最详细的5种开关电源拓扑结构
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开关电源电路拓 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
开关电源拓扑结构综述
开关电源主要包括主回路和控制回路两大部分 主回路是指开关电源中功率电流流经的通路。主 回路一般包含了开关电源中的开关器件、储能器 件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器、等所有 功率器件，以及供电输入端和负载端。 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
BUCK拓扑的精简模型
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 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 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， 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 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 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 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 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 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
τ =L/RTs
电压增益比M分析
电路的工作模式是由 τ=L/RTs同D1代数关系式 0.5D1(1-D1)(1-D1)相对大 小决定的，两者的关系见 右上图。 由图形关系可以看出，当 τ>0.074时，无论D1如何变 化都工作在连续区域。当 τ<0.074时，D1在某一区间 内不连续状态，除此为连 续状态 CCM和DCM模式下的增益 比M同D1的关系见右下图
供能模式问题
下面谈一谈BOOST电路 的供能模式问题，当K闭 合的时候，是由C向负载 供电的，而当K断开时， 情况就比较复杂了，可以 分为CISM完全电感供能 模式和IISM不完全电感供 能模式 当电路在DCM下，K打开 一定不是完全由电感供能， 即IISM.当IL小于Io时，L 和C同时向R供电，当IL断 流为0时，更是只由C向R 供电
电感电流连续的临界条件
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。
CCM模式下的电压增益
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断开，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
Vo Vo Vo dt (t 2 t1) D 2Ts (2式) L L L
1式2式相等，可以得到M=Vo/Vs=D1,
由此处可知BUCK电路是一种降压电路，输出小于输入
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 , Vo 2
BUCK工作过程分 析
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
CCM,DCM
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。
DCM模式下的百度文库压增益比
τ <0.5D1(1-D1)(1-D1)时，IL不连续,同样利用IL的 上升部分同下降部分相等可以得到电压增益M= （D1+D2）/D2 此时D1+D2<1，又有IL在Ts内的平均值是 Is,Is=Vs(D1+D2)D1Ts/2L=MIo. 从以上两式可以得到
1 1 2D12 / D1 M 0.5 2 2
CCM模式下的供能
在CCM模式下，情况则比 较复杂，若Io小于IL的最小 值，则K断开之后，L始终 是向C和R同时供电，即处 于CISM状态下 若Io大于IL的最小值，即与 IL有交点，则当IL下降到Io 以下，C开始放电，L和C 同时向R供能。 核心在于IL和Io大小关系
BUCK-BOOST拓扑
BOOST拓扑
稳定电压输出的形成： 当K接通时，Ui开始对L充电，流过L的电流iL开始增加，同时电流 在L中也要产生反电动势eL，C向R放电，形成稳定电压Uo 当K由接通转为断开的时候，为了保持励磁不变，L也会产生反电 动势eL。eL反电动势的方向与开关K断开前的方向相反，但与电 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 反电动势eL之和。 在开关断开Toff期间，K断开，L把电流iLm转化成反电动势，与输 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
上图是BUCK-BOOST拓扑的精简模型 输出电压的产生： 当K接通的时候，Ui开始对L加电，流过L的电流开始增加， 同时电流在L中也要产生磁场； 当K由接通转为断开的时候，L会产生反电动势，使电流 继续流动，并通过整流二极管D进行整流，再经C储能滤 波，然后向负载R提供电流输出。 控制开关K不断地反复接通和关断过程，在负载R上就可 以得到一个负极性的电压输出。 BUCK-BOOST输出的是一个反极性的电压
电压增益比M(CCM)
电流连续时τ>L/RTs ，
il 2
t2 t1
il1
t1
0
Vi Vo Vi Vo Vi Vo dt t1 D1Ts(1式) L L L
， （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 关断D导通的时段T1到T2占Ts的比例） 此时D1+D2=1。
工作过程分析
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断开时→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
CCM和DCM模式下的各点电压
由上可知BOOST电路也会出现电感电流断续的情况，即 也有CCM 和DCM两种模式，各点电压分别如左右所示 在DCM模式下若IL值逐渐减小到Io，则C和L同时向负载放 电， 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
隔离式电路的类型
非隔离式拓扑举例
BUCK拓扑 BOOST拓扑 BUCK-BOOST拓扑
BUCK降压电路
上图是BUCK电路的经典模型。晶体管，二极管， 电感，电容和负载构成了主回路，下方的控制回路 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
工作过程分析
1、当K导通时→IL线性 增加， D1截止此时C向 负载供电 2、当K截止时→ D1导 通,L通过D、 C形成续流 回路，向C充电，向R供 电 IL小于Io后，C也开始放 电 若IL降为0,则只有C对负 载R放电
电流连续相关的各种工作模式
从上面的分析可以看到BUCK-BOOST电路L上的电 流可能会断续，也会出现CCM,DCM,BCM三种工作 模式，下图就是三种模式下的信号波形图，依次是 BCM,DCM,CCM
BUCK电路的效率问题
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
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。
M
Vs
L RTs
1 1
8 D1 2
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。
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。 CCM模式下，电压增益M就是 占空比D1， DCM模式下，电压增益M和占 空比D1则呈现非线性关系。 总体上来看，随着D1的增大M 值会增加。
开关电源分类
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串联连接的关系。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
CCM，DCM模式下的各点电压
在K断开期间，IL线性下降，若周期结束即K导通瞬间IL不等 于0，则IL呈现左侧图(c)中的波形，电流连续。若K导通之前 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
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 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=（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。
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
开关电源拓扑结构综述
开关电源主要包括主回路和控制回路两大部分 主回路是指开关电源中功率电流流经的通路。主 回路一般包含了开关电源中的开关器件、储能器 件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器、等所有 功率器件，以及供电输入端和负载端。 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
BUCK拓扑的精简模型
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 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 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， 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 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 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 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 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 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
τ =L/RTs
电压增益比M分析
电路的工作模式是由 τ=L/RTs同D1代数关系式 0.5D1(1-D1)(1-D1)相对大 小决定的，两者的关系见 右上图。 由图形关系可以看出，当 τ>0.074时，无论D1如何变 化都工作在连续区域。当 τ<0.074时，D1在某一区间 内不连续状态，除此为连 续状态 CCM和DCM模式下的增益 比M同D1的关系见右下图
供能模式问题
下面谈一谈BOOST电路 的供能模式问题，当K闭 合的时候，是由C向负载 供电的，而当K断开时， 情况就比较复杂了，可以 分为CISM完全电感供能 模式和IISM不完全电感供 能模式 当电路在DCM下，K打开 一定不是完全由电感供能， 即IISM.当IL小于Io时，L 和C同时向R供电，当IL断 流为0时，更是只由C向R 供电
电感电流连续的临界条件
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。
CCM模式下的电压增益
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断开，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
Vo Vo Vo dt (t 2 t1) D 2Ts (2式) L L L
1式2式相等，可以得到M=Vo/Vs=D1,
由此处可知BUCK电路是一种降压电路，输出小于输入
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 , Vo 2
BUCK工作过程分 析
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
CCM,DCM
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。
DCM模式下的百度文库压增益比
τ <0.5D1(1-D1)(1-D1)时，IL不连续,同样利用IL的 上升部分同下降部分相等可以得到电压增益M= （D1+D2）/D2 此时D1+D2<1，又有IL在Ts内的平均值是 Is,Is=Vs(D1+D2)D1Ts/2L=MIo. 从以上两式可以得到
1 1 2D12 / D1 M 0.5 2 2
CCM模式下的供能
在CCM模式下，情况则比 较复杂，若Io小于IL的最小 值，则K断开之后，L始终 是向C和R同时供电，即处 于CISM状态下 若Io大于IL的最小值，即与 IL有交点，则当IL下降到Io 以下，C开始放电，L和C 同时向R供能。 核心在于IL和Io大小关系
BUCK-BOOST拓扑
BOOST拓扑
稳定电压输出的形成： 当K接通时，Ui开始对L充电，流过L的电流iL开始增加，同时电流 在L中也要产生反电动势eL，C向R放电，形成稳定电压Uo 当K由接通转为断开的时候，为了保持励磁不变，L也会产生反电 动势eL。eL反电动势的方向与开关K断开前的方向相反，但与电 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 反电动势eL之和。 在开关断开Toff期间，K断开，L把电流iLm转化成反电动势，与输 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
上图是BUCK-BOOST拓扑的精简模型 输出电压的产生： 当K接通的时候，Ui开始对L加电，流过L的电流开始增加， 同时电流在L中也要产生磁场； 当K由接通转为断开的时候，L会产生反电动势，使电流 继续流动，并通过整流二极管D进行整流，再经C储能滤 波，然后向负载R提供电流输出。 控制开关K不断地反复接通和关断过程，在负载R上就可 以得到一个负极性的电压输出。 BUCK-BOOST输出的是一个反极性的电压
电压增益比M(CCM)
电流连续时τ>L/RTs ，
il 2
t2 t1
il1
t1
0
Vi Vo Vi Vo Vi Vo dt t1 D1Ts(1式) L L L
， （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 关断D导通的时段T1到T2占Ts的比例） 此时D1+D2=1。
工作过程分析
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断开时→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
CCM和DCM模式下的各点电压
由上可知BOOST电路也会出现电感电流断续的情况，即 也有CCM 和DCM两种模式，各点电压分别如左右所示 在DCM模式下若IL值逐渐减小到Io，则C和L同时向负载放 电， 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
隔离式电路的类型
非隔离式拓扑举例
BUCK拓扑 BOOST拓扑 BUCK-BOOST拓扑
BUCK降压电路
上图是BUCK电路的经典模型。晶体管，二极管， 电感，电容和负载构成了主回路，下方的控制回路 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
工作过程分析
1、当K导通时→IL线性 增加， D1截止此时C向 负载供电 2、当K截止时→ D1导 通,L通过D、 C形成续流 回路，向C充电，向R供 电 IL小于Io后，C也开始放 电 若IL降为0,则只有C对负 载R放电
电流连续相关的各种工作模式
从上面的分析可以看到BUCK-BOOST电路L上的电 流可能会断续，也会出现CCM,DCM,BCM三种工作 模式，下图就是三种模式下的信号波形图，依次是 BCM,DCM,CCM
BUCK电路的效率问题
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
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。
M
Vs
L RTs
1 1
8 D1 2
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。
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。 CCM模式下，电压增益M就是 占空比D1， DCM模式下，电压增益M和占 空比D1则呈现非线性关系。 总体上来看，随着D1的增大M 值会增加。
开关电源分类
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串联连接的关系。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
CCM，DCM模式下的各点电压
在K断开期间，IL线性下降，若周期结束即K导通瞬间IL不等 于0，则IL呈现左侧图(c)中的波形，电流连续。若K导通之前 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
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 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=（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。