BOSHIDA電源模塊 電源基礎知識 基本開關變換拓撲

在最基本的拓撲形式中，開關變換技術將恒定的功率源轉換成一份份可控的能量單元，然后經過濾波將能量重新組合成穩定可用的輸出功率。這就是通常所說的DC/DC轉換器。我們可以用一對開關管 (二極管可以看作是一個帶極性控制的開關)和一個L-C濾波器來實現這個功能。但是，即便只有四個元件，這些元件以不同的方式或是在不同的位置連接，就可以構成多個拓撲結構，以滿足不同的性能要求(圖4.1 )。
第一種拓撲結構，降壓(Buck)電路:它是最常用的電路拓撲，這是有深層次原因的，由于電源在較高電壓下傳輸效率最高，所以大多數電源轉換過程都包括將輸人電壓降至校低的值。Buck 拓撲結構是一個step-down轉換器，因為其輸出電壓必須低于電路的輸入電壓才能工作。當其開關導通時，輸入電壓與輸出電壓之間形成降壓過程，傳輸的能量是VIN-VouT的函數。而其他兩個拓撲。需要將全部輸入能量傳遞到輸出，這樣其峰值電流要高此。因此降壓電路也是這三個基本電路中效率最高的。
開關管導通時間與開關周期的比定義為占空比（D).它是一個可以在0 （當開關管在整個周期內保持關斷狀態)到1.0(當開關管一直導通時 )之間變換的數字。因此，我們可以通過控制占空比，使降壓電路的輸出可以從零變化到VIN.但是作為穩壓器，我們需要保持恒定的VouT,這樣就需要對占空比進行控制，讓其不受VIN或其他電路參數變化的影響。
圖4.1的升壓( Boost)和反激式( Flyback )電路拓撲包含了相同的器件，但是它們由于連接位置不同而具有明顯不同的性能。Boost 轉換器與Buck轉換器最大的不同之處在于:輸出電壓必須大于輸人電壓才能工作。而Flyback電路則不受此限制，不需要考慮輸人和輸出電壓之間的關系，但是輸出電壓將與輸入極性相反。
Boost電路也被稱為step-up轉換器，而Flyback電路有時被稱為Back -Boost轉換器，因為它也可以實現任何形式的電壓轉換，但它非隔離的形式一般取作為極性反相器，不過 Flyback 的隔高結構更常用變壓器而不是電感器來實現，所以這樣允許輸出任何一種極性。
但是與Buck轉換器相比，Boost和Flyback電路還有一個明顯不同。 由于Buck電路中的電感是直接連接到輸出負載(以及輸出電容)，所以無論開關是關斷還是導通，電感電流都可以持續地流向輸出端。相比之下，Boost和Flyback的功率從輸入端傳輸到輸出端，需要通過兩步過程來實現，而電感則作為一個臨時儲能元件。
在這兩種電路中，當開關管導通時，輸入電流流入電感，能量儲存在其增加的磁場中，整流二極管截止，所以沒有電流流向負載。輸出電壓僅由輸出電容放電維持。當開關管斷開時，電感上的電壓極性反轉，電流流向輸出端，同時給輸出電容充電。這兩步過程產生更高的峰值電流，所以在大功率應用場合影響效率。

在這三種基本電路拓撲的應用中。 一般還要考慮如下幾個額外的特性：
開關管在Boost和Flyback電路中，是與輸入電壓源串聯，輸入電流會以開關頻率的速度被斬波(輸入電流不連續)，因此需要對輸入線路進行濾波，以盡量減少RFI噪聲的產生。
在Boost和Flyback電路中，當開關管導通時，整流二極管輸出濾波電容的充電電流，電容中的交流AC電流將會大大增加，輸出端可能會產生開關噪聲。
雖然Buck電路是效率最高的拓撲結構，但當降壓比大大超過10 : 1時，它會丟失掉高效率的優勢，因為低的占空比(窄脈沖)意味著更高的峰值電流。
三種基本拓撲結構都不具有高壓安全隔離功能，因此它們主要用于相對較低電壓的應用中。如: 電池供電的場合，或是離線式電源的副邊側。對于Boost電路，有一個最重要的應用是輸入功率因數校正電路，這將在后面的章節中介紹。

審核編輯黃宇