開關電源的定義、分類及拓撲結構

1、開關電源的定義

輸入交流電壓(AC)經由整流濾波以后可獲得一高壓的直流電壓(DC=1.4AC)，此電壓接入交換元件當做開關使用在20KHZ~100KHZ的高頻狀態。這時直流高壓會被切割成高頻的方波信號，這個方波信號經由功率隔離變壓器，在二次側可以獲得事先所設定的電壓值，然后再經由整流與濾波就可以獲得所需的直流輸出電壓。開關電源的方框圖如下：

2、開關電源的分類

開關電源按照輸入電壓與輸出電壓的類型可以分為四類，即DC-DC，AC-DC，DC-AC，AC-AC。其中DC-AC，AC-AC在實際應用中很少見到，本文敘述從略。

2.1 DC/DC變換

將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調制方式Ts不變，改變ton(通用)，二是頻率調制方式，ton不變，改變Ts(易產生干擾)。其具體的電路由以下幾類：

(1) Buck電路——降壓斬波器，其輸出平均電壓Uo小于輸入電壓Ui，極性相同。

(2) Boost電路——升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于輸入電壓Ui，極性相同。

(3) Buck-Boost電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo大于或小于輸入電壓Ui，極性相反，電感傳輸。

(4) Cuk電路——降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓Uo 大于或小于輸入電壓UI,極性相反，電容傳輸。

2.2 AC/DC變換

AC/DC變換是將交流變換為直流，其功率流向可以是雙向的，功率流由電源流向負載的稱為“整流”，功率流由負載返回電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標準(如UL、CCEE等)及EMC指令的限制(如IEC、FCC、CSA)，交流輸入側必須加EMC濾波及使用符合安全標準的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化，另外，由于內部的高頻、高壓、大電流開關動作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大，也就對內部高密度安裝電路設計提出了很高的要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關使得電源工作消耗增大，限制了AC/DC變換器模塊化的進程，因此必須采用電源系統優化設計方法才能使其工作效率達到一定的滿意程度。

3、常用的拓撲結構

3.1 單端反激變換器

3.1.1電路拓撲圖

3.1.2 電路原理

其變壓器T1起隔離和傳遞儲存能量的作用，即在開關管Q開通時Np儲存能量，開關管Q關斷時Np向Ns釋放能量。在輸出端要加由電感器Lo和兩Co電容組成一個低通濾波器，變壓器初級需有Cr、Rr和Dr組成的RCD漏感尖峰吸收電路。輸出回路需有一個整流二極管D1。由于其變壓器使用有氣隙的磁芯，故其銅損較大，變壓器溫相對較高。并且其輸出的紋波電壓比較大。但其優點就是電路結構簡單，適用于200W以下的電源且多路輸出交調特性相對較好。

3.2 雙管反激變換器

3.2.1電路拓撲圖

3.2.2 電路原理

其變壓器T1起隔離和傳遞儲存能量的作用，即在開關管Q1、Q2開通時Np儲存能量，開關管Q1、Q2關斷時Np向Ns釋放能量，同時Np的漏感將通過D2、D3返回給輸入，可省去RCD漏感尖峰吸收電路。在輸出端要加由電感器Lo和兩Co電容組成一個低通濾波器。輸出回路需有一個整流二極管D1(最好使用恢復時間快的整流管)。

3.2.3工作特點

a、在任何工作條件下，為使兩個調整管所承受的電壓不會超過Vs+Vd　(Vs：輸入電壓;Vd:D2、D3的正向壓降，)，D2、D3必須是快恢復管(當然用超快恢復管更好)。

b、在反激開始時，儲存在原邊Np的漏電感的能量會經D2、D3反饋回輸入，系統能量損失會小，效率高。

c、在與單端反激變換器相比，無需RCD吸收電路;功率器件可選擇較低的耐壓值;功率等級也會很大。

d、在輕載時，如果在“開通”周期儲存在變壓器的原邊繞組顯得過多的能量，那么在“關斷”周期會將過多的能量能量反饋到輸入。

3.3 單端正激變換器

3.3.1電路拓撲圖

3.3.2電路原理

其變壓器T1起隔離和變壓的作用，在輸出端要加一個電感器Lo(續流電感)起能量的儲存及傳遞作用，變壓器初級需有復位繞組Nr(此點上我對一些參考書籍存疑，當然有是最好，實際應用中考慮到變壓器腳位的問題)。在實際使用中，我也發現此繞組也用RCD吸收電路取代亦可，如果芯片的輔助電源用反激供給則也可削去調整管的部分峰值電壓(相當一部份復位繞組)。輸出回路需有一個整流二極管D1和一個續流二極管D2。由于其變壓器使用無氣隙的磁芯，故其銅損較小，變壓器溫升較低。并且其輸出的紋波電壓較小。

3.4 雙管正激變換器

3.4.1電路拓撲圖

3.4.2電路原理

其變壓器T1起隔離和變壓的作用，在輸出端要加一個電感器Lo(續流電感)起能量的儲存及傳遞作用，變壓器初級無需再有復位繞組，因為D1、D2的導通限制了兩個調整管關斷時所承受的電壓。輸出回路需有一個整流二極管D3和一個續流二極管D4(其中D3、D4均最好選用恢復時間快的整流管)。輸出濾波電容Co應選擇低ESR(等效電阻)大容量，有利于降低紋波電壓(當然這對于其它拓撲結構的也是這樣要求)。

3.4.3工作特點

A、在任何工作條件下，為使兩個調整管所承受的電壓不會超過Vs+Vd　(Vs：輸入電壓;Vd:D1、D2的正向壓降，)，D1、D2必須是快恢復管;

B、在與單端正激變換器相比，無需復位電路，有利于簡化電路和變壓器設計;功率器件可選擇較低的耐壓值;功率等級也會很大，據我所知現在很多大功率等級的通信電源及電力操作電源都選用了這種電路。

C、兩個調整管工作狀態一致，同時處通態或斷態。我個人建議在大功率等級電源中選用此種電路，主要是調整管好選。

3.5 推挽式變換器

3.5.1電路拓撲圖

3.5.2電路原理

其變壓器T1起隔離和傳遞能量的作用。在開關管Q1開通時，變壓器T1的Np1繞組工作并耦合到付邊Ns1繞組，開關管Q關斷時Np向Ns釋放能量;反之亦然。在輸出端由續流電感器Lo和D1、D2付邊整流電路。開關管兩端應加一RC組成的開關管關斷時所產生的尖峰吸收電路。

3.5.3工作特點

a、在任何工作條件下，調整管都承受的兩倍的輸入電壓。所以此電路多用于大功率等級的DC/DC電源中，這樣才有利于選材料。

b、兩個調整管都是相互交替打開的，所以兩組驅動波形相位差要大于180°(一般書上說差等于180°)，因為要存在一定死區時間。

3.6 半橋變換器

3.6.1電路拓撲圖

3.6.2電路原理

其變壓器T1起隔離和傳遞能量的作用。開關管Q1導通時，Np繞組上承受一半的輸入電壓，付邊繞組電壓使D1導通;反之亦然。輸出回路D1、D2、Lo、Co共同組成了整流濾波電路。

此電路減小了原邊調整管的電壓應力，所以是目前比較成熟和常見的電路;如PC Power　70%以上、電子鎮流器60%都使用此電路。

3.7 全橋變換器

3.7.1電路拓撲圖

3.7.2電路原理

此電路多用于大功率等級電源中，目前國內許多研究機構都在此電路是做改造，但對于多數的電源生產廠商來說此電路成熟的產品市場占有率很低，自身設計投入開發成本會很高。

審核編輯：湯梓紅

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