5种经典开关电源拓扑结构
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器 . t 压 i b 变 g 子 i b 电 . s 特 b b 比 / / 大 p: t t h
开关电源电路拓 坛 论 com 扑结构
目录
开关电源拓扑结构综述 � 开关电源分类 � 非隔离式拓扑举例 BUCK BOOST BUCK-BOOST � 隔离式拓扑举例 正激式 反激式
�
坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i b 电 . s 特 b b 比 / 大 p:/ t t h
IL就已经降为0，IL就会呈现断流的情形，为右侧图（ c）的 波形。
临界情况下的电路各点波形
坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i b 电 . s 特 b b 比 / / 大 : 从电路结构可以看出IL的平均值就是输出电流Io, ΔIL为IL在本周期内的最大 p t 变化值。 ht 观察上图的波形可以发现，当电流刚好处在临界状态时， 0.5 ΔIL=Io，分析
隔离式电路的类型
坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i b 电 . s 特 b b 比 / 大 p:/ t t h
非隔离式拓扑举例
坛 m 论 o � BUCK拓扑 c 器 . t 压 i � BOOST拓扑 b 变 g 子 i b � BUCK-BOOST 拓扑 电 . s 特 b b 比 / 大 p:/ t t h
入电压Ui串联迭加，通过整流二极管D继续向负载R提供能量，R 两端形成稳定电压输出Uo=Ui+El BOOST输出电压高于输入，是一个升压电路
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工作过程分析
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工作过程： 1、当K导通时→IL 线性增加，D截止此 时C向负载供电 2、当K关断时→Ul 和Ui串联，以高于 Uo的电压向C充电同 时向负载供电，此时 D导通,IL逐渐减小 若IL减小到0，则D 截止，只有C向负载 供电
电流连续与否是由0.5 ΔIL和 Io的大小关系决定的,调节占 空比D1或负载，有可能使 工作模式在CCM和DCM模 式之间发生转换。 值会增加。
BUCK电路的效率问题
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一般而言，BUCK电路的损耗可以分为导通状态下的直流损 耗和导通过程中的交流损耗。 其中直流损耗主要是指晶体管 T和二极管D在直流导通情况 下，自身压降同流过电流 的压降 交流损耗则主要集中在开关管 T上（不考虑二极管因为其通 断时间很短）。通常在开断过程中， T上的电流电压升降是 需要时间的，若电流电压同时上升下降并同时结束则交流损 耗最小，若电流变化结束电压才开始变化，则整个开断时间 最长损耗最大，效率也最低。 经过计算可得： E=1/（Po+Pdc+Pac）=Vo/(Vo+1+ K VsIoTn/Ts), K 是个变值
坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i b 电 . s 特 b b 比 / 大 p:/ t Biblioteka Baidu h
CCM模式下的电压增益
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τ>0.5D1(1-D1)(1-D1)时，IL连续,IL的上升部分为 ΔIL1=ViD1Ts/L,IL的下降部分为ΔIL2=-（Vo-Vi） D2Ts/L， D1是K闭合，D导通的时间Ton占总周期Ts的比例， D2是K关断，D截止的时间Toff占总周期Ts的比例 由以上两式相等可以得到电压增益M=Vo/Vi=1/(1D1)，此时D1+D2=1 由此处可知BOOST电路是一种升压电路，输入小于 输出
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坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i b 电 . s 特 b b M/ = = 比 Vs 8τ / 大 : 1+ 1+ p L 2 t D 1 τ = RTs ht
临界情况下，M的计算用以上 两种模式下任一种都可以， 这里就不做分析了。
坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i b 电 . s 特 CCM模式下，电压增益 M 就是 b b 比 / 占空比D1， / 大 : DCM模式下，电压增益 M和占 p t 空比D1则呈现非线性关系。 t h 总体上来看，随着D1的增大M
开关电源拓扑结构综述
坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i � 开关电源主要包括主回路和控制回路两大部分 b 电 . s � 主回路是指开关电源中功率电流流经的通路。主回 特 b b 比 / 路一般包含了开关电源中的开关器件、储能器件、 / 大 : p 脉冲变压器、滤波器、输出整流器、等所有功率器 t 件，以及供电输入端和负载端。 ht
坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i b 电 . s 特 b b 比 / 大 p:/ t t h
CCM,DCM
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由工作过程分析可以得 知，IL可能会出现断流的 情况。 通常我们把电流连续的模 式称为CCM模式，电流断 续的模式称为DCM模式。 当然也有两者之间的临界 情况BCM模式 下面就将按照以上三种模 式对电路做具体的分析。 注意：Uo,Io作为输出电压 电流，均认为是稳定的直 流量。
坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i b 电 . s 特 b b 比 / 大 p:/ t t h
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隔离——输入端与输出端电气不相通，通过脉冲变压器的 磁偶合方式传递能量，输入输出完全电气隔离 单端——通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器； 隔离室电路主要分为正激式和反激式两种 正激式：就是只有在开关管导通的时候，能量才通过变压 器或电感向负载释放，当开关关闭的时候，就停止向负载 释放能量。目前属于这种模式的开关电源有：串联式开关 电源，buck拓扑结构开关电源，激式变压器开关电源、推 免式、半桥式、全桥式都属于正激式模式。 反激式：就是在开关管导通的时候存储能量，只有在开关 管关断的时候释放才向负载释放能量。属于这种模式的开 关电源有：并联式开关电源、 boots、极性反转型变换器、 反激式变压器开关电源。
0
电流连续时τ>L/RTs ，
∆ il 2 =
t2 t1
∆il1 = ∫
t1
Vi − Vo Vi − Vo Vi − Vo dt = t1 = D1Ts (1式) L L L
Vo Vo Vo dt = ( t 2 − t 1) = D 2 Ts ( 2 式 ) L L L
电压增益比M（DCM）
Τ<L/RTs,同CCM模式相似，同样可以由1式2式相 等，得到M=Vo/Vs=D1/(D1+D2)，此时D1+D2<1。 � 又有Io是IL在Ts内的平均值，即IL等腰三角形面积 在Ts时间内的平均值，并且等于Vo/R.固有 Io=[0.5(D1+D2)Ts(Vs-Vo)D1Ts/L]/Ts=Vo/R,两式联 , 合可以解得 2 Vo
若IL值继续减小直至 0，则D关断，只有 C向负载放电，直 到下次周期开始
电感电流连续的临界条件
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同BUCK电路相似，也可以从 电压图形中分析出 BOOST电路 临界（BCM）的条件，即当 IL 的平均值就是输出电流 Is, ΔIL 为IL在本周期内的最大变化值。 观察上图的波形可以发现，当 电流刚好处在临界状态时， 0.5 ΔIL=Io，分析化简之后可以等 效为，τ=0.5D1(1-D1)(1-D1) τ=L/RTs τ>0.5D1(1-D1)(1-D1)时，Io 处在连续的状态。 Τ<0.5D1(1-D1)(1-D1) 时，Io 则会出现断流的情况。
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BUCK拓扑的精简模型
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坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i 上图是简化之后的BUCK电路主回路。下面分析输出电压的产生 b 电 1、K闭合后，D关断，电流流经 L， L是储能滤波电感，它的作用是在 . s K接通Ton期间限制大电流通过，防止输入电压 Ui直接加到负载R上， 特 b b 对R进行电压冲击，同时把电感电流 IL转化成磁能进行能量存储；与R 比 / 并联的C是储能滤波电容，如此 R两端的电压在Ton期间是稳定的直流 / : 电压 大 p 2、在K关断期间 Toff，L将产生反电动势，流过电流IL由反电动势eL t t 的正极流出，通过负载 R，再经过续流二极管D，最后回到反电动势 h eL的负极。由于C的储能稳压，Toff阶段的输出电压Uo也是稳定的直
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控制回路一般采用PWM控制方式，通过输出信号 和基准的比较来控制主回路中的开关器件
开关电源分类
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开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。 非隔离——输入端与输出端电气相通，没有隔离。 1、串联式结构是指在主回路中，相对于输入端而言，开 关器件与输出端负载成并联连接的关系。例如 buck拓扑型 开关电源就是属于串联式的开关电源 2、并联式结构是指在主回路中，相对于输入端而言，开 关器件与输出端负载成并联连接的关系。例如 boost拓扑 型开关电源就是属于串联式的开关电源 3、极性反转结构是指输出电压与输入电压的极性相反。 电路的基本结构特征是：在主回路中，相对于输入端而 言，电感器L与负载成并联。 Buck-boost拓扑就是反极性 开关电源
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CCM，DCM模式下的各点电压
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坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i b 电 . s 特 b b 比 / 大 p:/ t IL线性下降，若周期结束即 K导通瞬间IL不等 在K关断期间， t h 于0，则IL呈现左侧图(c)中的波形，电流连续。若 K导通之前
BUCK降压电路
�
坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i b 电 . s 特 b b 比 / / BUCK电路的经典模型。晶体管，二极管， 上图是 大 : p 电感，电容和负载构成了主回路，下方的控制回路 t t h 一般采用PWM芯片控制占空比决定晶体管的通断。
BUCK电路的功能：把直流电压Ui转换成直流电压 Uo，实现降压的目的
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BOOST拓扑
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坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i 稳定电压输出的形成： b 电 . L的电流iL开始增加，同时电流 当K接通时，Ui开始对L充电，流过 s 特 b 在L中也要产生反电动势eLb ，C向R放电，形成稳定电压Uo 比 / 当K由接通转为关断的时候，为了保持励磁不变， L也会产生反电 / 大 K关断前的方向相反，但与电 动势eL 。eL反电动势的方向与开关 : p 流的方向相同,在控制开关 K两端的输出电压uo等于输入电压Ui与 t t 反电动势eL之和。 h 在开关关断Toff期间，K关断，L把电流iLm转化成反电动势，与输
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CCM和DCM模式下的各点电压
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坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i b 电 . s 特 b b 比 / / BOOST 由上可知 电路也会出现电感电流断续的情况，即 大 : p DCM 也有CCM 和 两种模式，各点电压分别如左右所示 t t IL值逐渐减小到Io，则C和L同时向负载放 在DCM模式下若 h 电，
流电压 K闭合时，L两端有压降，意味着Uo<Ui, BUCK电路一定是降压电路
工作过程分析
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工作过程：1、当K导通时 →IL线性增加，D1截止→ 此时IL和C向负载供电 当IL＞ Io时，IL向 C充电也向负载供电 2、当K关断时→L通 过D1形成续流回路， IL向C充电也向负 载供电→当 IL﹤Io时，L 和C同时向负载供电。 若IL减小到0,则D 关断，只有C向负载供电
化简之后可以等效为τ=（1-D1）/2， τ=L/RTs 0.5ΔIL<Io时，即τ>（1-D1）/2 ，Io处在连续的状态。 0.5ΔIL>Io时，即τ<（1-D1）/2 ， Io则会出现断流的情况。
电压增益比M(CCM)
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坛 m ∫ 论 o c ， 器 . t 压 i （通常定义D1为K导通D关断的时段0到T1占 Ts的比例，D2为K b 变 关断D导通的时段 T1到T2占Ts 的比例） g 子 i b 此时D1+D2=1。 电 . s 特 b b 比 / / 1式2式相等，可以得到 大 p: M=Vo/Vs=D1, t t h 电路是一种降压电路，输出小于输入 由此处可知 BUCK
开关电源电路拓 坛 论 com 扑结构
目录
开关电源拓扑结构综述 � 开关电源分类 � 非隔离式拓扑举例 BUCK BOOST BUCK-BOOST � 隔离式拓扑举例 正激式 反激式
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IL就已经降为0，IL就会呈现断流的情形，为右侧图（ c）的 波形。
临界情况下的电路各点波形
坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i b 电 . s 特 b b 比 / / 大 : 从电路结构可以看出IL的平均值就是输出电流Io, ΔIL为IL在本周期内的最大 p t 变化值。 ht 观察上图的波形可以发现，当电流刚好处在临界状态时， 0.5 ΔIL=Io，分析
隔离式电路的类型
坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i b 电 . s 特 b b 比 / 大 p:/ t t h
非隔离式拓扑举例
坛 m 论 o � BUCK拓扑 c 器 . t 压 i � BOOST拓扑 b 变 g 子 i b � BUCK-BOOST 拓扑 电 . s 特 b b 比 / 大 p:/ t t h
入电压Ui串联迭加，通过整流二极管D继续向负载R提供能量，R 两端形成稳定电压输出Uo=Ui+El BOOST输出电压高于输入，是一个升压电路
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工作过程分析
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工作过程： 1、当K导通时→IL 线性增加，D截止此 时C向负载供电 2、当K关断时→Ul 和Ui串联，以高于 Uo的电压向C充电同 时向负载供电，此时 D导通,IL逐渐减小 若IL减小到0，则D 截止，只有C向负载 供电
电流连续与否是由0.5 ΔIL和 Io的大小关系决定的,调节占 空比D1或负载，有可能使 工作模式在CCM和DCM模 式之间发生转换。 值会增加。
BUCK电路的效率问题
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一般而言，BUCK电路的损耗可以分为导通状态下的直流损 耗和导通过程中的交流损耗。 其中直流损耗主要是指晶体管 T和二极管D在直流导通情况 下，自身压降同流过电流 的压降 交流损耗则主要集中在开关管 T上（不考虑二极管因为其通 断时间很短）。通常在开断过程中， T上的电流电压升降是 需要时间的，若电流电压同时上升下降并同时结束则交流损 耗最小，若电流变化结束电压才开始变化，则整个开断时间 最长损耗最大，效率也最低。 经过计算可得： E=1/（Po+Pdc+Pac）=Vo/(Vo+1+ K VsIoTn/Ts), K 是个变值
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CCM模式下的电压增益
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τ>0.5D1(1-D1)(1-D1)时，IL连续,IL的上升部分为 ΔIL1=ViD1Ts/L,IL的下降部分为ΔIL2=-（Vo-Vi） D2Ts/L， D1是K闭合，D导通的时间Ton占总周期Ts的比例， D2是K关断，D截止的时间Toff占总周期Ts的比例 由以上两式相等可以得到电压增益M=Vo/Vi=1/(1D1)，此时D1+D2=1 由此处可知BOOST电路是一种升压电路，输入小于 输出
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坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i b 电 . s 特 b b M/ = = 比 Vs 8τ / 大 : 1+ 1+ p L 2 t D 1 τ = RTs ht
临界情况下，M的计算用以上 两种模式下任一种都可以， 这里就不做分析了。
坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i b 电 . s 特 CCM模式下，电压增益 M 就是 b b 比 / 占空比D1， / 大 : DCM模式下，电压增益 M和占 p t 空比D1则呈现非线性关系。 t h 总体上来看，随着D1的增大M
开关电源拓扑结构综述
坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i � 开关电源主要包括主回路和控制回路两大部分 b 电 . s � 主回路是指开关电源中功率电流流经的通路。主回 特 b b 比 / 路一般包含了开关电源中的开关器件、储能器件、 / 大 : p 脉冲变压器、滤波器、输出整流器、等所有功率器 t 件，以及供电输入端和负载端。 ht
坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i b 电 . s 特 b b 比 / 大 p:/ t t h
CCM,DCM
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由工作过程分析可以得 知，IL可能会出现断流的 情况。 通常我们把电流连续的模 式称为CCM模式，电流断 续的模式称为DCM模式。 当然也有两者之间的临界 情况BCM模式 下面就将按照以上三种模 式对电路做具体的分析。 注意：Uo,Io作为输出电压 电流，均认为是稳定的直 流量。
坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i b 电 . s 特 b b 比 / 大 p:/ t t h
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隔离——输入端与输出端电气不相通，通过脉冲变压器的 磁偶合方式传递能量，输入输出完全电气隔离 单端——通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器； 隔离室电路主要分为正激式和反激式两种 正激式：就是只有在开关管导通的时候，能量才通过变压 器或电感向负载释放，当开关关闭的时候，就停止向负载 释放能量。目前属于这种模式的开关电源有：串联式开关 电源，buck拓扑结构开关电源，激式变压器开关电源、推 免式、半桥式、全桥式都属于正激式模式。 反激式：就是在开关管导通的时候存储能量，只有在开关 管关断的时候释放才向负载释放能量。属于这种模式的开 关电源有：并联式开关电源、 boots、极性反转型变换器、 反激式变压器开关电源。
0
电流连续时τ>L/RTs ，
∆ il 2 =
t2 t1
∆il1 = ∫
t1
Vi − Vo Vi − Vo Vi − Vo dt = t1 = D1Ts (1式) L L L
Vo Vo Vo dt = ( t 2 − t 1) = D 2 Ts ( 2 式 ) L L L
电压增益比M（DCM）
Τ<L/RTs,同CCM模式相似，同样可以由1式2式相 等，得到M=Vo/Vs=D1/(D1+D2)，此时D1+D2<1。 � 又有Io是IL在Ts内的平均值，即IL等腰三角形面积 在Ts时间内的平均值，并且等于Vo/R.固有 Io=[0.5(D1+D2)Ts(Vs-Vo)D1Ts/L]/Ts=Vo/R,两式联 , 合可以解得 2 Vo
若IL值继续减小直至 0，则D关断，只有 C向负载放电，直 到下次周期开始
电感电流连续的临界条件
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同BUCK电路相似，也可以从 电压图形中分析出 BOOST电路 临界（BCM）的条件，即当 IL 的平均值就是输出电流 Is, ΔIL 为IL在本周期内的最大变化值。 观察上图的波形可以发现，当 电流刚好处在临界状态时， 0.5 ΔIL=Io，分析化简之后可以等 效为，τ=0.5D1(1-D1)(1-D1) τ=L/RTs τ>0.5D1(1-D1)(1-D1)时，Io 处在连续的状态。 Τ<0.5D1(1-D1)(1-D1) 时，Io 则会出现断流的情况。
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BUCK拓扑的精简模型
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坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i 上图是简化之后的BUCK电路主回路。下面分析输出电压的产生 b 电 1、K闭合后，D关断，电流流经 L， L是储能滤波电感，它的作用是在 . s K接通Ton期间限制大电流通过，防止输入电压 Ui直接加到负载R上， 特 b b 对R进行电压冲击，同时把电感电流 IL转化成磁能进行能量存储；与R 比 / 并联的C是储能滤波电容，如此 R两端的电压在Ton期间是稳定的直流 / : 电压 大 p 2、在K关断期间 Toff，L将产生反电动势，流过电流IL由反电动势eL t t 的正极流出，通过负载 R，再经过续流二极管D，最后回到反电动势 h eL的负极。由于C的储能稳压，Toff阶段的输出电压Uo也是稳定的直
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控制回路一般采用PWM控制方式，通过输出信号 和基准的比较来控制主回路中的开关器件
开关电源分类
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开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。 非隔离——输入端与输出端电气相通，没有隔离。 1、串联式结构是指在主回路中，相对于输入端而言，开 关器件与输出端负载成并联连接的关系。例如 buck拓扑型 开关电源就是属于串联式的开关电源 2、并联式结构是指在主回路中，相对于输入端而言，开 关器件与输出端负载成并联连接的关系。例如 boost拓扑 型开关电源就是属于串联式的开关电源 3、极性反转结构是指输出电压与输入电压的极性相反。 电路的基本结构特征是：在主回路中，相对于输入端而 言，电感器L与负载成并联。 Buck-boost拓扑就是反极性 开关电源
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CCM，DCM模式下的各点电压
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坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i b 电 . s 特 b b 比 / 大 p:/ t IL线性下降，若周期结束即 K导通瞬间IL不等 在K关断期间， t h 于0，则IL呈现左侧图(c)中的波形，电流连续。若 K导通之前
BUCK降压电路
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坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i b 电 . s 特 b b 比 / / BUCK电路的经典模型。晶体管，二极管， 上图是 大 : p 电感，电容和负载构成了主回路，下方的控制回路 t t h 一般采用PWM芯片控制占空比决定晶体管的通断。
BUCK电路的功能：把直流电压Ui转换成直流电压 Uo，实现降压的目的
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BOOST拓扑
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坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i 稳定电压输出的形成： b 电 . L的电流iL开始增加，同时电流 当K接通时，Ui开始对L充电，流过 s 特 b 在L中也要产生反电动势eLb ，C向R放电，形成稳定电压Uo 比 / 当K由接通转为关断的时候，为了保持励磁不变， L也会产生反电 / 大 K关断前的方向相反，但与电 动势eL 。eL反电动势的方向与开关 : p 流的方向相同,在控制开关 K两端的输出电压uo等于输入电压Ui与 t t 反电动势eL之和。 h 在开关关断Toff期间，K关断，L把电流iLm转化成反电动势，与输
坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i b 电 . s 特 b b 比 / 大 p:/ t t h
CCM和DCM模式下的各点电压
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坛 m 论 o c 器 . t 压 i b 变 g 子 i b 电 . s 特 b b 比 / / BOOST 由上可知 电路也会出现电感电流断续的情况，即 大 : p DCM 也有CCM 和 两种模式，各点电压分别如左右所示 t t IL值逐渐减小到Io，则C和L同时向负载放 在DCM模式下若 h 电，
流电压 K闭合时，L两端有压降，意味着Uo<Ui, BUCK电路一定是降压电路
工作过程分析
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工作过程：1、当K导通时 →IL线性增加，D1截止→ 此时IL和C向负载供电 当IL＞ Io时，IL向 C充电也向负载供电 2、当K关断时→L通 过D1形成续流回路， IL向C充电也向负 载供电→当 IL﹤Io时，L 和C同时向负载供电。 若IL减小到0,则D 关断，只有C向负载供电
化简之后可以等效为τ=（1-D1）/2， τ=L/RTs 0.5ΔIL<Io时，即τ>（1-D1）/2 ，Io处在连续的状态。 0.5ΔIL>Io时，即τ<（1-D1）/2 ， Io则会出现断流的情况。
电压增益比M(CCM)
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坛 m ∫ 论 o c ， 器 . t 压 i （通常定义D1为K导通D关断的时段0到T1占 Ts的比例，D2为K b 变 关断D导通的时段 T1到T2占Ts 的比例） g 子 i b 此时D1+D2=1。 电 . s 特 b b 比 / / 1式2式相等，可以得到 大 p: M=Vo/Vs=D1, t t h 电路是一种降压电路，输出小于输入 由此处可知 BUCK