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1、 摘要 開關電源已經深入到國民經濟的各個行業當中，設計師或是自行設計電源或是購買電源模塊，但是這些電源都離不開電源的各種電路拓撲。本文先介紹了開關電源的三大基礎拓撲：Buck、Boost、Buck-Boost，并就這三者拓撲之間進行了簡單地組合，得到了非常巧妙的電路，例如：正負輸出電源、雙向電源等，能夠滿足諸如運放供電、電池充放電等某些特殊的需求。 2、 開關電源基礎拓撲 開關電源三大基礎拓撲為：Buck、Boost、Buck-Boost，大部分開關電源都是采用這幾種基礎拓撲或者其對應的隔離方式，下面以電感連續模式進行簡單介紹。 2.1 Buck降壓型 Buck降壓型電路拓撲，有時又稱為Step-down電路，其典型的電路結構如下圖1所示： Buck電路的工作原理為： 當PWM驅動高電平使得NMOS管T導通的時候，忽略MOS管的導通壓降，等效如圖2，電感電流呈線性上升，MOS導通時電感正向伏秒為： 當PWM驅動低電平的時候，MOS管截止，電感電流不能突變，經過續流二極管形成回路(忽略二極管電壓)，給輸出負載供電，此時電感電流下降，如下圖3所示，MOS截止時電感反向伏秒為： D為占空比，0 2.2 Boost升壓型 Boost升壓型電路拓撲，有時又稱為step-up電路，其典型的電路結構如下圖4所示： 同樣地，根據Buck電路的分析方式，Boost電路的工作原理為： 0 2.3 Buck-Boost極性反轉升降壓型 Buck-Boost電路拓撲，有時又稱為Inverting，其典型的電路結構如下圖5所示： 同樣地，根據Buck電路的分析方式，Buck-Boost電路的工作原理為： 3、 Buck與Buck-Boost組合 金升陽K78系列的產品采用了Buck降壓型的電路結構進行設計，是LM78XX系列三端線性穩壓器的理想替代品，效率最高可達96%，不需要額外增加散熱片，同時還兼有短路保護和過熱保護，值得說明的是它能夠完美支持負輸出。 上面提到金升陽K78系列產品可以支持負輸出，這是怎么做到的呢? 從上面Buck電路以及Buck-Boost電路結構原理來看，主要的區別是兩者二極管與功率電感的位置互換。因此，若將Buck電路的輸出Vo引腳接成輸入的GND，而之前的輸入GND就變成了負電壓輸出了，即變成了Buck-Boost的電路結構。對應到金升陽K78xx-500R2系列的產品就變成了如下圖6所示的負輸出。 因此，用2只K7812-500R2的產品，實現BUCK與BUCK-BOOST電路相結合，可以得到±12V輸出，低的紋波和噪聲可以給運放進行供電。 需要值得注意的是，由于BUCK-BOOST電路在啟動電流會比BUCK電路大一些，所以會在BUCK-BOOST電壓輸入端加一些緩沖類的器件。 4、 Buck與Boost組合 Buck與Boost兩者相結合，會得到什么樣的電路和應用呢?根據不同的控制，可以讓電源從高壓降到低壓，也可以將低壓升到高壓，可以稱之為雙向DC-DC變換器之一，典型的應用電路如下圖： DC-DC雙向變換器目前主要應用在各大充放電系統中，隨著儲能器件的發展得到了廣泛地應用，主要的行業在汽車電子，電梯節能系統等應用行業。 當T2管截止時，T1管與D1、L等器件構成了Buck型降壓電路，可以實現對后級的負載進行供電;反之，當T1管截止，T2管與D2二極管、L等器件構成了Boost升壓電路，對前端電源進行能量補充。目前對T1和T2管的控制以模擬方式控制相對還是比較困難，均是以數字控制方式為主。 下面是將超級電容運用到電梯能量回收系統中，將電機的能量在超級電容和直流母線之間進行相互傳遞，降低了能源的損耗。 由于超級電容充放電電流比較大，普通的功率MOS管已經不適合使用，通常用IGBT來替代，而IGBT驅動在導通和關斷的響應速度上，驅動電源選擇+15V和-9V將會是比較理想的，一方面+15V能夠完全提供正向驅動的電壓，另一方面-9V又能夠加速IGBT的關斷。而QP12W05S-37是個不錯的選擇。 5、 總結 基本電源拓撲結構中Buck降壓型應用最多，但是各個基礎拓撲組合使用，可以解決很多類似于正負電源供電以及雙向電源應用方面的問題。總之電源基礎拓撲結構雖老，但是實際應用卻可以千變萬化。 6、 參考文獻 《開關電源的原理與設計》(修訂版) 張占松 蔡宣三; 《開關電源功率變換器拓撲與設計》 張興柱; 《精通開關電源設計》(第2版) 【美】馬尼克塔 著 王健強 等譯 |
