开关电源电路图 开关电源的工作原理和拓扑结构详解
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开关电源的基本控制原理 一、开关电源的控制结构 一般地，开关电源大致由输入电路、变换器、控制电路、输出电路四个主体组成。 如果细致划分，它包括：输入滤波、输入整流、开关电路、采样、基准电源、比较放大、震荡器、V/F转换、基极驱动、输出整流、输出滤波电路等。 实际的开关电源还要有保护电路、功率因素校正电路、同步整流驱动电路及其它一些辅助电路等。 下面是一个典型的开关电源原理框图，掌握它对我们理解开关电源有重要意义。
图1：开关电源的基本结构框图 根据控制类型不同，PM（脉冲调制）电路可能有多种形式。这里是典型的PFM结构。 二、开关电源的构成原理 （一）输入电路： 线性滤波电路、浪涌电流抑制电路、整流电路。 作用：把输入电网交流电源转化为符合要求的开关电源直流输入电源。 1．线性滤波电路： 抑制谐波和噪声。 2．浪涌滤波电路： 抑制来自电网的浪涌电流。 3．整流电路： 把交流变为直流。 有电容输入型、扼流圈输入型两种，开关电源多数为前者。 （二）变换电路： 含开关电路、输出隔离（变压器）电路等，是开关电源电源变换的主通道，完成对带有功率的电源波形进行斩波调制和输出。 这一级的开关功率管是其核心器件。 1．开关电路 驱动方式：自激式、他激式。 变换电路：隔离型、非隔离型、谐振型。 功率器件：最常用的有GTR、MOSFET、IGBT。 调制方式：PWM、PFM、混合型三种。PWM最常用。 2．变压器输出 分无抽头、带抽头。半波整流、倍流整流时，无须抽头，全波时必须有抽头。 （三）控制电路： 向驱动电路提供调制后的矩形脉冲，达到调节输出电压的目的。 基准电路：提供电压基准。如并联型基准LM358、AD589，串联型基准AD581、REF192等。 采样电路：采取输出电压的全部或部分。 比较放大：把采样信号和基准信号比较，产生误差信号，用于控制电源PM电路。 V/F变换：把误差电压信号转换为频率信号。 振荡器：产生高频振荡波。 基极驱动电路：把调制后的振荡信号转换成合适的控制信号，驱动开关管的基极。 （四）输出电路： 整流、滤波。 把输出电压整流成脉动直流，并平滑成低纹波直流电压。输出整流技术现在又有半波、全波、恒功率、倍流、同步等整流方式。 各类拓扑结构电源分析 一、非隔离型开关变换器 （一）降压变换器 Buck电路：降压斩波器，入出极性相同。 由于稳态时，电感充放电伏秒积相等，因此： （Ui-Uo）ton=Uotoff， Uiton-Uoton=Uo*toff, Ui*ton=Uo(ton toff), Uo/Ui=ton/(ton toff)= Δ 即，输入输出电压关系为： Uo/Ui=Δ(占空比)
图2：Buck电路拓补结构 在开关管S通时，输入电源通过L平波和C滤波后向负载端提供电流；当S关断后，L通过二极管续流，保持负载电流连续。输出电压因为占空比作用，不会超过输入电源电压。 （二）升压变换器 Boost电路：升压斩波器，入出极性相同。 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： Uo/Ui=1/（1-Δ）
图3：Boost电路拓补结构 这个电路的开关管和负载构成并联。在S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 UL，因而有升压作用。 （三）逆向变换器 Buck-Boost电路：升/降压斩波器，入出极性相反，电感传输。 电压关系：Uo/Ui=-Δ/（1-Δ）
图4：Buck-Boost电路拓补结构 S通时，输入电源仅对电感充电，当S断时，再通过电感对负载放电来实现电源传输。 所以，这里的L是用于传输能量的器件。 （四）丘克变换器 Cuk电路：升/降压斩波器，入出极性相反，电容传输。 电压关系：Uo/Ui=-Δ/（1-Δ）。
图5：Cuk变换器电路拓补结构 当开关S闭合时，Ui对L1充电。当S断开时，Ui EL1通过VD对C1进行充电。再当S闭合时，VD关断，C1通过L2、C2滤波对负载放电，L1继续充电。 这里的C1用于传递能量，而且输出极性和输入相反。 二、隔离型开关变换器 1．推挽型变换器 下面是推挽型变换器的电路。
图6：推挽型变换电路 S1和S2轮流导通，将在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。 由于电感L在开关之后，所以当变比为1时，它实际上类似于降压变换器。 2．半桥型变换器 图2-6给出了半桥型变换器的电路图。 当S1和S2轮流导通时，一次侧将通过电源-S1-T-C2-电源及电源-C1-T-S2-电源产生交变电流，从而在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。 同样地，这个电路也相当于降压式拓补结构。
图7：半桥式变换电路 3．全桥型变换器 下图是全桥变换器电路。
图8：全桥式变换电路 当S1、S3和S2、S4两两轮流导通时，一次侧将通过电源-S2-T-S4-电源及电源-S1-T-S3-电源产生交变电流，从而在二次侧产生交变的脉动电流，经过全波整流转换为直流信号，再经L、C滤波，送给负载。 这个电路也相当于降压式拓补结构。 4．正激型变换器 下图为正激式变换器。
图9：正激型变换器电路 当S导通时，原边经过输入电源-N1-S-输入电源，产生电流。当S断开时，N1能量转移到N3，经N3-电源-VD3向输入端释放能量，避免变压器过饱和。VD1用于整流，VD2用于S断开期间续流。 5．隔离型Cuk变换器 隔离型Cuk变换器电路如下所示：
图10：隔离型Cuk变换器 当S导通时，Ui对L1充电。当S断开时，Ui EL1对C11及变压器原边放电，同时给C11充电，电流方向从上向下。附边感应出脉动直流信号，通过VD对C12反向充电。在S导通期间，C12的反压将使VD关断，并通过L2、C2 滤波后，对负载放电。 这里的C12明显是用于传递能量的，所以Cuk电路是电容传输变换电路。 6．电流变换器 能量回馈型电流变换器电路如下图所示。
（N3同名端反了） 图11：能量回馈型电流变换器电路 该电路与推挽电路类似。不同的是，在主通路上串联了一个电感。其作用是在S1、S2断开期间，使得变压器能量转移到N3绕组，通过VD3回馈到输入端。 下面是升压型变换器的电路图：
图12：升压型电流变换器电路 该电路也与推挽电路类似，并在主通路上串联了一个电感。在开关导通期间，L积蓄能量。当一侧开关断开时，电感电动势和Ui叠加在一起，对另一侧放电。因此，L有升压作用。 三、准谐振型变换器 在脉冲调制电路中，加入R、L谐振电路，使得流过开关的电流及管子两端的压降为准正弦波。这种开关电源成为谐振式开关电源。 利用一定的控制技术，可以实现开关管在电流或电压波形过零时切换，这样对缩小电源体积，增大电源控制能力，提高开关速度，改善纹波都有极大好处。所以谐振开关电源是当前开关电源发展的主流技术。又分为： 1．ZCS——零电流开关。开关管在零电流时关断。 2．ZVS——零电压开关。开关管在零电压时关断。 具体关于这个技术的简单介绍，见后面相关内容。 四、开关电源的分类总结 开关电源的分类 （一）按控制方式： 脉冲调制变换器：驱动波形为方波。PWM、PFM、混合式。 谐振式变换器：驱动波形为正弦波。又分ZCS（零电流谐振开关）、ZVS（零电压谐振开关）两种。 （二）按电压转换形式： 1．AC/DC：一次电源。 即整流电源。 2．DC/DC：二次电源。 1)Buck电路：降压斩波器，入出极性相同。 2)Boost：升压斩波器，入出极性相同。 3)Buck-Boost：升/降压斩波器，入出极性相反，电感传输。 4)Cuk：升/降压斩波器，入出极性相反，电容传输。 （三）按拓补结构： 1．隔离型：有变压器。 2．非隔离型：无变压器。 审核编辑：汤梓红 |
