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1、开关电源拓扑结构 第 1 页 开关电源拓扑结构回顾 Lloyd HDixon Jr 摘 要 本文回顾了在开关电源中常用的三种电路结构即降压变换电路、升压变换电路和逆向变换电路的特性，这三种电路均可以在断续的感应电流或者连续的感应电流模式下使用。运行方式的选择对整体电路特性有很大的影响。所使用的控制方式也能有助于将与任何拓扑结构和运行方式相联系的问题减到最少。三种以固定频率运行的控制方法包括：直接占空比控制、 电压前馈、和电流模式控制。本文还论述了三个基本电路的一些扩展，利用每个拓扑电路的相对优点运行方式控制方法组合。 第 2 页 一、三种基本拓扑结构： 三种基本的拓扑结构如图1所示：降压式，升
2、压式，反激式。串联式变换器是反激式拓扑的逆变，不作论述。这三种不同的开关电路使用了三种相同的元件：电感，三极管，和二极管，但是使用了不同的安放方式，。理论上，还有另外三种由这三种元件组成的T型结构的电路，但这三种是前面三种电路的简单镜像和在相反方向的耦合能量。 有一条在任何运行模式和控制方式下都适用于上述三种电路拓扑的原则：在稳态运行下，在每个开关周期内，电感两端的平均电压必须为零，否则平均感应电流将会改变，违反稳态前提。 三种基本电路系列的每一个在输入和输出电压、电流、占空比之间都有一个独特的关系。例如：降压调整器的功能是使输出电压V0小于输入电压Vin，并和它Vin有相同的极性。升压电路的
3、作用是使V0大于Vin，并且有相同的极性。反激拓扑电路的作用是使V0既不大于也不小于Vin，但是两者极性必须相反。 第 3 页 二、断续操作方式： 在断续的感应电流方式下，或者说“断续方式”下，降压、升压和反激电路的动作方式是相似的，感应电流在每个开关周期的最后部分期间为零。在每个周期的开始部分，感应电流从零增加，从输入端得到储存能量。在周期的第二部分，所有储存的能量通过负载泄放，从输入端汲取能量到输出端。 1、电流波形 断续方式的电流波形如图2所示,不管电路的拓扑结构如何，电感、晶体管和二极管的电流波形是一样的，但是输入和输出电流波形会因为电路不同而不同，这取决于三个元件和输入输出的连接方式
4、。 2、三种状态 在每个转换周期期间有三个独特的运行状态： 在晶体管导通期间ton内，感应电流IL从零上升到峰值ip。在ton结束时，这个峰值电流等于储存在电感中的能量。在这段时间内，感应电流从输入端得到，并且储存在电感中的能量每个周期都是从输入电源得到。 当晶体管关断时，电感电压反向并且其中储存的能量推动同一峰值电流流经二极管。在二极管导通时间td内，感应电流推动输出并且呈线性的减小到零。在td末期，所有储存在电感中的能量都被传递到输出端。 当电流变为零时，电感再没有能量。在剩余的切换时间内所有开关电路器件中的电流是零。在这个空闲时间ti内，电路等待下一个时钟脉冲到达使晶体管开启，然后开始下
5、一个周期。 3、断续方式边界 当负载电流增加时，控制电路引起ton增加。峰值感应电流变大，并且二极管导通时间td增加。因此，负载电流的增加会引起空闲时间ti内稳态的减小。当负载电流增加到某一值时，ti变成零，并且到达断续方式的边界。如果负载电流进一步增加，电感电流每个周期将不再泄放到零，并且产生连续运行方式。因为稳定的断续方式操作所需要的环路增益补偿不能够阻止连续方式的振 第 4 页 荡，电路将变得不稳定。对控制电路来说监测和限制电感电流以防止它越过在这个边界是必要的。 4、良好的闭环响应 在断续方式下，很容易在改变由于线电压上较大跨度的改变引起的干扰及负载电流时得到良好的响应，因为电感在每个
6、开关周期总是以零储能开始。这使控制电路有可能获得任何需要的能量标准，从零到最大输出，在逐个周期的基础上。电感从小信号闭环特征“突然消失”，使电容相位落后90。结果的单极特性是固有的稳定的并且在闭环时容易处理的。在连续模式下严格限制闭环响应的右半平面零电位升压和反激电路不同于断续模式拓扑结构。 5、高峰值电流 断续模式的一个主要缺点是有高峰值电流通过晶体管、二极管和输出滤波电容。这要求半导体器件有较高的电流容纳能力并且在输出滤波电容串联等效电阻安置一个偏置负载。例如，在升压和反激电路中，二极管在输出端，因此二极管平均电流Id必须等于OC输出电流Io 。在全负载条件下，如果二极管时间td开关周期的
7、50%,峰值电流就是全电阻电流Io的4倍。 在降压电路中，感应电流推动输出端，所以峰值电是稍微小的与输出电流成比例。降压拓扑很少用在断续模式因为在连续模式工作的更好。 6、极小的开环电源和负载调整率 反击式拓扑结构在断续模式下的基本直流等式如下式，升压调整器的公式与其相似，但更为复杂。反激式电路公式如下： Vo = Vin D-Ro/(2Lf)1/2 从这个等式可以看到，如果占空比固定不变，Vo的变化与Vin和输出负载Ro有直接的关系。换言之，开环电源和负载调整率是极小的，并且占空比必须被控制电路改变以便在电源好负载条件范围内维持理想的输出电压。 7、控制方法 在三种固定频率的控制方法中，,输
8、出电压是和一个固定的参考电压作比较。得出的电压差被放大并且做为闭环控 第 5 页 制电压VC。 8、直接占空比控制 晶体管占空比D=ton/T，它的变化是与控制电压VC成比例的。极小的开环电源和负载调整率需要很高的环路增益来修正。输出滤波电容是闭环系统的一部分并且引进一个延迟修正Vin变化的周期延迟。 9、电源前馈控制 输入电压的取样值被直接反馈到控制电路，引起占空比变化，占空比与Vin成反比，与VC成正比D=/Vin，如果Vin增加，D自动减小以便输入伏特-秒维持稳定的VC，因此VC直接控制输入伏特-秒。开环电源调整率是好的，以至于低于所需求的闭环增益到达需要的直流调整率。公式变为： (2)
9、 Vo = K Vc-Ro/(2Lf)1/2 其中K为前馈比，K=/ Vc 10、电流模式控制 一个内部的第二控制环路的峰值感应电流Ip与控制电压Vc相比较，在外部环路，Vc直接控制Ip。内部环路提供一个内部较好的电源调整率，与单元前馈相似。等式变为： (3) Vo = K Vc-RoLf/21/2 其中K是内部环路电流控制因子，K=/ 电压前馈和电流控制方式都是常用的，它们实际上有同样的好处提高开环电源调整率，把瞬间的改正提供给线变化以及需要更少的闭环增益。 三、连续操作模式 在连续感应电流模式下，在任何周期内感应电流从不为零，与有同样应用参数的断续模式相比，连续模式需要更大的感应系数。与有
10、载输出电流相比电感纹波电流小。 1、电流波形 第 6 页 连续模式波形如图3，就像连断模式一样，电感、晶体管和二极管电流波形在降压、升压或反激式电路中是一样的，但是输入输出波形因三种元件在输入输出中串联得不同而不同。 升压和反激式电路有相似的动作。在相同情况下，输出电流是断续的二极管电流Id。峰值输出电流稍微大于断续模式下电流值的一半。这减小了输出电容上的负担。 降压式调整器的动作非常不同，它的输出电流是感应电流，不是断续的，但是有相对较缓的斜坡和小的纹波振幅。实际上只要减小输出电容的串联等效电阻和电流额定值，这个波形很容易滤除。由于这个原因，连续方式的降压调整器很广泛的应用于开关电源结构中，
11、特别是在有高峰值电流的较高功率标准的电路中，因为其他结构电路会在输出滤波电容上产生电容难以承受的负担。 第 7 页 2、两种状态 因为感应电流不为零，所以在连续模式中，没有空闲时间，并且在每个开关周期内只有两种运行状态。 晶体管导通ton期间，感应电流IL从前一个值变成更高的值，取代在关断期间电感释放的能量。电流从输入端得到。 当晶体管关断时，二极管引导每个周期的停止。IL下降到之前的值，不会变成零，只是向输出端释放能量。 在连续运行模式下，感应电流的上斜坡和下斜坡只取决于在输入输出电压之上的部分，平均感应电流或输出负载电流整体上是独立的。假如没有断续方式的第三种状态的适应性，每个拓扑中Vin
12、、Vo和占空比D会有不同的关系。例如，在降压变换器中，电感输入端的平均电压是/T或，同时电感输出端的电压为Vo。在稳态中，电感两端的平均电压必须为零，所以Vo=Vin D。这是降压调整器直流等式的基础。开环负载调整率中没有对负载电流和阻值的相关限制。当Io改变时，稳定状态IL也随之改变，但是感应纹波电流和Vo不变。 3、连续模式边界最小负载电流。 当负载电流降低时，占空比和感应纹波电流不变，但是平均感应电流相应的下降。在降压调整器中Io=IL ,在升压和反激式电路中Io=IL 。在某一临界的负载电流标准上，感应电流在纹波最小处达到零。这就是连续模式的边界。如果负载电流进一步增加，第三种状态空闲时间出现，并且电路中断运行，完全不同于运行中的特性。直流调整率快速下降。在连续模式调整器中，负载电流不被允许降低到边界被通过的临界点以下。这个最小的负载要求是连续模式系统的不利之处。
