开关电源的拓扑结构（一）

在讨论拓扑结构之前，更重要的是要认识到，几乎有数百种电路拓扑理论上可用于开关电源，而且这还只是一小部分。现实的情况是，对于任何设计要求来说，就有很多是相互矛盾的，所以需要在各种要求下进行权衡，来确定最佳的电路拓扑。当然，任何一个方案的选择都各有利弊。

例如，如果我们只看成本、体积和效率三个大家最为关心的设计目标，会发现它们往往是相互矛盾的。更具体地说，我们可能需要权衡以下方面。

• 如果设计目标是最小体积尺寸，则需要考虑如下方面：

  
  

• 更高开关频率，这也会带来更高的损耗

• 需要多层 PCB 板

• 散热的处理

• 更高的装配成本

• 维修成本高

  
  

• 如果设计目标是最低成本，则需要考虑如下方面：

  
  

• 尽量大的物理尺寸

• 采用单面或双面PCB板，这是目前比较经济的方案

• 选择较老的技术方案

• 选择低效率的元器件

• 对可靠性要求低点

  
  

• 如果设计目标是高效率，则需要考虑如下方面：

  
  

• 采用更昂贵的元器件

• 尽可能采用较低的开关频率

• 使用大体积的无源器件

• 更长的设计周期

• 设计的重复利用率低

  
  

当然，还有更多的性能标准，如预算和进度目标可能也需要考虑，并会影响到实际的设计工作。但是总需要做出决定，选择合适的电路拓扑，所以将尽可能多地讨论介绍一些实用的电路拓扑。

基本开关变换拓扑

在最基本的拓扑形式中，开关变换技术将恒定的功率源转换成一份份可控的能量单元，然后经过滤波将能量重新组合成稳定可用的输出功率。这就是通常所说的DC/DC转换器。我们可以用一对开关管（二极管可以看作是一个带极性控制的开关）和一个L-C滤波器来实现这个功能。但是，即便只有四个元件，这些元件以不同的方式或是在不同的位置连接，就可以构成多个拓扑结构，以满足不同的性能要求，如下图所示。

第一种拓扑结构，降压（Buck）电路：它是最常用的电路拓扑，这是有深层次原因的。由于电源在较高电压下传输效率最高，所以大多数电源转换过程都包括将输入电压降至较低的值。Buck 拓扑结构是一个step-down转换器，因为其输出电压必须低于电路的输入电压才能工作。当其开关导通时，输入电压与输出电压之间形成降压过程，传输的能量是VIN-VOUT的函数。而其他两个拓扑，需要将全部输入能量传递到输出，这样其峰值电流要高一些。因此降压电路也是这三个基本电路中效率最高的。

开关管导通时间与开关周期的比定义为占空比(D)，它是一个可以在0当开关管在整个周期内保持关断状态）到1.0（当开关管一直导通时）之间变换的数字。因此，我们可以通过控制占空比，使降压电路的输出可以从零变化到VIN，但是作为稳压器，我们需要保持恒定的VOUT，这样就需要对占空比进行控制，让其不受VIN或其他电路参数变化的影响。

上图中的升压（Boost）和反激式（Flyback）电路拓扑包含了相同的器件，但是它们由于连接位置不同而具有明显不同的性能。Boost 转换器与Buck转换器最大的不同之处在于：输出电压必须大于输入电压才能工作。而 Flyback 电路则不受此限制，不需要考虑输入和输出电压之间的关系，但是输出电压将与输入极性相反。

Boost 电路也被称为 step-up 转换器，而 Flyback 电路有时被称为 Buck-Boost 转换器，因为它也可以实现任何形式的电压转换，但它非隔离的形式一般作为极性反相器，不过Flyback的隔离结构更常用变压器而不是电感器来实现，所以这样允许输出任何一种极性。

但是与 Buck 转换器相比，Boost 和 Flyback 电路还有一个明显不同。由于Buck电路中的电感是直接连接到输出负载(以及输出电容），所以无论开关是关断还是导通，电感电流都可以持续地流向输出端。相比之下，Boost和Flyback 的功率从输入端传输到输出端，需要通过两步过程来实现，而电感则作为一个临时储能元件。

在这两种电路中，当开关管导通时，输入电流流入电感，能量储存在其增加的磁场中，整流二极管截止，所以没有电流流向负载。输出电压仅由输出电容放电维持。当开关管断开时，电感上的电压极性反转，电流流向输出端，同时给输出电容充电。这两步过程产生更高的峰值电流，所以在大功率应用场合影响效率。

在这三种基本电路拓扑的应用中，一般还要考虑如下几个额外的特性：

• 开关管在Boost 和 Flyback电路中，是与输入电压源串联，输入电流会以开关频率的速度被斩波（输入电流不连续)，因此需要对输入线路进行滤波，以尽量减少RFI噪声的产生。
• 在 Boost 和 Flyback 电路中，当开关管导通时，整流二极管输出滤波电容的充电电流，电容中的交流 AC电流将会大大增加，输出端可能会产生开关噪声。
• 虽然Buck电路是效率最高的拓扑结构，但当降压比大大超过10：1时，它会丢失掉高效率的优势，因为低的占空比（窄脉冲）意味着更高的峰值电流。
• 三种基本拓扑结构都不具有高压安全隔离功能，因此它们主要用于相对较低电压的应用中。如：电池供电的场合，或是离线式电源的副边侧。对于Boost 电路，有一个最重要的应用是输入功率因数校正电路。
  
  

请注意，在一些特定应用场合，人们使用这些相同的元器件进行了许多其他的组合。大多数已通过实践证明实用性不强，但在这里有两个拓扑值得一提。

第一个即是组合了Buck 和 Boost 电路，称之为“Buck或 Boost”变换器，如下图所示

该电路将Buck 电路的输入端和Boost 电路的输出端进行组合，并在中间用一个共用电感结合起来。此种拓扑结构的主要优点是能够将输出电压调节到一个固定的值，同时输入电压可以在高于或低于输出电压的范围内连续变化。此电路的一个重要应用是锂(Li-ion)电池充电电路，它将固定的低电压（例如从3.3V 电源电压）向锂离子（Li-ion）电池进行充电，其输出电压会从2.7V充电到4.5V。

分析此电路，可以看到，该电路是一个降压或升压结构，因为当VIN低于VOUT时，输入开关管保持导通，输入整流二极管截止，而升压电路正常工作以调节输出。然而，当VIN高于VOUT时，升压开关管保持截止，输出整流二极管持续导通，而输入二极管作为续流使用，降压电路对输出电压进行调节。设计时必须要注意，以确保各个状态之间的平稳过渡。

除了不受限制的VIN、VOUT 关系之外，另一个优点是设计只用一个电感。但一个隐藏的缺点就是在半导体器件数量上增加了一倍，而其中每个半导体器件却还没有被充分使用，这会增加导通损耗，另外还需要给两个功率开关管提供单独栅极驱动电路。

另一个比较实用的电路是组合了Boost和 Flyback的变换器，这称之为SPEIC 电路，它是一个单端原边电感转换器，如下图所示。

该电路可以通过单个对地参考的开关管来实现输出高于或低于输入电压工作，由于开关管是对地的，从而简化了栅极驱动。电感位于输入端，可以更容易滤除掉输入端的噪声，并且通过串联电容可以提供浪涌电流控制和实现短路保护。另一个好处是串联电容将钳位两个半导体器件（开关管和整流二极管）上的峰值电压。虽然也需要两个电感，但因为这两个电感的绕组可以缠绕在同一个磁芯上，所以这个还是可以接受的。但是，此拓扑的挑战在于，主回路中流过所串联的电容的电流有效值很大，如何通过设计补偿电路来确保系统稳定。同时由于开关管和整流二极管都必须承受截止关断时的高电压，幅值为(VIN+ VOUT)，并且其电流大小为输入和输出电流峰值的电流之和，这对半导体器件选型提出了较高的要求，所以还需要考虑成本和效率上的折中。

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