L，S构成。 此时Vi对L充电，负载由C供电；
2、开关管断开时，环路有Vi，L，D，C构成。S断开时，由于电感L的电流不能突变，在电感两端产生感应电压，感应电压与Vi合在一起给负载供电，同时对C充电。
器件分析：
1、S，产品PWM波的关键器件，如果断路，输出电压为Vi；如果短路，电感烧毁；
2、L，升压的核心器件，如果断路，输出电压0V；如果短路，电源将短路；
3、C，稳定输出电压的作用，由于S导通时，完全由C给负载供电，所以C需要的容值比较大，否则，纹波很大；
4、D，整流二极管，如果断路，输出电压0V；如果短路，输出不稳定。
原理设计分析：
分析发现，输出电压与PWM的占空比有关，占空比越大，开关管截至时间越长，Vi与L的感应电压供电的时间越长，输出电压越高， 公式如下： Vo = Vi*(1/(1-D))。 Dmax = 0.9， Vomax = 10*Vi
PCB设计分析:
原则，使环路最小，环路越小，辐射越小。
BUCK/BOOST 升压电路：
也称升降压式变换器，是一种输出电压既可低于也可高于输进电压的单管不隔离直流变换器，但其输出电压的极性与输进电压相反。BUCK/BOOST变换器可看做是BUCK变换器和BOOST变换器串联而成，合并了开关管。
MOS管导通时，电感正向伏秒为：Vin*Ton。
MOS管截止时，电感负向伏秒为：-Vo*Toff。
Vo= -(Vin*D)/（1-D）
开关管S导通阶段
开关管S截止阶段
当开关断开时，在电感Ls上产生反向电动势，使二极管D从截止变成导通。电感给负载供电并对输出电容充电，维持输出电压不变。
CUK型电路：
Cuk斩波电路也称Cuk变换器。美国加州理工学院Slobodan Cuk提出的对Buck/Boost改进的单管不隔离直流变换器，在输入输出段均有电感，可以显著减小输入和输出电流的脉动，输出电压的极性和输入电压相反，输出电压既可以低于也可以高于输入电压。Cuk变换器可看做是Boost变换器和Buck变换器串联而成，合并了开关管。
开关管Q为PWM控制方式。Cuk变换器有CCM和DCM两种工作方式，但不是指电感电流，而是指流过二极管的电流连续或断续。在一个开关周期中开关管Q的截止时间（1-Dy）Ts内，若二极管电流总是大于零，则为电流连续；若二极管电流在一段时间内为零，则为电流断续工作；若二极管电流在t=Ts时刚降为零，则为临界连续工作方式。
Cuk变换器中有两个电感，这两个电感之间可以没有耦合，也可以有耦合，耦合电感可进一步减少电流脉动量。
等效电路：
优点：输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入，输出进行滤波。
缺点：需要2个电感和一个电容（不包括滤波电容），而BUCK和boost只需要一个电感。电路输出是负电压。
需要使用电容作（C1）为储能元件，提供电流比较小。（由于这些缺点，该拓扑不会很常用）
Sepic型电路
Sepic斩波电路是开关电源六种基本DC/DC变换拓扑之一，是一种允许输出电压大于、小于或者等于输入电压的DC/DC斩波电路。其输出电压由主控开关(三极管或MOS管)的占空比控制。因此可以使用DSP或者单片机对主控开关占空比，实现Sepic数字开关电源。以下为Sepic数字开关电源的设计框图。
SEPIC变换器是一种四阶非线性系统, 因具有可升降压、同极性输出、输入电流脉动小、输出易于扩展等特点, 而广泛应用于升降压型直流变换电路和功率因数校正电路。在控制方法层面可以采用PID、模糊自适应PID等算法进行控制，在控制对象选择方面可以采用针对电压的单闭环、和针对电流、电压的双闭环控制。
Sepic电路工作原理
SEPIC转换器的原理图如图2所示。SEPIC转换器看作是Boost升压变换器和Flyback变换器的组合。其中C1, L1和MOSFET的组成了最基本的升压变换器部分, L1和L2电感值相同。在SEPIC电路中可以近似把L1和L2看作电流源，把 近似看作为电压源。进行电路分析之前，对电路做以下假设：(1)C3足够大,因此可以认为几乎无电压波动。二极管压降为零。(2)电路上的MOSFET电阻近似看作为零。(3)整个电路工作在CCM模式（Continuous conduction mode），即电感电流不过零。
SE PI C（single ended primary inductor conver te r） 是一种允许输出电压大于、小于或者等于输入电压的DCDC变换器。输出电压由主控 开关 （ 三极管 或MOS管）的占空比控制。
这种 电路 最大的好处是输入输出同极性。尤其适合于 电池 供电的应用场合，允许电池电压高于或者小于所需要的输入电压。比如一块锂电池的电压为3V ~ 4.2V，如果负载需要3.3V，那么SEPIC电路可以实现这种转换。
另外一个好处是输入输出的隔离，通过主回路上的 电容 C1实现。同时具备完全关断功能，当开关管关闭时，输出电压为0V。
当V处于通态时，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同时导电，L1和L2贮能。
V处于断态时，E—L1—C1—VD—负载（C2和R）回路及L2—VD—负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电，C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移。
SEPIC电路特点
• 不易使用：需较电荷泵电路多加两个 电感 、一个电容和 晶体管 与 二极管 各一。
• 效率高，但较降压式转换器低。
• 高EMI及输出纹波，在电路板布局时要注意。
• 可当作升压与降压使用。
• 可应用于高输出 电流 的场合。
• 价钱最高，由于需要搭配的元件数较多所致。
Sepic斩波电路的基本工作原理：
当V处于通态时，E—L1—V回路和C1—V—L2回路同时导电，L1和L2贮能。
V处于断态时，E—L1—C1—VD—负载（C2和R）回路及L2—VD—负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电，C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移。
Sepic斩波电路的输入输出关系由下式给出：
交流市电经全桥整流之后，送入隔离型Sepic电路。隔离型Sepic电路的母线电压以半个工频周期波动，当Sepic电路处于稳定的工作状态时，其开关管的工作频率远远高于母线电压脉动周期，因此在一个开关周期内，可以近似的认为母线电压是一个恒定的电压。
Zeta 变换器
- 输入，输出极性相同
- 可升降压
- 开关管驱动困难，实际中比较少使用
假设已经达到了平衡状态，工作情况如下：
（由于处于平衡状态，所以任何储能元件，在开关断开和闭合的两个过程，必然是一个充能，一个放能）
输入电压有两条回路（SW开关闭合）
第一条经过开关SW，过电感L 1 充能到地
第二条经过开关SW，过电容C 电感L 2 到输出再到地
二极管上侧电位为正，所以二极管V D 截止
由于电感两端的电流不会突变，通过L 1 的电流依然是从上到下，流过L 2 的电流依然是从左到右，所以电流以图中的环路流通此时电感L 1 放能给电容C充能，所以闭合时环路2电感L 2 是充能的，即断开时电感L 2 放能，给负载提供能量，使用与buck变换器相同的计算方法可算出（忽略U s w ， U d ）
隔离性开关电源拓扑
- 单管正激
工作原理：单端正激式开关电源的典型电路如图一所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。当开关管VT1导通时，VD2也 导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感Ｌ储存能量；当开关管VT1截止时，电感Ｌ通过续流二极管VD3 继续向负载释放能量。
在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2，它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件，即磁通建立和
复位时间应相等，所以电路中脉冲的占空比不能大于５０％。由于这种电路在开关管VT1导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50－200 Ｗ的功率。电路使用的变压器结构复杂，体积也较大，正因为这个原因， 这种电路的实际应用较少。
双管正激拓扑：
反激电路
半桥型电路：
电容C1、C2、晶体管T1、T2共同组成逆变桥的四壁，感应线圈连在桥中间构成负载。二极管D1、D2为续流二极管。Ud为整流后的直流电压,U0为感应线圈的感应电压，i0为线圈负载电流。
全桥电路：
全桥ZVSZCS电路（软开关）
全桥移相软开关逆变电源原理如上图所示：由整流桥提供输入电压VIN，经功率级电路（软开关电路）为负载供电。利用变压器的漏感和开关元件寄生电容的谐振来实现开关元件零电压开通、关断。移相控制时全部四个开关是在恒定频率下以略小于50%占空比的情况下持续运行。谐振就发生在每个半桥对的两个开关切换时微小延迟时间（死区）内，在这个区间内使开关管在零电压下开通，来达到减少开关损失的目的。左半桥臂功率开关（QA,QB）的驱动脉冲相位时固定的（称为固定臂），右桥臂功率开关（Qc，QD）的驱动脉冲行为相对于左半桥移动（称为移相臂）。
推挽型电路
推挽式变换电路属于双端式变换电路。其高频变压器工作于磁滞回线的两侧，是一种设计简单、工作合理的线路，适用范围比较广。其典型电路如图所示。开关晶体管VTl、VT2由基极驱动电路激励交替导通与截止，输入直流电压Ui变换成高频方波交流电压。VTl导通时，Ui通过VT1加到变压器T1的初级绕组Nl上。
由于变压器的作用，因此截止的晶体管VT2将施加于2倍的输入电压，即2Ui。当基极激励消失时，VTl、VT2管均截止。其集电极施加的电压均为输入电压Ui。下半个周期，VT2导通，VT1截止，VTl施加2倍的输入电压，接着又是两管截止，下一个周期重新开始。推挽式电路的主要缺点是开关晶体管的耐压要达到2倍的输入电源。电压的峰值，以220（1±10％）V的电网电压为例，稳态截止电压的最大值为680V，加上动态过程中的尖峰电压，开关晶体管必须要承受800V以上的电压。
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