四，基本開關電源拓撲分析

對于開關電源拓撲來說：電感器、開關管和二極管之間的節點被稱為交換節點；電流從電感器流入節點后，既可以從二極管流出，也可以從開關管流出（取決于開關管狀態），所以節點處的電流在二極管和開關管之間交替流動，一直保持大電流，同時節點電壓也必然大范圍跳動（電感器兩端電壓跳變），可以看到其電壓是斬波式的。如下圖所示為BUCK-BOOST、BOOST和BUCK拓撲，紅色圈內為各個拓撲的交換節點；以BUCK-BOOST拓撲為例，在該節點上開關管的“導通”時節點的電壓為+12V，而開關管“關斷”時節點的電壓為-5.5V，所以該節點是電壓波形是范圍為12V和-5.5V的斬波。

——交換節點處天然形成一個電場天線（電壓跳變范圍大，電流大），會對四周造成射頻干擾（EMI），輸出電源電壓導線可能會接收到該輻射干擾并傳遞給負載端，造成噪聲干擾。

如上圖所示，開關電源的三種基本拓撲結構，其它所有開關電源拓撲都是基于這三種拓撲的改進、組合，但開關拓撲工作原理是一致的；我們只需要徹底掌握這三種基本電源拓撲，其它開關電源拓撲分析起來就會變得簡單：

1. 如下左圖所示，紅色框內MOS管替代續流二極管，變成同步BUCK電源拓撲結構（上下MOS管需要進行同步設計：一個MOS管“關斷”的同時另一個MOS管“導通”）；
2. 如下右圖所示，通過變壓器來替換電感器，變成反激式拓撲，同時還有推挽式、正極式，半橋、全橋電源拓撲等等；
3. 可以將BUCK、BOOST及BUCK-BOOST拓撲，兩兩組合級聯變成新種類電源拓撲：Cuk、Sepic和Zeta拓撲等。

1，三種基本拓撲

電源的輸入到輸出轉換拓撲電路，由開關管+電感器+二極管的串、并組合而成，單純從組合邏輯來說有n種（N>10），那為什么只有這三種是有效的電源拓撲呢？

我記得在《電阻器應用》章節中說起過“共地”和“浮地”的設計問題，一般接地設備的單板上所有地，不管是否在單板內部共地，最終都會連接到“大地”上，從而回流到“大地”；那為什么大家都要連到“大地”呢？因為地球是等勢體，所有設備只要連在“大地”上，那么兩個設備之間便共地了（接地其實并非如此簡單，后續《電磁兼容基礎》再詳細分析接地問題）。

——電網系統參考的“地”便是“大地”，所有電網系統電源輸出后需最終回流到“大地”。

那兩個設備之間相互“浮地”行不行？只要沒有電氣接觸（舉個栗子：用光纜連接）應該是可以的。但只要有電氣接觸，就可能存在兩個問題：

1. 兩個有不同參考地系統的信號，是無法相互識別和判斷的；

——只針對單端信號，差分信號AC耦合后，不受影響（共模電平接收端提供）；

2. 兩個信號線接觸瞬間可能產生浪涌電流，造成器件損壞，設計中注意浪涌保護。

說回電源拓撲，除了這BUCK，BOOST，BUCK-BOOST三種電源基本拓撲之外，部分拓撲結構的輸入和輸出之間沒有公共地（對于非隔離式拓撲，電源無法回流），即開關拓撲與系統的其它部分之間沒有合適的參考地。如下圖所示，以BUCK-BOOST拓撲電路的變種為例，在開關導通或關斷過程中，沒有一個共同的“地”始終將輸入端和輸出端連接在一起，導致電源回流中斷；所以對于BUCK-BOOST拓撲來說，必須將二極管和開關管放在電感器的同一邊，如上一節BUCK-BOOST結構圖所示。

——對于隔離式開關電源拓撲，由于采用了變壓器，所以回流是通過變壓器來實現的，輸入電源與輸出電源之間不需要公共地。

那再也找不出三種拓撲之外的有共地的拓撲了么？如下圖所示，不同電感器的連接方式，在設置合適地后，可得到三個不同的端點：輸入端、輸出端和地端。

1. 若電感器與輸出端相連，則得到BUCK拓撲電路；
2. 若電感器與輸入端相連，則得到BOOST拓撲電路；

——根據剛剛的分析，輸入或輸出端接電感器，那么輸入、輸出的回流地必然不能串接開關管或則二極管，那么開關管和二極管只能分別串接在輸出/輸入和地端；而除了BUCK和BOOST的電源拓撲結構外，我們組合電路后得到其它拓撲都是無效的；舉個栗子，如上圖BUCK拓撲中：如果將二極管串接在輸入端，開關管串接在地端，那么當開關管導通時，輸入端和地端短路，不是有效的拓撲結構。

3. 若電感器與地端相連，則得到BUCK-BOOST拓撲電路。

2，三種基本拓撲DC傳遞函數比較

伏秒定律是在電源穩態工作下，所有開關拓撲必須要滿足的定律。如果在電源穩態下不滿足伏秒定律：Von * ton = Voff * toff；那么我們從電感器公式VΔt = LΔI，可得LΔIon ≠ LΔIoff，那么電感器磁芯磁場強度將往一個方向偏，最終導致電感器磁芯飽和而損壞開關管或電感器本身。

同樣我們對于不同開關拓撲占空比的定義是一樣：開關管的“導通”時間Ton占開關周期T的比例，即D = Ton/T；如果對于連續模式來說T= Ton+Toff（不連續模式下：T > Ton+Toff）。如下圖所示，我們可以根據伏秒定律和占空比定義來推導不同拓撲結構的直流傳遞函數。

所以我們分別得到了理想情況下（不計算開關管、二極管、電感器等損耗）的三種基本電源拓撲的直流傳遞函數：

1. BUCK拓撲的直流傳遞函數：D = Vo/Vin；
2. BOOST拓撲的直流傳遞函數：D = (Vo-Vin)/Vo = 1 – Vin/Vo；
3. BUCK-BOOST拓撲的直流傳遞函數：D = Vo/(Vin+Vo) = 1 – Vin/(Vin+Vo)。

——我們通過直流傳遞函數，看到所有拓撲中當Vin輸入電壓不變時，隨Vo輸出電壓增加，占空比D變大；但是BOOST和BUCK-BOOST拓撲的占空比最大不能超過50%，。

那么我們得到了開關電源拓撲的直流傳遞函數又有啥用呢？我們在后續開關電源具體設計中詳細分解。

3，三種基本拓撲電流比較

三種基本拓撲各種電流之間的關系如下圖所示：IL為平均電感電流，Io為輸出電流，IIN為輸入電流，ISW為開關管電流，ID為二極管電流。

關于IL與Io的關系，需要注意的是：

1. 對于BUCK拓撲來說電感電流IL與輸出電流Io相同，原因是電感器是串在輸出端的，所有輸出電流均流過電感器提供；
2. 對于BOOST和BUCK-BOOST拓撲來說，電感電流IL則與輸出電流Io并不相同，甚至遠大于輸出電流（取決于其拓撲結構），這就要求BOOST和BUCK-BOOST拓撲中的電感器體積更大。

同理我們從得到的開關管電流ISW，二極管電流ID，輸入電流IIN、輸出電流Io的關系，可以分析對各器件的要求。