DCDC电源设计的几种基本原理

开关电源DC/DC变换器拓扑结构集锦

半桥变换器也是双端变换器,以上是两种拓扑。

半桥开关管电压应力为输入电压.而且由于另外一个桥臂上的电容,具有抗偏磁能力,但是对于上面一种拓扑,通常还会加隔直电容来提高抗偏磁能力.但是如果采用峰值电流控制,要注意一个问题,就是有可能会导致电容安秒不平衡的问题.要需要其他方法来解决。欢迎转载，本文来自电子发烧友网

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半桥变换器可以通过不对称控制来实现ZVS,也就是两个管子交替导通,一个占空比为D,另外一个就为1-D.就是所谓的不对称半桥,通常采用下面一种拓扑.对于不对称半桥可以采用峰值电流控制。

正激变换器 绕组复位正激变换器

LCD复位正激变换器

RCD复位正激变换器

有源钳位正激变换器 双管正激 吸收双正激 有源钳位双正激

原边钳位双正激 软开关双正激

推挽变换器 无损吸收推挽变换器 推挽正激

推挽变换器:推挽变换器是双端变换器.其实是两个正激变换器通过变压器耦合而来,基本推挽变换器好处是驱动不需隔离,变压器双端磁化,只要两个开关管.但是,变压器绕组利用率低,开关管电压应力为输入两倍,所以一般只适合低压输入的场合.而且有个问题就是会出现偏磁,所以要采用电流型控制等方法来避免. 如果将两个双管正激同样耦合,可以构成四开关管的推挽变换器,也就是所谓的双双管正激.其管子电压应力下降为输入电压.其他等同. 欢迎转载，本文来自电子发烧友网(/)

推挽正激是最近出现的一种新拓扑,通过一个电容来解决变换器漏感尖峰,偏磁等问题.在VRM中有应用.

半桥变换器也是双端变换器,以上是两种拓扑.

半桥开关管电压应力为输入电压.而且由于另外一个桥臂上的电容,具有抗偏磁能力,但是对于上面一种拓扑,通常还会加隔直电容来提高抗偏磁能力.但是如果采用峰值电流控制,要注意一个问题,就是有可能会导致电容安秒不平衡的问题.要需要其他方法来解决.

半桥变换器可以通过不对称控制来实现ZVS,也就是两个管子交替导通,一个占空比为D,另外一个就为1-D.就是所谓的不对称半桥,通常采用下面一种拓扑.对于不对称半桥可以采用峰值电流控制.

全桥变换器 全桥变换器在大功率场合是最常用了,特别是移项ZVS和ZVZCS 接下去,会收集一些三电平变换器贴出来,在以后就给出boost族的 隔离变换器....反激变换器.....正反激变换器......APFC.....PPFC.... 单级PFC.....谐振变换器等.....

三电平变换器(three level converter)

选了看起来比较舒服的两个拓扑,这些三电平是半桥演化而来,同样可以演化出多电平变换器,合适高压输入场合.而且可以通过全桥的移相控制方式实现软开关

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开关型DC／DC变换器的拓扑结构是指能用于转换、控制和调节输入电压的功率开关元件和储能元件的不同配置。其拓扑结构可分为两种基本类型：非隔离型（在工作期间输入源和输出负载共用一个共同的电流通路）和隔离型（能量转换是用一个相互耦合的磁性元件（变压器）来实现的，而且从源到负载的耦合借助的是磁通而不是共同的电路）。开关型DC／DC变换器的拓扑结构是根据系统造价、性能指标和输入／输出负载特性诸因素选定的。

（1）非隔离开关型DC／DC变换器

常用的四种非隔离开关型DC／DC变换器的输出电压（UOUT）和输入电压（UIN）的关系如下所示。

①降压开关型DC／DC变换器。它的作用是将一输入电压变换成一较低的稳定输出电压。输出电压（UOUT）和输入电压（UIN）的关系为

式中，UOUT为变换器的输出电压；UIN为变换器的输入电压；D为占空比。

②升压开关型DC／DC变换器。它的作用是将一输入电压变换成一较高的稳定输出电压。输出电压和输入电压的关系为

③逆向开关型DC／DC变换器。它的作用是将一输入电压变换成一较低反相输出电压。其输出电压与输入电压的关系为

④Cuk（“丘克”）开关型DC／DC变换器。它的作用是将一输入电压变换成一稳定反相较低值或较高值的输出电压（电压值取决于占空比）。其输出电压与输入电压的关系为

（2）隔离开关型DC／DC变换器

有很多隔离开关型DC／DC变换器拓扑结构，但其中有三种比较通用，它们是：反激隔离开关型DC／DC变换器、正激隔离型开关型DC／DC变换器、推挽隔离开关型DC／DC变换器。在这些电路中，从输入电源到负载的能量转换是通过一个变压器或其他磁通耦合磁性元件实现的。

①反激隔离开关型DC／DC变换器。它无须磁复位措施，其作用是将一输入电压变换成一稳定的取决于变压器匝数比的较低值或较高值输出电压。其输出电压与输入电压的关系为

式中，N为变压器匝数比。

②正激隔离开关型DC／DC变换器。它需加磁复位措施，其作用是将一输入电压变换成一稳定的取决于变压器匝数比的较低值或较高值输出电压。其输出电压和输入电压的关系为

③推挽隔离开关型DC／DC变换器。它的作用是将一输入电压变换成一稳定的较低值输出电压。其输出电压与输入电压的关系为

DC／DC变换器的典型电路结构

发布:2011-09-07 | 作者: | 来源: zhouyaobang | 查看:1756次 | 用户关注： 最基本的斩波电路如图1所示，斩波器负载为R。当开关S合上时，UOUT=UR=UIN，并持t1时间。当开关切断时UOUT＝UR＝0，并持续莎2时间，T＝t1＋t2为斩波器的工作周期，斩波器的输出波形如图1（b）所示。定义斩波器的占空比D＝t1／T，t1，为斩波器导通时间，T为通断周期。通常斩波器的工作方式有两种：一是脉宽调制工作方式，即维持t1不变，改变T；二是脉频调制工作方式，即维持T不变，改变t1。当占空比D从0变到1时，输出电压的平均值从

最基本的斩波电路如图1所示，斩波器负载为R。当开关S合上时，

UOUT=UR=UIN，并持t1时间。当开关切断时UOUT＝UR＝0，并持续莎2时间，T＝t1＋t2为斩波器的工作周期，斩波器的输出波形如图1（b）所示。定义斩波器的占空比D＝t1／T，t1，为斩波器导通时间，T为通断周期。通常斩波器的工作方式有两种：一是脉宽调制工作方式，即维持t1不变，改变T；二是脉频调制工作方式，即维持T不变，改变t1。当占空比D从0变到1时，输出电压的平均值从零变到UIN，其等效电阻也随着D而变化。

图1 降压斩波电路原理

在高频稳压开关电源的设计中，普遍采用的是脉宽调制方式。因为频率调制方式容易产生谐波干扰，而且其滤波器设计也比较困难。

（1）降压式（Buck）DC／DC变换器

如图1所示的直流变换器在使用时的输出纹波较大，为降低输出纹波，可在输出端接入电感L、电容C，如图2所示。图中的VD1为续流二极管。降压（Buck）式变换器的输出电压平均值UOUT总是小于输入电压UIN。电路中通过电感的电流（iL）是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值。

图2 降压式（Buck）变换器 当电路工作频率较高时，若电感和电容量足够大并为理想元件，则电路进入稳态后，可以认为输出电压为常数。当晶体管VT1导通时，电感中的电流呈线性上升，因而有

式中，ton为晶体管导通时间；iOUT（max）为输出电流的最大值；iOUT（min）为输出电流的最小值；Δion为晶体管导通时间内的输出电流变量。

当晶体管截止时，电感中的电流不能突变，电感上的感应电动势使二极管导通，这时

式中，toff为晶体管截止时间；Δioff为晶体管截止时间内的输出电流变量。

在稳态时

式中，Δi为输出电流变量。

因为电感滤波保持了直流分量，消除了谐波分量，故输出电流平均值为

式

中，R为负载电阻。

（2）升压式（Boost）DC／DC变换器

图3为升压式DC／DC变换器，它由功率晶体管VT1、储能电感L、二极管VD1及滤波电容C组成。当功率晶体管导通时，电源向电感储能，电感电流增加，感应电动势为左正右负，负载Z由电容C供电。当VT1截止时，电感电流减小，感应电动势为左负右正，电感释放能量，与输人电压一起顺极性经二极管向负载供电，并同时向电容充电。这样就把低压直流变换成了高压直流。在电感电流连续的条件下，电路工作于如图3（b）所示的两种状态。

图3 升压式（Boost）DC／DC变换器 ①当晶体管导通、二极管截止（即0≤t≤t1）期间，t1＝0～DT。t＝0时刻，VT1导通，电感中的电流按直线规律上升，UIN＝LΔI／t1。

②当晶体管由导通变为截止（即t1≤t≤T）期间，电感电流不能突变，电感上产生的感应电动势会迫使二极管导通，此时则

式中，ΔI为输入电流变量。

将t1＝DT，t2＝（1 －D）T代入上式，则求得

Boost DC／DC变换器是一个升压斩波器。当D从0趋近于1时，UOUT从UIN变到任意大。同理可求得输入电流

式中，I 为输入电流；f 为开关转换频率。

若忽略负载电流脉动，那么在［0，t1］期间，电容上泄放的电荷量反映了电容峰-峰电压的脉动量，即输出电压Uo的脉动量。

（3）单端正激式DC／DC变换器

单端正激式DC／DC变换器的电路拓扑如图4所示。图中的变压器T1起隔离和变压的作用，在输出端要加一个电感器Lo（续流电感）起能量的储存及传递作用，变压器初级需有复位绕组Nro。在实际使用中，此绕组也可用R、C、VD吸收电路取代。如果芯片的辅助电源用反激供给，则也可削去调整管的部分峰值电压（相当于一部分复位绕组）。输出回路需有一个整流二极管VD1和一个续流二极管VD2若变压器使用无气隙的磁芯，则其铜损较小，变压器温升较低，并且其输出的纹波电压较小。

图4 单端正激式DC／DC变换器的电路拓扑图

（4）单端反激式DC／DC变换器

单端反激式DC／DC变换器的电路拓扑如图5所示。其变压器T1起隔离和传递储存能量的作用，即在开关管VT开通时Np储存能量，开关VT关断时Np向Ns释放能量。在输出端需加由电感器Lo和两个电容Co组成的低通滤波器，变压器初级有由Cr、Rr和VDr组成的R、C、VD漏感尖峰吸收电路。输出回路需有一个整流二极管VD1。若变压器使用有气隙的磁芯，则其铜损较大，变压器温度相对较高，并且其输出的纹波电压比较大。该变换器的优点就是电路结构简单，适用于200W以下的电源，输出为多路时具有较好的交调特性。

图5 单端反激式DC／DC变换器的电路拓扑图 （5）双管正激式DC／DC变换器

双管正激式DC／DC变换器的电路拓扑如图6所示。图中的变压器T1起隔离和变压的用用，在输出端要加一个电感器Lo（续流电感）起能量的储存及传递作用，变压器初级无再有复位绕组，因为VD1、VD2的导通限制了两个调整管关断时所承受的电压。输出回路需有一个整流二极管VD3和一个续流二极管VD4（其中VD3、VD4最好均选用恢复时间快的整流管）。输出滤波电容Co应选择低ESR（等效电阻）、大容量的电容，这样有利于降低纹波电压（对于其他拓扑结构的也是这样要求的）。双管正激式DC／DC变换器的工作特点如下。

图6 双管正激式DC／DC变换器的电路拓扑图

①在任何工作条件下，为使两个开关管所承受的电压不会超过UIN、＋Ud（UIN为输入电压；Ud为VD1、VD2的正向压降），VD1、VD2必须是快恢复管（恢复时间越短越好，在实际设计和调试中多使用MUR460）。

②与单端正激式DC／DC变换器相比，它无须复位电路，这有利于简化电路和变压器的设计；其功率器件可选择较低的耐压值；其功率等级也会很大。 ③两个开关管的工作状态一致，会同时处于通态或断态。在大功率等级电源中选用此种电路，其开关管比较容易选择，比如选择IRFP460、IRFP460A等作为开关管即可。

（6）双管反激式DC／DC变换器

双管反激式DC／DC变换器的电路拓扑如图7所示。图中的变压器T1起隔离和传递储存能量的作用，即在开关管VT1、VT2开通时Np储存能量，开关管VT1、VT2关断时Np向Np释放能量，同时Ns的漏感将通过VD1、VD2返回给输入，可省去R、C、VD漏感尖峰吸收电路。在输出端要加由电感器Lo和两Co电容组成的低通滤波器。输出回路需有一个整流二极管VD3。双管反激式DC／DC变换器的工作特点如下。

图7 双管反激式DC／DC变换器的电路拓扑图

①在任何工作条件下，为使两个开关管所承受的电压不会超过UIN＋Ud（Ud为VD1，VD2的正向压降），VD1、VD2必须是快恢复管。

②在反激开始时，储存在原边Np的漏电感能量会经VD1、VD2反馈回输入端，系统能量损失小，效率高。

③与单端反激式变换器相比，它无须R、C、VD吸收电路；其功率器件可选择较低的耐压值；其功率等级也会很大。

④在轻载时，如果在“开通”周期储存在变压器的原边绕组的能量显得过多，那么在“关断”周期会将过多的能量反馈回输入端。

⑤两个开关管的工作状态一致，下管的波形会优于上管的波形。

（7）半桥式DC／DC变换器

半桥式DC／DC变换器的电路拓扑如图8所示。图中的变压器T1，起隔离和传递能量的作用。开关管VT1导通时，Np绕组上承受一半的输入电压，副边绕组电压使VD1导通；反之亦然。输出回路VD1，VD2，Lo，Co共同组成了整流滤波电路。

图8 半桥式DC／DC变换器的电路拓扑图

此电路减小了原边开关管的电压应力，所以是目前比较成熟和常见的电路；有70％以上的计算机电源、60％的电子镇流器都使用此电路。半桥式DC／DC变换器的工作特点如下。

①两个调整管都是相互交替打开的，所以两组驱动波形的相位差要大于180°，且存在一定的死区时间。

②C1＝C3、R1=＝R2。

③C1、C2主要用来自动平衡每个开关管的伏秒值。许多半桥DC／DC变换器的C1、C2多选用高压铝电解电容。因为铝电解电容存在一个高频特性的问题，在实际应用中可采用CBB电容。

④C3主要用来滤去影响伏秒平衡的直流分量，应采用CBB电容。

（8）全桥式DC／DC变换器

全桥式DC／DC变换器的电路拓扑如图9所示。全桥式DC／DC变换器多用于大功率等级电源中，其主要特点如下。

图9 全桥式DC／DC变换器的电路拓扑图

①变压器的利用率比较高，空载能量可以反馈回电网，电源效率高。 ②稳态无静差，动态响应速度快，系统稳定，抗高频干扰能力强。

（9）推挽式DC／DC变换器

推挽式DC／DC变换器的电路拓扑如图10所示。图中的变压器T1起隔离和传递能量的作用。在开关管VT1开通时，变压器T1的Np1绕组工作并耦合到副边Ns1绕组，开关管VT关断时NNp1向Ns1释放能量；反之亦然。在输出端由续流电感器Lo和VD1、VD2构成副边整流电路。在设计电路时，开关管两端应加由R、C组成的吸收电路，以吸收开关管关断时所产生的尖峰浪涌。推挽式DC／DC变换器的的工作特点如下。

图10推挽式DC／DC变换器的电路拓扑图

①在任何工作条件下，开关管都承受两倍的输入电压，所以此电路多用于大功率等级的DC／DC电源中。

②两个开关管都是相互交替打开的，所以两组驱动波形相位差要大于180°，并存在一定的死区时间。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0rk1.html