开关电源主电路拓扑结构的分析与比较

1 引言

开关电源被誉为高效节能电源。它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。

开关电源的基本结构通常由DC/DC功率转换主电路和控制电路两大部分所组成。其中DC/DC主电路进行功率转换，它是开关电源的核心部分，对电源设备的电性能、效率、温升、可靠性、体积和重量等指标有决定性的作用。

主电路中开关转换器的拓扑结构，是指能用于转换、控制和调节输入电压的功率开关元件和储能元件的不同配置。开关转换器拓扑结构可分为两种基本类型：非隔离式和隔离式。这两种类型中又各自包含有不同的电路拓扑种类。

2 非隔离开关转换器

对于小功率DC/DC转换器(例如100W以下)，实际上用开关晶体管、开关二极管、电感、电容各一个，就可以组成一台非隔离式DC/DC转换器，是各种 DC/DC转换器中最简单的拓扑。其主电路的核心是三端PWM开关，它表示DC/DC转换器PWM开关组合。开关晶体管、开关二极管和电感元件的不同组合，可以构成降压(Buck)、升压(Boost)、降压-升压型(Buck-Boost)和升压-降压型(Boost -Buck)型4种DC/DC转换器的拓扑结构。

2.1降压型拓扑结构

降压型DC/DC转换器将输入电压变换成 0≤U0≤Ui 的稳定输出电压，所以又称降压开关电源。图1为降压型DC/DC转换器的典型电路。Ui 为输入电源，通常为电池或电池组。S是主开关管，二极管D是辅助开关管，也称为整流管，一般使用具有较低正向导通电压的肖特基二极管。S是由来自控制电路的脉冲信号控制开关。RL表示负载电阻。

图1 降压型DC/DC转换器电路

在一个开关周期中，首先，在控制电路作用下S导通，二极管因受反向偏压而截止，电流由电池流经S、电感L到电容C和负载。电感电流持续上升，电感储能在增加，能量由电池传送到电感并存储在电感中;第二阶段，控制电路使S截止，切断电池和电感元件的连接，于是电感产生感生电动势使电流维持原来的流向，二极管 D导通，为电感电流构成通路，电流由电感L流向电容C和负载，电感电流随着时间而下降，能量由电感流向负载。

经电感L、电容C滤波，在负载RL上可得到脉动很小的直流电压Uo。为推导降压型DC/DC转换器的输出电压与输入电压间的关系，在主开关管S导通、二极管D截止时，忽略S管的正向导通压降;整流管导通、主开关管关断时，忽略二极管的压降 ;忽略电感、电容的寄生电阻。因为只有在开关管导通期间，储能电感 L的电流增加量和开关管截止期间储能电感L中的电流减少量相等时，电路才达到平衡状态，即在稳态时，电感充放电伏秒积相等，因此：

D为占空比。改变D，输出电压Uo的平均值也就随之改变。因此，当负载及电网电压变化时，可以通过闭合的反馈控制回路自动地调整占空比D来使输出电压Uo维持不变。

2.2升压型拓扑结构

升压型DC/DC转换器将输入电压变换成较高的稳定输出电压，又称升压开关电源。

如图2是升压型开关电源的典型电路。Ui 为输入电源，S是主开关管，D是整流管。该电路的每个开关周期同样可分为两个阶段：第一阶段，S导通，忽略开关管的正向导通压降，D截止。此时，电感电流线性上升，能量从输入电源转换成磁场能存储在电感L中，负载RL上得到的电压由电容C提供;第二阶段：S截止，电感电流 开始线性下降，能量由电感元件流向负载。经电容C滤波，在负载RL上可得到脉动很小的直流电压Uo。利用同样的方法，根据稳态时电感L的充放电伏秒积相等的原理，可以推导出电压关系：

图2 升压型DC/DC转换器电路

2.3降压-升压型拓扑结构

这个电路的开关管和负载构成并联。在S导通时，电流通过L平波，电源对L充电。当S断时，L向负载及电源放电，输出电压将是输入电压Ui加上UL，因而有升压作用。

图3是降压-升压型开关电源的典型电路。Ui 为输入电源，S是主开关管，D是整流管。S在控制信号作用下在导通、截止状态间转换。该电路的工作可简单分析如下：第一阶段，S导通，D截止，忽略开关管的正向导通压降，此时，电感电流线性上升，能量从输入电源转换成磁场能存储在电感L中，此时负载得到的能量来自电容C;第二阶段，D导通，S截止，电感电流开始线性下降，能量由电感元件流向电容和负载。经电容C滤波，在负载RL上可得到脉动很小的直流电压 Uo ，计算其平均值，推出降压-升压型DC/DC转换器的输出电压与输入电压间的关系式：

式(3)中，若改变占空比D，则输出电压既可低于电源电压，也可能高于电源电压。

图3 降压-升压型DC/DC转换器电路

2.4升压-降压型DC/DC转换器

图4是升压-降压型开关电源典型电路。升压-降压型DC/DC转换器的基本工作原理如下：

第一阶段：S导通，D截止。在输入回路，电流由电池流向电感L1和主开关管S，电感L1接收来自电池的能量，电感电流线性增加;在输出回路，电容C1通过S对滤波电容C2、负载RL及L2放电，因此D受反向偏压而截止，这时C1将能量转移给L2。

第二阶段：S截止，D导通。当S截止时，在输出回路，L2要维持电流方向不变，产生感应电动势使D导通，于是能量由L2传送到C2和负载RL;在输入回路，电流由电池流经电感L1、电容C1和二极管D，以前一阶段的电感电流终值作为本阶段的电流初值开始向藕合电容C1充电，随着电容两端电压的增加，电感电流逐渐减少，能量由L1转移到C1中。

升压-降压型DC/DC转换器的输出电压与输入电压间的关系式同降压-升压型关系。升压-降压型DC/DC转换器电路复杂，但纹波性能得到改善。若将两电感绕在同一磁芯上，选择合适的匝比、耦合系数等，可得到零纹波输出。

图4 升压-降压型DC/DC转换器电路