开关电源(SMPS)的拓扑结构(第一部分)

对不同拓扑结构SMPS 的基本工作原理进行了介绍,并详细讨论了不同结构的应用和优缺点。

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开关电源（SMPS）的拓扑结构（第一部分）

作者：

Mohammad Kamil

Microchip Technology Inc.

公式 1：并联控制稳压器的功耗

PLOSS=VOUT IS+(IOUT+IS) RS

2

简介

工业驱动向更小、更轻和更高效的电子设备的发展趋势促进了开关电源（Switch Mode Power Supply，SMPS）的发展。通常可采用几种不同的拓扑结构实现SMPS。 本文是由两部分应用笔记组成的系列介绍中的第一部分。文中对不同拓扑结构SMPS的基本工作原理进行了介绍，并详细讨论了不同结构的应用和优缺点。该应用笔记将指导用户如何针对特定应用选择合适的拓扑结构，并提供了如何为给定的SMPS设计选择合适的电气电子元器件的有用信息。

然而，如果通过改变RS并保持IS为零的方法控制输出

此时转换器内部的理想功耗可使用公式2进电压VOUT，

行计算。

公式 2：串联控制稳压器功耗

RS

2

PLOSS=VIN -------------------------2

(RS+RL)

为何采用SMPS？

通过对图1中DC/DC转换器进行概念性说明有助于了解开关电源的主要思想。负载电阻RL需采用恒定电压VOUT供电，而这一电压由初级电压源VIN变换而来。如图1所示，输出电压VOUT可通过改变串联电阻（RS）

或分路电流（IS）进行调节。

当通过改变IS并保持RS恒定的方法对VOUT进行控制

时，将在转换器内部产生损耗。这类转换器称为并联控制稳压器。其中转换器内部的功耗由公式1给出。请注意，即使使得IS为零，也无法完全消除功耗。

这种类型的转换器被称为串联控制稳压器。转换器内部的理想功耗取决于串联电阻的值RS。通过该电阻可实现对输出电压VOUT和负载电流IOUT的控制。如果RS为零或无限大，则转换器内部的理想功耗应为零。串联控制稳压器的特性成就了SMPS最初的想法，即可使得转换损耗最小从而实现最大的效率。 在SMPS中，串联元件RS采用半导体开关进行替换，这样可实现很小的导通电阻（使导通损耗降到最低）和较高的关断电阻（阻止导通）。在半导体开关之后放置使用非耗能型无源元件如电感和电容构成的低通滤波器可实现恒定DC输出电压。 用于实现开关电源的半导体开关在高频条件下（50 kHz至数MHz）会不断导通和关断，通过无源元件将电能从输入传递到输出。通过改变占空比、频率或半导体器件开关过程的相位都可实现输出电压控制。由于无源元件的体积与开关频率成反比，因此较高的开关频率需要使用较小的磁性元件和电容。 尽管高开关频率带来了功率密度大大提高的巨大好处，但它也导致转换器内部的功耗增加和引入额外的电气噪声。

图 1：DC-DC转换器

RS

IOUT

VIN

IS

RL

VOUT

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SMPS拓扑结构的选择

有几种不同的拓扑结构可用于实现SMPS。对于特定应用可选择任何形式的拓扑结构，不过任何一种结构都有其独特的特性，这使其最适合于某一特定的应用。在针对某一特定应用选择最佳结构时，关键之处在于了解特定结构的基本工作特性、优点、缺陷、复杂程度和使用领域等。以下因素将有助用户进行最佳拓扑结构的选择： a)b)c)d)e)f)

输出电压是高于还是低于整个输入电压范围？需要多少路输出？

需要输入和输出之间的电绝缘吗？输入/输出电压非常高吗？输入/输出电流非常大吗？

变压器原边最高电压和最大占空比是多少？

降压转换器

降压转换器仅能提供比输入电压低的平均输出电压，这正如其名称所表示的一样。降压转换器的基本原理图和开关波形如图2所示。

在降压转换器中，开关（Q1）与输入电压源VIN串联。输入电压源VIN通过功率开关和低通滤波器馈送到输出 ，而低通滤波器则由电感和电容构成。

在稳态运行中，若开关导通时间为TON，输入将向输出和电感（L）提供能量。在TON期间，电感电流流经功率开关且VIN和VOUT之间的正向电压差将加在电感两端，如图2 （C）所示。因此，电感电流IL将呈线性规律从当前值IL1上升到IL2，如图2（E）所示。在TOFF期间，当开关关闭，电感电流的方向与前面相同，这是由于电感中的储能继续提供负载所需电流。在

，二极管D1提供电感电流回路；Q1关闭期间（TOFF）

因此，该二极管称为续流二极管。在TOFF期间，输出电压VOUT将以反方向加在电感两端，如图2（C）所示。因此，电感电流将从当前值IL2减小至IL1，如图2（E）所示。

因素（a）有助于确定电源结构是采用降压型、升压型还是降压-升压型结构。因素（b）和（c）将有助于确定电源拓扑结构中是否应具有变压器。电源的可靠性取决于根据（d）、（e）和（f）所选择的拓扑结构。

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图 2：

降压转换器

IQ1

L

(A)

IN

IL-

IOUTOUT

D1

(B)Q1GATE

t

(C)

VL

VINVOUT

t

-OUT

(VIN - VOUT)/L

(D)

IIN

t

-VOUT/L

(E)

IL

IL2IL1

t

(A) = 降压转换器

(B) = MOSFET Q1的栅极驱动脉冲 (C) = 电感L两端的电压 (D) = 输入电流IIN (E) = 电感电流IL

连续导通模式

电感电流在一个开关周期（TS）内是连续的且不会减小到零（TS）；因此，这一运行模式称为连续导通模式。在该模式下，输出和输入电压的关系由公式3给出。其中D为占空比，由公式4给出。

公式 4：占空比

TOND=---------TS

其中：TON = 导通周期TS = 开关周期

公式 3：降压转换器的VOUT/VIN关系

VOUT=D VIN

如果输出和输入电压之间的比值小于0.1，一般建议采用两级降压转换器结构，即对输入电压进行两次降压变换操作。尽管降压转换器可以连续或不连续工作，但其输入电流总是不连续的，如图2（D）所示。这将导致该结构较其他拓扑结构会使用更大的电磁干扰（electromagnetic interference，EMI）滤波器。

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电流模式控制

在设计降压转换器时，总要对电感和电容的大小进行权衡。

较大的电感值意味着需要在磁芯上绕制更多的匝数，但从输出电容角度来看则意味着更小的纹波电流（<满载电流的10%）；因此，电感中的损耗将增加。而且，更小的纹波电流使得电流控制模式几乎难以实现（有关电流控制技术的详细信息请参见“控制方式”）。因此，这种转换器的负载瞬态响应较差。

较小的电感值将导致纹波电流增加，这使得电流模式控制的实现更为方便，转换器的负载瞬态响应也得到提升。然而，较高的纹波电流需要使用低等效串联阻抗（Equivalent Series Resistor，ESR)的电容来满足输出电压的纹波的峰-峰值要求。通常说来，要实现电流模式控制，电感中的纹波电流应至少为满载电流的30%。

流达到零）时的功耗增加。如果降压转换器电感是针对中等负载设计的，但却工作于空载或轻负载条件下，则可能会发生这一情况。在这种情况下，如果同步MOSFET在电感电流到零时没有立即关断，输出电压可能跌落到稳压限制范围之下。

多相同步降压转换器

设计一个能够在较低输出电压条件下提供大于35安培负载电流的单一同步降压转换器几乎是不可能的。如果负载电流要求大于35-40安培，那么则需要将多个转换器并联以提供这一数值的负载电流。

为使输入和输出电容实现优化，所有并联转换器基于同一时基运行且每一个转换器的开关均距离前一个转换器固定的时间/相位。这种类型的转换器称为多相同步降压转换器。图3显示了多相同步降压转换器，以及每一个桥臂的栅极驱动脉冲与转换器汲取的输入电流之间的时序关系。固定的时间/相位由时间周期/n或300/n给出，其中“n”是并联转换器的个数。

输入和输出电容的设计取决于每一个转换器的开关频率乘以并联转换器的个数。从输出电容的角度来看纹波电流减少“n”倍。与图2（D）中所示的单一转换器相比，多相同步降压转换器汲取的输入电流是连续的且纹波较少，如图3（E）所示。因此，对于多相同步降压转换器来说，较小的输入电容能满足设计要求。

前馈控制

在降压转换器中，输入电压变化在电压输出端产生的影响通常可通过输入电压前馈控制降到最低。与模拟控制方式相比，使用具有输入电压检测功能的数字信号控制器能轻易实现前馈控制。在前馈控制方法中，数字信号控制器一旦检测到输入电压的变化，在输入变化对输出参数造成实际影响之前就将开始采取自适应措施进行相应的处理。

同步降压转换器

当输出电流要求较高时，续流二极管D1中过高的功耗将限制可达到的最小输出电压。为减少大电流下的功耗并获得较低的输出电压，采用具有极低导通电阻RDSON的MOSFET替代续流二极管。该MOSFET的导通与关断与降压MOSFET同步。因此，这一结构称为同步降压转换器。该同步MOSFET的栅极驱动信号需与降压开关栅极驱动信号呈现互补关系。

MOSFET能够以任一方向进行导通；这意味着如果电感中的电流由于负载较轻到零时，同步MOSFET应被立即关断。否则，因为输出LC谐振的原因，电感电流的方向将反向（在达到零后)。在这一场景下，同步MOSFET作为输出电容的负载并因其导通电阻RDSON而耗能，从而导致断续运行（在一个开关周期内电感电

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升压转换器

升压转换器，顾名思义，只能输出比输入电压高的平均电压。升压转换器的基本原理图和相应的开关波形如图4所示。

在升压转换器中，电感（L）与输入电压源VIN串联放置。输入电压源通过电感和二极管D1将电压馈送到输出。稳态运行时，功率开关Q1的导通时间为TON，输入电源将向电感提供能量。

在TON内，电感电流（IL）流经功率开关且输入电压VIN正向加在电感两端，如图4（C）所示。因此，电感电流将从当前值IL1线性上升到IL2，如图4（D）所示。在该TON期间，输出负载电流IOUT由输出电容CO提供。输出电容值应足够大，这样才可保证在TON时间内提供相应的负载电流，同时使输出电压跌落的程度为所规定的最小值。

在TOFF期间，功率开关关断，电感电流继续凭借电感储能维持原来的电流方向而输入电压源VIN向负载提供能量。在Q1关断期间（TOFF），二极管D1与输出电容构成了电感电流回路。在TOFF时间内，电感电流流经二极管，VIN和VOUT之间的压差反向加在电感两端，如图4（C）。因此，电感电流将从当前值IL2减少到IL1，如图4(D)所示。

连续导通模式

如图4（D）所示，电感电流是连续的且在一个开关周期内（TS）不会到零；因此，这一方法又称为连续导通模式。其输出和输入电压之间的关系，如公式5所示。

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公式 5：

VOUT/VIN关系

VIN

VOUT=-----------------(1–D)

输出电容纹波电流的均方根值（root mean square，RMS）由公式6给出。考虑图4（D)中所示之波形对其进行计算。在TOFF期间，脉动电流ID1流入输出电容而恒定的负载电流（IOUT）流出输出电容。

前置转换器

前置转换器是一种基于基本降压转换器结构的变压器隔离转换器，其基本原理图和相关开关波形如图6所示。在前置转换器中，开关（Q1）与变压器（T1）原边绕组串联连接。开关在变压器原边绕组中产生脉动的电压。变压器用于将原边电压进行降压变换并提供输入电压源VIN和输出电压VOUT的隔离。在稳态运行状态，当开关导通TON时间后，绕组同名端相对于非同名端为正。因此，二极管D1为正向偏置而二极管D2和D3为反向偏置。

当输入VIN加载在变压器原边，励磁电流IM将从初始零值按线性规律增加到最终值。递增斜率为VIN/LM，其中LM为原边绕组的励磁电感，如图6（D）所示。流经原边绕组的总电流为该励磁电流与反映到原边的电感电流（IL）之和。这一总电流在TON期间流经MOSFET。二极管D2两端的电压等于输入电压乘以变压器匝数比（NS/NP）。对于前置转换器，在TON期间电感L两端所加正向电压由公式7给出，其中忽略了变压器损耗和二极管的正向压降。

公式 6：电容纹波电流的均方根值

IRIPPLERMS=

ID1)–(IOUT)

2

2

其中：

ID1RMS = ID1的RMS值

IRIPPLERMS = 电容纹波电流的RMS值IOUT = 输出DC电流

根据公式5，当占空比接近100%时，理想情况下的VOUT/VIN比率可能变得非常大。然而，与理想特性不同，当占空比接近100%时VOUT/VIN却随之下降，如图5所示。因为功率开关利用率较差，元件中出现寄生参数，导致电感电容和半导体开关的损耗随之增加。

公式 7：电感两端的正向压降

ILNS

VL=VIN ------–VOUT=L -------NP t

图 5：

VOUT/VIN

76

54321

0.25

升压转换器中的VOUT/VIN和占空比

耗能

在导通阶段的末期，当开关关断，将不再有电流通路以消耗磁芯中储存的能量。有许多方法可以消耗这一能量。图6显示了一种方法。在这种方法中，磁芯中的磁通将在NR绕组的同名端感应负电压，这将使得二极管D3变为正向偏置并消除磁芯中所储存的磁能。因此，NR绕组又称为复位绕组。关断期间的复位和励磁电流对于避免饱和现象具有重要意义。

当开关关断时，在TOFF期间，电感电流（IL）继续沿原方向流动，此时电感内储能继续提供负载电流IOUT。

理想情形

实际情形

0.5占空比= D

0.751

功率因数校正

当升压转换器运行于连续导通模式时，从输入电压源汲取的电流总是连续和平滑的，如图4（D）所示。这一特性使得升压转换器成为功率因数校正（Power FactorCorrection，PFC）应用的理想选择。功率因数（PowerFactor，PF）由总电流谐波畸变因子（Total CurrentHarmonics Distortion Factor，THD)和相移因子（Displacement Factor，DF）的乘积给出。因此，在PFC中，转换器汲取的输入电流应足够连续和平滑以满足输入电流的THD指标，使其接近于1。此外，输入电流应能跟随输入正弦电压波形以满足相移因子指标，使其接近于1。

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图 6：

前置转换器

PNP

(A)

VIN

ISWQ1G

-S

I3

T1

NS

D3

D1

D2

ILVL

+VOUT-

(B)Q1PWM

t

(C)

VP

IN

t

(1+NP/NR) VIN

IM

IM

(D)

IIN

P

IM

IP

IM

t

T3TMTOFF

TS

I3

(E)

VDS

(1+NP/NR) VIN

IL

VIN

OUT

(1+NP/N) VIN

VIN

t

(F)

IL

IL

t

(A) = 前置转换器功率电路原理图(B) = MOSFET Q1的栅极脉冲(C) = 变压器原边绕组NP两端的压降(D) = 流经NP 和NR的电流(E) = MOSFET Q1两端的压降(F) = 输出电感电流 IL

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二极管D2称为续流二极管并在Q1关断期间（TOFF）提供电感电流回路。在TOFF期间，输出电压VOUT反向加在电感两端。在连续导通模式下，输出电压和输入电压的关系由公式8给出，其中D是占空比。

公式 10：最大占空比和VDS

NR ------(1–DMAX)= NP DMAX

1----------- -=---------------NDMAX

R 1+ ------

NP

公式 8：前置转换器VOUT/VIN关系

NS

V - -----V

INNP–OUT TON=VOUT TOFF

NS

VOUT=VIN ------ D

NP

NP

VDS=VIN+VIN ------

NR

下一次周期开始之前完成去磁的TM/TS的最大值等于（1-D），因此前置转换器的最大占空比由公式10给出。根据公式10，可以理解当原边绕组匝数NP等于复位绕组匝数NR时，功率开关能具有最大的50%占空比而此时开关的阻断电压等于两倍的输入电压。最大占空比的实际限制值应为45%，而由于元件的非线性和变压器的漏感的存在，开关的最大阻断电压将大于两倍的输入电压，。

励磁控制

当开关关断时，二极管D1变为反向偏置，因此IM将无

法流入二次侧。因此，通过变压器复位绕组可去除励磁电流，如图6（A和D）所示。

被折回的励磁电流I3流经复位绕组NR和二极管D3进入输入电源。在I3流动的时间间隔TM中，变压器原边两端电压和LM由公式9给出。

公式 11：反激变压器中的磁储能

12

EP=-- (IPK) LM

2

(VIN TON)

-IPK=---------------------------LM

公式 9：原边折回电压

P N------ V NR IN

其中：

变压器完成去磁所需时间可通过确认一个时间周期内

LM两端电压必须为零的时间间隔来获得。如图6所示，最大值TM为在下一个周期开始之前变压器完成去磁所需时间，且等于TOFF。因此，前置转换器中功率开关（Q1）的最大占空比和最大漏至源阻断电压（VDS）由公式10给出，其中转换器的原边和复位绕组匝数分别为NP和NR。

EP = 焦耳 IPK = 安培LM = 亨

如果NR选择为小于NP，则最大占空比DMAX可能大于50%；然而，功率开关的最大阻断电压应力将变得大于

DMAX和VDS的值见公式10。如果NR选择大于2 VIN，

NP，DMAX将小于50%，但此时开关的最大阻断电压应力将小于2 VIN，DMAX和VDS的值见公式10。由于复位和原边绕组无需高电压隔离，因此这两个绕组可采用双股并绕的方式以减小漏感。由于复位绕组只通过励磁电流，这表明与原边绕组相比，它只需采用较细线径的导线。

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也可在变压器两端跨接一个齐纳二极管或RC缓冲电路来替代转换器的复位绕组实现对变压器磁芯的去磁。磁性材料的不完全利用、最大占空比的限制和功率开关的高电压应力使得前置转换器成为离线低成本电源功率输出（高达150瓦）切实可行的解决方案。其无脉动的输出电感电流使得前置转换器非常适用于大负载电流（>15A）的应用场合。输出电感的出现限制了前置转换器在高输出电压场合（>30V）中的应用。这种应用场合通常需要一个庞大的电感来对抗高输出电压。

两开关前置转换器

通过在变压器原边绕组串联回路中多设置一个功率开关（Q2）可将前置转换器中功率开关所承受的最大电压应力限制为等于输入电压，如图8所示。这种转换器称为两开关前置转换器。两开关前置转换器的基本原理图和开关波形如图8所示。

如图功率开关Q1和Q2由同一栅极驱动信号进行控制，

8（B和C）所示。在稳态运行状态下，开关Q1和Q2导通TON时间，输入电压VIN加在变压器原边。在TON期间，励磁电流和折回的输出电感电流将流经变压器原边绕组和开关Q1和Q2。

在导通周期的末期，当开关关断时，磁芯中的磁通将在变压器原边中感应出反向电压，这将使得二极管D1和

电D2正向偏置并向励磁电流提供续流回路以复位磁芯。

压VIN将反向加在变压器原边绕组两端，如图8（D）所示。如果变压器T1中无漏感，NP两端的电压将等于

当励磁电流VIN而功率开关两端的最大阻断电压为VIN。

达到零时，二极管D1和D2将变为反向偏置，而励磁电流将在开关周期的剩余时间内保持为零。两开关前置转换器副边的工作原理与前面介绍的前置转换器相同。

提高效率

与相同输出功率等级的其他拓扑结构相比，前置转换器的效率较低，这是由于其中采用了四个重要的耗能元件：功率开关、变压器、输出二极管整流器和输出电感。为增加效率，可采用同步MOSFET替代输出二极管整流器。通过额外的或同样的变压器副边绕组可实现对MOSFET的自驱动，如图7所示。

图 7：同步整流器

D

Q1G2GD

S

应用考虑

功率开关阻断电压的减少使得设计人员能够选择更好的低电压MOSFET进行设计。因此，两开关前置转换器可用于输出功率达350瓦的场合。如果峰值电流使得功率大于350瓦，MOSFET的损耗将难以应付，而磁性元件的不完全利用将使得所需变压器的体积更为庞大（见图9）。因此，两开关前置转换器最适合于输出功率等级为150至350瓦的应用场合。

负载瞬态响应的改善和电流模式控制的实现需要减少输出电感值和使用更好的输出电容来满足输出电压纹波要求，如“降压转换器”一章中所讨论。可使用多输出、前置转换器耦合电感以获得更好的交互负载调整需求。

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图 9：

单一开关转换器的变压器BH曲线

B

其中：

BSAT

公式 12：反激变压器的VOUT/VIN关系

VOUTNS D -------------= ------ ----------------- NP (1–D) VIN

D = 反激开关的占空比

B

在TON的末期，当功率开关关断，变压器励磁电流将继

续保持原有方向。励磁电流将在变压器同名端和非同名端之间感应负电压。二极管D1变为正向偏置并将变压器副边绕组电压钳制为输出电压。

H

变压器原边绕组中的储能通过反激作用传递到副边。这一储能将向负载提供能量并对输出电容进行充电。由于变压器中的励磁电流不能在开关关断瞬间进行充电，原边电流传递到副边，而副边电流的幅值为原边电流和变压器匝数比NP/NS的乘积。

耗散存储的漏能

在导通期间的末期，开关将关断，此时反激变压器磁芯的漏能将没有电流通路进行耗散。有许多方法可耗散这一漏能。图10中的方法是使用由D2、RS和CS构成的缓冲电路。采用这一方法时，磁芯中的漏磁通将在原边绕组的非同名端感应出正向电压。这将使得二极管D2正向偏置并提供磁芯中漏感储能的续流通路以及将原边绕组电压钳制为一个安全值。在这一过程中，CS将被充电直至比折回副边反激电压稍高，这一电压又称反激超调电压。多余的反激能量将在电阻RS中耗散。稳态时，如果所有其他条件仍保持不变，钳位电压将直接与RS成比例。反激超调将提供其余强制电压以在反激作用时驱动电流至副边漏电感。这将导致变压器副边电流快速增加，从而提升反激变压器的效率。

反激变压器（FBT）

反激变压器（FBT)是基于基本降压/升压拓扑结构的转换器隔离变压器。其基本原理图和开关波形如图10所示。

在反激变压器中，功率开关（Q1)与变压器（T1)原边绕组串联。变压器用来存储开关导通时的能量并提供输入电压源VIN和输出电压VOUT之间的隔离。

稳态运行时，开关导通时间为TON，绕组同名端相对于非同名端的电压极性为正。在TON期间，二极管D1变为反向偏置而变压器可看作一个电感。电感值等于变压器原边励磁电感LM，储存来自输入电压源VIN的磁能（见公式11）。因此，变压器原边电流（励磁电流IM）从其初始值I1线性上升到IPK，如图10（D）所示。当二极管D1变为反向偏置时，负载电流（IOUT）由输出电容（CO）提供。输出电容值应足够大，这样才可保证在TON时间内提供相应的负载电流，同时使输出电压跌落的程度为所规定的最大值。

连续导通模式

图10（D）给出了反激变压器在连续导通模式下工作时的波形。连续导通模式与反激变压器磁芯的不完全去磁现象相一致。在导通期间TON磁芯磁通从初始值（0）线性增加到（PK）。在稳态状态下，TON期间磁芯磁通的变化应等于TOFF期间磁通的变化。这一点对于避免饱和很重要。稳态运行和连续运行模式下的输入和输出电压的关系如公式12所示。

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图 10：

反激变压器

RS

CS

D1

VP

NP

ISW

Q1

DNS

ID1

IOUT

(A)

VIN

D2VOUT

(B)

Q1PWM

TON

TS

OFF

t

(C)

VP

IN

t

VIPK

(D)

ISW1

t

(E)

ID1

NPS

IPK

t

(F)

VINCLAMP

t

(A) = 反激变压器功率电路 (B) = MOSFET Q1的栅极驱动脉冲 (C) = 原边绕组两端的压降 (D) = 流经MOSFET Q1的电流(E) = 流经二极管D1的电流 (F) = MOSFET Q1两端的压降

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对不同拓扑结构SMPS 的基本工作原理进行了介绍,并详细讨论了不同结构的应用和优缺点。

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当工作在连续导通模式下时，占空比与从转换器汲取的负载电流无关，且对于直流输入电压来说是个常数。然而，在实际情况中，负载将使得变压器内部损耗和输出二极管D2的损耗增加。为保持恒定的输出电压，即使在恒定直流输入电压条件下，连续导通模式控制也需对占空比作微小调整。

因为原边绕组中出现副边折回电压和转换器磁芯中的漏感储能，功率开关所承受的的最大电压应力VDS可由公式13给出。如果采用反激变压器作为离线电源的通用输入，考虑到副边折回电压为180V且变压器漏感储能导致的电压尖峰（比理想值高出20%），功率开关的额定电压应为700V。

图 11：

BBSAT

具有空气隙的反激变压器的BH曲线

BAC

公式 13：

VDS

其中：

=VIN+VCLAMP+VLEAKAGE

反激变压器中的最大VDS

H

H

H

VCLAMP = 缓冲电路（D2、R2和C2）两端的压降VLEAKAGE = 由于漏能导致的电压尖峰

电容的选择

如图10（E）所示的脉动电流ID1流入，而DC负载电流流出输出电容，这将导致反激变压器的输出电容承受较高的电压应力。在反激变压器中，输出电容的选择基于流经电容的最大纹波电流的RMS值（由公式6给出）和输出电压纹波的最大峰-峰值要求。输出电压纹波的峰-峰值取决于流经电容的纹波电流和其等效串联阻抗（ESR）。电容的ESR和纹波电流将导致电容内部温升，这将影响电容的预期寿命。因此，电容的选择主要取决于纹波电流额定值和ESR值，以此满足有关温升和输出电压纹波的指标要求。如果输出纹波电流较大，建议采用多个电容并联以替代单个且数值较大的电容。这些电容应距二极管阴极接线端等距离放置，这样每一个电容才能均分电流。

反激拓扑的优点

在最大输出功率为5至150瓦的低成本电源应用中， 反激拓扑应用广泛。反激拓扑未使用输出电感，这样节省了成本、减小了体积和反激变压器中的损耗。它非常适合于输出电压高达400V而输出功率为较低的15-20瓦的应用场合。由于省去了输出电感和续流二极管（用于前置转换器），因此反激变压器拓扑非常适用于高输出电压应用。

在反激变压器中，当出现一个以上的输出时，如果输入电压和负载变化，输出电压将出现互相跟踪的现象，这与前置转换器相比要好许多。这是由于省去了输出电感，输出电容直接连到变压器副边并在开关关断期间（TOFF）作为一个电压源。

空气隙

为增加吞吐容量并减少反激变压器磁芯的磁饱和程度，在变压器磁芯中插入了空气隙。这一空气隙并不随着磁芯材料的饱和磁通密度（BSAT）的改变而改变；然而，它却增加了达到饱和的磁场强度H并减少了剩余磁通密度BR，如图11所示。因此，空气隙增加了delta BH的工作范围，从而增加了反激变压器的吞吐量。

应用方面的考虑

对于同样输出功率等级且输出电流要求大于12-15安培的场合，流经输出电容的峰-峰纹波电流RMS值将变得非常大且难以实现。因此，对于输出电流要求较大的场合，最好选择前置转换器结构而非反激结构。

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对不同拓扑结构SMPS 的基本工作原理进行了介绍,并详细讨论了不同结构的应用和优缺点。

AN1114

推挽式转换器

推挽式转换器是一种基于基本前置结构的变压器隔离转换器。其基本工作原理图和开关波形如图12所示。在两个交替的半周期期间，通过变压器带中心抽头的原边绕组，用两个开关Q1和Q2控制高压直流电的切换。这些功率开关将在转换器原边绕组产生脉动电压。变压器用来对原边电压进行降压并提供输入电压源VIN和输出电压VOUT之间的隔离。

推挽式转换器中使用的变压器包含一个具有中间抽头的原边绕组和一个具有中间抽头的副边绕组。开关Q1和

因此两个开关应在变压器磁芯Q2由控制电路进行驱动，

中产生等值反向的磁通。

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在稳态运行过程中，当Q1导通时间为TON时，绕组同名端相对于非同名端将变为正电压。二极管D5变为反向偏置而二极管D6变为正向偏置。因此，二极管D6提供了输出电感电流IL流经变压器副边绕组NS2的通路。当输入电压VIN加在变压器原边绕组NP1上，副边绕组中将出现折回的原边电压。变压器副边绕组电压和输出电压VOUT之间的压差将正向加在电感L上。因此，电

如图12（E）感电流IL将从其初始值IL1线性上升到IL2，

所示。在TON期间，此时输入电压加在变压器原边绕组NP1上，磁芯中的磁通密度值将从初始值B1变化到B2，如图13所示。

图 12：推挽式转换器

D6

NP2

NP1

NS2NS1

D5

VIN

Q2

D

Q1

D

ILVOUTIOUT

(A)

Q1PWM

(B)

ONTS/2

Ts

OFF

t

IN

t

Q2PWM

VDS1

(C)

t

IINIQ1

IQ2IQ1IQ2

t

(D)

VDS2

t

IL2IL1

t

(E)

IL

(A) = 推挽式转换器

(B) = MOSFET Q1 的栅极驱动脉冲(C) = MOSFET Q1 的漏-源电压Vds (D) = 流经MOSFET Q1和Q2的电流(E) = 输出电感电流

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在TON期间的末期，开关Q1关断并在开关周期TS的剩余时间内保持关断状态。开关Q2将在开关周期的一半（TS/2）处开始导通，如图12所示。因此，在TOFF期间，开关Q1和Q2都将关断。当开关Q1关断，功率开关内部集成的二极管将提供变压器原边漏感储能的续流通路且输出整流二极管D5将变为正向偏置。当二极管D5变为正向偏置，它将与副边绕组NS1一起构成一半电感电流的续流通路，而二极管D6则与副边绕组NS2一起构成另一半电感电流的续流通路。假定副边绕组NS1和NS2具有相同的匝数，上述情形将导致变压器副边的两个绕组两端将加载等值反向的电压。因此，TOFF期间副边两端的总电压为零，这将使得变压器磁芯中的磁通密度恒定为最终值B2。当两个开关都关断时，输出电压将反向加在电感L上。这样，电感电流IL将从其初始值IL2按线性规律减小到IL1，如图12（E）所示。

避免磁饱和

在经过TS/2时间之后，当开关Q2导通，二极管D6将变为反向偏置且全部电感电流开始流经二极管D5和变压器副边绕组NS1。在这段TON期间，当开关Q2导通，输入电压VIN将反向加载在变压器原边绕组NP2两端，这将使得同名端相对于非同名端的电压极性为负。当输入电压加载在变压器原边绕组NP2两端时，磁芯中的磁通密度将从其初始值B2变化到B1，如图13所示。假定原边绕组NP1和NP2的匝数相同且副边绕组NS1和NS2的匝数相同，则两个功率开关的导通时间TON应保持相同以避免变压器磁芯出现饱和。在TON周期结束之后，Q2将关断并在TS周期的剩余时间内保持关断状态，如图12所示。

功率开关的额定电压

在任一功率开关的TON期间，电压VIN将加载到变压器原边绕组的一半，并在变压器原边绕组的另一半感生出相同的电压。这将导致关断的功率开关承受两倍于输入电压的电压。因此，用于推挽式转换器的功率开关的电压额定值必须大于至少两倍的最大输入电压。对于实际的应用，由于漏感储能引起的电压尖峰和瞬态因素，功率开关的电压额定值应比理论计算值大出20%。对于通用输入电压，功率开关的电压额定值应为：264 1.414 2 1.2=895，因此实际所需的值为900伏。

VOUT/VIN关系

对于连续导通模式下稳态工作时，其输入和输出电压的关系表达式由公式14给出，其中D为功率开关的占空比。

公式 14：推挽式转换器的VOUT/VIN关系

NS

VOUT=VIN ------ 2 D

NP

TOND=---------TS

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减少磁不平衡

如果两个原边绕组产生的磁通不相等，那么在每一个开关周期将会加入DC磁通并快速增至饱和。这一磁不平衡现象可由两个开关的TON周期不相等、原边绕组NP1和NP2匝数不等、副边绕组NS1和NS2匝数不等和输出二极管D5和D6的正向压降不等等因素造成。同时，磁不平衡现象也可通过仔细选择栅极驱动电路、使用具有正温度系数（PTC）通态电阻的开关器件、向变压器磁芯加入空气隙和使用峰值电流模式控制技术来确定功率开关Q1和Q2的TON周期的方法加以减少。图14解释了如何通过查看两个开关Q1和Q2电流波形来确定稳态运行中磁芯中磁不平衡的状态。如果两个开关的电流波形是对称的且幅值相等，如图14（A）所示，则表明磁芯中的磁通偏移得到了较好的平衡且变压器工作于安全区。然而，如果两个开关的电流波形不对称且峰值电流不相等，如图14（B）所示，这表明磁芯中的磁通偏移不平衡；然而，它仍然处于BH磁滞回线的安全工作区。如果某个开关的电流波形中具有向上的凹坑，如图14（C）所示，这表明磁芯内部的磁通偏移出现较大的不等而磁BH回线接近饱和。磁场强度H的微小增加将导致励磁电感的减小，但是励磁电流的剧烈增加可能导致功率开关和变压器损坏。

磁通倍增和伏秒箝位

当这样的一个系统初次通电或在负载瞬态变化过程中，磁通密度将从零开始变化而非B1或B2，因此，这一瞬间可达到的磁通偏移将是稳态条件下正常值的一半。这称为“磁通倍增”。驱动和控制电路必须能识别这一条件并保护应用免遭宽驱动脉冲的破坏直至磁芯恢复正常的工作条件。这称为“伏秒箝位”。

铜的使用

推挽式变压器需要有一个中间抽头的原边绕组，且每一个绕组只有在交替电源脉冲条件下才被激活，这表明原边的绕组的利用率只有50%。未使用的铜线占据了线圈支架的空间且增加了原边绕组的漏感。中间抽头的原边绕组通常需要双线并绕，但这将导致在相邻匝之间产生较大的交流电压。

应用考虑

开关上承受的高电压（2 VIN）和变压器原边绕组50%的利用率使得推挽式结构不适合输入电压为欧洲、亚洲、或通用电压范围（90VAC-230VAC）以及当PFC用作前端整流器的应用场合。原因在于磁芯的不完全利用率，而这是由于任何开关周期内只有一个开关导通而变压原边绕组却加载全部输入电压。推挽式结构最适合于低电压应用场合，如US标准的110VAC直接输入离线SMPS或额定功率最多500瓦的低输入电压DC-DC隔离转换器。

图14：

(A)

推挽式转换器开关电流

IQ1Q1ON

(B)

IQ2Q2ON

IQ1Q1ON

IQ2Q2ON

t

t

饱和

(C)

t

(A) = 相等的伏秒数加载在原边绕组两端

(B) = 原边两端加载不相等的伏秒数直至处于安全区 (C) = 高度不平衡的伏秒数加载到副边且磁芯接近饱和

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避免直通电流

在推挽式转换器中，两个开关不能在同一时刻导通。开关在同一时刻导通将在变压器磁芯中产生等值反向的磁通，这将导致变压器不工作且绕组近似短路。这一情形将在输入电源VIN和地之间形成很小的阻抗，因此开关会因流过非常大的短路直通电流而损坏。为避免直通电流的出现，可在变压器原边和输入电源之间放置一个电感，如图15所示。由此产生的结构称为电流源推挽式转换器。当两个开关全部导通时，原边两端的电压将变为零而输入电流将增加从而将能量储存在电感中。当只有一个开关导通时，输入电压和电感中的储能将向输出级提供能量。

连续导通模式下输出和输入的关系由公式15给出。

开关Q1和Q2形成桥的一个臂，而另一个臂则由电容C3和C4构成。因此，这种结构称为半桥式转换器。变压开关Q1和Q2在变压器原边产生脉动的交流电压。

器用于降低脉动原边电压并提供输入电压源VIN和输出电压的隔离。在稳态运行中，电容C3和C4充电至相同的电压，这将导致C3和C4的连接点的电位为输入电压的一半。

当开关Q1导通TON时间，原边同名端连接到VIN的正极性端而电容C4（VC4）两端的电压则将加载到变压器原边。这一情形将导致当开关Q1导通时加载到原边的电压为输入电压VIN的一半，如图16(C）所示。二极管D4变为反向偏置而二极管D3变为正向偏置从而使全部电感电流流经副边绕组NS1。副边绕组NS1中的原边折回电压和输出电压VOUT之间的电压差将正向加载到输出电感L上。因此，电感电流IL将从其当前值IL1线性上升到IL2，如图16(E)所示。在TON期间，折回的副边电流加上原边励磁电流一起流过开关Q1。在TON期间，由于电压是正向加载到原边，因此开关Q1导通时，磁芯中的磁通密度从其初始值B1变化到B2，如图13所示。

开关Q1关断且在开关周期TS的剩余时间在TON末期，

内保持关断状态。在开关周期的TS/2处，开关Q2将导通，如图16(B)；因此，在TOFF期间，所有开关被关断。开关Q2内部集成的二极管将提供变压当开关Q1关断，

器原边漏感储能的续流通路，而输出整流器二极管D4将变为正向偏置。当二极管D4变为正向偏置，它将与副边绕组NS2一起构成半数电感电流的续流通路，而二极管D3则与副边绕组NS1一起构成另一半电感电流的续流通路，如图16(E)所示。所以，假定副边绕组NS1和NS2具有相等的匝数，则变压器副边两个绕组的两端将加载等值反向的电压。结果是，TOFF期间副边两端加载的总电压为零，这使得变压器磁芯中的磁通密度保持为恒定值B2。

当两个开关都关断时，输出电压VOUT将反向加载到电感L两端。因此，电感电流IL将从其初始值IL2递减至IL1，如图16（E）所示。开关Q1和Q2内部集成二极管将提供变压器漏感储能的续流通路。

公式 15：

电流源推挽式转换器的VOUT/VIN关系

NS VOUT1

-------------= ------ -------------------------

VINNP2 (1–D)

图15：电流反馈型推挽式转换器

D6

VOUT

NP2

NS2

IOUT

+

NP1

NS1

D5

VIN

Q2

-DQ1

D

NP1 = NP2 = NPNS1 = NS2 = NS

半桥转换器

半桥式转换器是基于基本前置结构的变压器隔离转换

器。其基本原理图和开关波形如图16所示。

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