這一個(gè)專題準(zhǔn)備寫一些技術(shù)性稍微強(qiáng)一點(diǎn)的東西。首先，把開關(guān)電源中常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其主要應(yīng)用做一個(gè)概要的介紹；然后，就我個(gè)人工作中最熟悉也是電子產(chǎn)品中應(yīng)用最廣泛的一類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)-BUCK的工作原理做一個(gè)詳細(xì)的分析，最后簡(jiǎn)單的引入控制和補(bǔ)償?shù)母拍?，用以完整的講述整個(gè)開關(guān)電源系統(tǒng)的原理。但這一專題重點(diǎn)依然在介紹拓?fù)浼捌湓恚刂坪脱a(bǔ)償以后會(huì)再開一個(gè)專題介紹。這一篇，就先說說開關(guān)電源中各種常見的拓?fù)洌▊€(gè)人總結(jié)而已，沒有什么創(chuàng)新的觀點(diǎn)，哈哈）。
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目錄：
- 開關(guān)電源常用拓?fù)浜?jiǎn)介
- BUCK拓?fù)涔ぷ髟斫榻B
- BOOST、BUCK-BOOST拓?fù)涔ぷ髟斫榻B
- LDO結(jié)構(gòu)及工作原理介紹
開關(guān)電源發(fā)展了這么多年，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也越來越繁雜，下面圖中所示是TI（德州儀器）公司發(fā)布的一個(gè)電源設(shè)計(jì)工具中列出的一些常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：
圖1. 常用電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
從上到下依次來看，有：BUCK、Synchronous BUCK、Series Cap BUCK、Boost、Inverting BUCK-BOOST、CUK、Sepic、Zeta…有沒有很多？是不是聽名字都覺得暈了，確實(shí)如此，理論上講，可以有幾十上百種拓?fù)淇梢员挥玫介_關(guān)電源中，而目前常用的拓?fù)渚褪巧鲜鲞@些。為了看起來調(diào)理些，可以將上述拓?fù)浞譃楦綦x拓?fù)浜头歉綦x拓?fù)鋬纱箢悾歉綦x拓?fù)渲械腂UCK、BOOST、BUCK-BOOST這三種拓?fù)溆质撬型負(fù)渲械幕A(chǔ)，其他的所有復(fù)雜拓?fù)涠际怯蛇@三種拓?fù)溲葑兌鴣淼摹Ｋ?，下面先介紹這三類拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)，特點(diǎn)、基本工作原理（定性）和應(yīng)用：
- BUCK拓?fù)?nbsp;
圖2. BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
如圖2所示，是BUCK拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓通過開關(guān)管Q1、電感L1對(duì)負(fù)載提供能量，同時(shí)為L(zhǎng)1、Co進(jìn)行儲(chǔ)能;當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，L1、Co對(duì)負(fù)載提供能量，二極管D1為儲(chǔ)能電感提供續(xù)流泄放路徑，Ci作為輸入電容，起到抑制輸入紋波電壓的作用。其輸入輸出傳遞函數(shù)如下：
Vo=D*Vin
(D是Q1開通時(shí)間和周期之比，即占空比)
可以看到，這種拓?fù)渲豢梢詫?shí)現(xiàn)降壓，輸入電流斬波，輸出電流連續(xù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是所有拓?fù)渲凶罨A(chǔ)的，但卻也是應(yīng)用最廣泛的一類：多用于低壓大電流場(chǎng)合的POL電源，如PC、服務(wù)器主板、交換機(jī)等計(jì)算機(jī)通信領(lǐng)域。
2. BOOST拓?fù)?/p>
圖3. BOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
如圖3所示，是BOOST拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)。當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓對(duì)電感L1提供能量進(jìn)行儲(chǔ)能，同時(shí)負(fù)載由電容Co來提供能量；當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，輸入電壓與電感L1通過二極管D1共同為負(fù)載提供能量，同時(shí)電容Co充電以補(bǔ)充在開關(guān)管導(dǎo)通期間損耗掉的能量。
輸入輸出傳遞函數(shù)如下：
Vo=Vin /(1-D)
(D是Q1開通時(shí)間和周期之比，即占空比)
可以看到，這種拓?fù)渲豢梢詫?shí)現(xiàn)升壓，輸入電流連續(xù)，輸出電流斬波，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是BUCK拓?fù)涞闹匦陆M合，可以簡(jiǎn)單理解為BUCK的反向應(yīng)用，它也是應(yīng)用非常廣泛的一類拓?fù)洌喝缰写蠊β蔄C-DC中的PFC電路、一些小功率備電應(yīng)用。
3. BUCK-BOOST拓?fù)?/p>
圖4. BUCK-BOOST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
如圖4所示，是BUCK-BOOST拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)。當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓對(duì)電感L1提供能量進(jìn)行儲(chǔ)能，同時(shí)負(fù)載由電容Co來提供能量；當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，電感L1通過二極管D1逆時(shí)針續(xù)流，同時(shí)為負(fù)載提供能量，電容Co充電以補(bǔ)充在開關(guān)管導(dǎo)通期間損耗掉的能量。
輸入輸出傳遞函數(shù)如下：
Vo=-Vin*D /(1-D)
(D是Q1開通時(shí)間和周期之比，即占空比)
可以看到，這種拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)升壓和降壓，但輸出和輸入極性相反，輸入電流和輸出電流均斬波，是BUCK拓?fù)涞牧硪环N組合，這一類拓?fù)淠壳皯?yīng)用不如前面兩種廣泛，但它的隔離變形衍生出的一種拓?fù)鋮s得到了廣泛應(yīng)用。
以上就是非隔離型電源的基本拓?fù)洌旅娼榻B隔離型的幾種主要拓?fù)洌?/p>
4. Flyback拓?fù)?/p>
圖5. Flyback拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
如圖5所示，是Flyback拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)。當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓對(duì)變壓器提供能量進(jìn)行儲(chǔ)能，同時(shí)負(fù)載由電容Co來提供能量，二級(jí)管D1反向偏置；當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時(shí)，變壓器通過二極管D1為負(fù)載提供能量，同時(shí)電容Co充電以補(bǔ)充在開關(guān)管導(dǎo)通期間損耗掉的能量。
輸入輸出傳遞函數(shù)如下：
Vo=D*Vin /[n*(1-D)]
(D即占空比；n為原副邊匝數(shù)比，n=np/ns)
可以看到，這種拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)升壓、降壓，輸出電壓極性也可正可負(fù)。應(yīng)用時(shí)，通過改變變壓器繞組匝數(shù)比來實(shí)現(xiàn)電壓變換比，可通過變壓器繞組極性調(diào)整輸出極性，還可以通過增加次級(jí)繞組實(shí)現(xiàn)多路輸出，使用非常靈活且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。因此，這種拓?fù)渌闶悄壳皯?yīng)用范圍最廣的一類隔離型拓?fù)渲?，如：筆記本適配器、手機(jī)充電器、PoE等應(yīng)用，但功率一般小于60W。
5. Forward拓?fù)?/p>
圖6. Forward拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
如圖6所示，是Forward拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，同名端相對(duì)于異名端為正，二極管D1正偏，二極管D2反偏，輸入功率通過變壓器經(jīng)過D1、L1給負(fù)載提供能量，同時(shí)給電容Co儲(chǔ)存能量;當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，輸入能量傳遞不到副邊，電感L1里面存儲(chǔ)的能量通過D2續(xù)流后傳送到負(fù)載。
輸入輸出傳遞函數(shù)如下：
Vo=D*Vin /n
(D即占空比；n為原副邊匝數(shù)比，n=np/ns)
可以看到，這種拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)升壓、降壓，輸出電壓極性可正可負(fù)（一般為正）。應(yīng)用時(shí)，通過改變變壓器繞組匝數(shù)比來實(shí)現(xiàn)電壓變換比，可通過變壓器繞組極性調(diào)整輸出極性，還可以通過增加次級(jí)繞組實(shí)現(xiàn)多路輸出，輸入電流為斬波，輸出電流連續(xù)；需要磁芯復(fù)位電路。相比于Flyback，F(xiàn)orward拓?fù)湟话銘?yīng)用稍大功率的應(yīng)用，如：POE供電、ATX電源等，功率一般在300W以內(nèi)。
6. Push-Pull拓?fù)?/p>
圖7. Push-Pull拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
如圖7所示，是Push-Pull拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)。Push-Pull變換器可以理解為由兩路正激電路并聯(lián)構(gòu)成。由于Push-Pull變換器原邊有兩個(gè)相差180度相位的繞組交換傳遞能量到副邊輸出級(jí)，所以副邊采用帶中間抽頭的雙繞組，并采用全波整流，可以去除在正激變換器中開關(guān)管關(guān)閉時(shí)，由儲(chǔ)能電感對(duì)外提供能量的周期，整個(gè)開關(guān)周期都有能量從原邊傳遞到副邊。
由于不需要儲(chǔ)能電感的續(xù)流功能，所以續(xù)流二極管也可以省略。即原邊輸入級(jí)采用兩路正激變換器的輸入級(jí)交錯(cuò)并聯(lián)，副邊合理的節(jié)省部分整流、濾波電路后，即派生出典型的推挽式開關(guān)電源變換器。
輸入輸出傳遞函數(shù)如下：
Vo=D*Vin /n
(D即占空比；n為原副邊匝數(shù)比，n=np1/ns1= np2/ns2)
可以看到，對(duì)于推挽式開關(guān)電源變換器，整個(gè)開關(guān)周期都有能量從輸入側(cè)傳遞到輸出測(cè)，沒有儲(chǔ)能電感續(xù)流供電過程，采用全波或橋式整流后，其輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)和電流的脈動(dòng)系數(shù)都很小，因此只需要很小的輸出濾波電感、電容，就可以得到電壓紋波與電流紋波都很小的輸出電壓，其輸出電壓特性非常好。這種拓?fù)浔粦?yīng)用于一些200W左右的低輸入電壓中小功率AC/DC及DC/AC電源模塊中。
7.Half-Bridge拓?fù)?/p>
圖8. Half-Bridge拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
如圖8所示，是Half-Bridge拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)。當(dāng)開關(guān)管Q2導(dǎo)通時(shí)，副邊線圈Ns1感應(yīng)到電壓，二極管D1正偏，二極管D2反偏，輸入功率通過變壓器經(jīng)過D1、L1給負(fù)載提供能量，同時(shí)給電容Co儲(chǔ)存能量；當(dāng)Q2、Q1開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，輸入能量傳遞不到副邊，電感L1里面存儲(chǔ)的能量通過D1、D2續(xù)流后傳送到負(fù)載；當(dāng)Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷，副邊線圈Ns2感應(yīng)到電壓，二極管D2正偏，二極管D1反偏，輸入功率通過變壓器經(jīng)過D2、L1給負(fù)載提供能量，同時(shí)給電容Co儲(chǔ)存能量。
輸入輸出傳遞函數(shù)如下：
Vo=D*Vin /（2*n）
(D即占空比；n為原副邊匝數(shù)比，n=np/ns1= np/ns2)
可以看到，這種拓?fù)渲袃蓚€(gè)開關(guān)Q1、Q2的驅(qū)動(dòng)不同相，交錯(cuò)調(diào)制輸出PWM控制信號(hào)；其開關(guān)管承受電壓為推挽式拓?fù)涞囊话耄╒in），電壓應(yīng)力較小，且繞組利用率優(yōu)于推挽式變換器。 半橋變換器適用于輸入電壓較高且中大輸出功率供電的場(chǎng)合，如：100~500W左右的AC/DC或DC/DC模塊電源。
8. Full-Bridge拓?fù)?/p>
圖9. Full-Bridge拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
如圖9所示，是Full-Bridge拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)。與Half-Bridge工作模式類似，只不過將分隔電容C1、C2替換為了開關(guān)管Q3、Q4。
輸入輸出傳遞函數(shù)如下：
Vo=D*Vin /n
(D即占空比；n為原副邊匝數(shù)比，n=np/ns1= np/ns2)
可以看到，這種拓?fù)渲袃蓚€(gè)開關(guān)Q1、Q3為一組，Q2、Q4為一組，控制器對(duì)兩組開關(guān)管分別進(jìn)行對(duì)角交錯(cuò)驅(qū)動(dòng)，輸出PWM調(diào)制信號(hào)；其開關(guān)管承受電壓為推挽式拓?fù)涞囊话耄╒in），電壓應(yīng)力較??；全波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此紋波頻率是變壓器頻率的兩倍，且繞組利用率優(yōu)于推挽式變換器；另外，給定功率下，初級(jí)電流為半橋式拓?fù)涞囊话搿?這種拓?fù)洳捎盟膫€(gè)開關(guān)管，因此成本較高，適合用在大功率（大于500W）的AC/DC或DC/DC電源模塊中。
以上就是目前常見的一些開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要以介紹總結(jié)為主，沒有詳細(xì)的定量運(yùn)算，因?yàn)榫屯負(fù)浔旧矶裕鋵?shí)是特別理論化的一個(gè)東西，想達(dá)到精通每一種拓?fù)湟膊⒎且资?。?duì)于工程師來說最重要的還是利用這些已經(jīng)成熟的拓?fù)淙轫?xiàng)目服務(wù)，應(yīng)用在項(xiàng)目中，以后的工作中慢慢積累豐富。能結(jié)合自己的專業(yè)，工作中精通其中三個(gè)主要拓?fù)湟呀?jīng)是很厲害了，特別是電源這類模擬電路，能寫在紙面上的內(nèi)容僅僅是冰山一角而已，更多的更寶貴的還是項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和解決問題的思路。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行??！