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1.开关电源基本工作原理

1 开关电源的基本构成

图1.1 为开关电源电路的基本构成，它包括整流滤波电路，DC-DC控制器，开关占空比控制器及取样比较电路等模块。

图 1.1 开关电源的基本构成

2 开关电源常用的拓扑结构分析

作为电源设计的核心组件,可靠性升级的基础,轻薄小型化的关键,电磁兼容性的保障的 DC-DC 直流变换电路,引导着开关电源设计的方向,从本质上来说绝大部分开关控制器都具有常规的几种拓扑结构。其有两种基本的类型：非隔离型和隔离型。

2.1 降压型

降压型又称为 BUCK 控制器，图 1.2 为其典型电路结构。

图 1.2 降压型典型电路结构

基本工作原理:当开关管导通(Ton)时,电感 L 将能量以磁场的形式储存起来。随着电源电压 Vin 对电感 L 的充电，L 电流 IL 对输出电容 CO 充电，并提供负载电流 Io， VD 被反向偏置而截止。当开关管截止(Toff)时，L 中消失的磁场使其极性颠倒 VD 加正向偏压而导通，L 和 CO 在 Toff 提供负载电流 Io。 输出电压：

图 1.3 为降压型电路的二极管电压和电感电流的波形如下。

图 1.3 降压型电路的二极管电压和电感电流波形

2.2 升压型

升压型又称为 BOOST 控制器，图 1.4 为其典型电路结构。

图 1.4 升压型典型电路结构

基本工作原理：当开关管导通时，能量储存在 L 中，由于 VD 截止，所以 Ton 期间，负载的电压和电流由 CO 供给在开关管。 截止时，储存在 L 中的能量通过正向偏置的 VD 传送到负载和 CO， L 放电电压的极性与VIN 相同，且与 Vin 相串联因而提供了一种升压作用。

输出电压：

图 1.5 升压电路的开关管电压和电感电流波形

2.3 升降压型

升降压型又称为 BUCK-BOOST 控制器，图 1.6 为其典型电路结构。

图 1.6 升降压型典型电路结构

基本工作原理：当 Q1 导通时，接在 Vin 两端的 L 被充电，由于 VD 截止，所以 TON 期间，负载的电压和电流由 CO 供给。当开关管截止时，储存在 L 中的能量通过 VD 传送到负载和 CO ，因为 L 上消失的磁场颠倒了电感器电压的极性。

输出电压：

图 1.7 升降压型电路电感的电压与电流波形

2.4 反激式

反激式又称为 Fly-back 型，它能产生在输入电压范围内的输出电压，不同于降压升压控制器。这是反激式控制器所独有的特点。图 1.8 为其典型电路结构。

图 1.8 反激式典型电路结构

基本工作原理：当开关管导通时，电流流过变压器 T1 的初次线圈 N1 ，变压器将能量以磁场的形式储存起来。由于初次级圈不同相位，所以当电流流过初次线圈时，次级线圈 N2 中没有电流流过。当开关管截止时，消失的磁场使初次次线圈中电压极性反转，整流二极管 VD 导通。电流通过 VD 流向负载，变压器的能量释放，提供负载电压电流。

输出电压：

(1)电流连续状态下

(2)电流断续状态下

图 1.9 为反激式电路的在电流断续情况下的电压电流波形如下。

图 1.9 反激式电路的电压与电流波形

2.5 正激式

正激式不同于反激式，在原边导通的同时，副边向负载释放能量。当开关管关断时，变压器处于“空载”状态，其中储存的磁能将被积累到下一个周期。这是它的特点。图 1.10 为其典型电路结构。

图 1.10 正激式典型电路结构

基本工作原理：当开关管导通时，电流流过变压器 T1 的初次线圈 N1 。由于初次级圈同相位，所以当电流流过初次线圈时，整流二极管 VD 导通，次级线圈 N2 中也有电流流过。当开关管截止时，初次级线圈均没有电流流过。

输出电压:

图 1.11 为正激式电路开关管电压和原边电流波形。

图 1.11 正激式电路开关管电压和电流波形

2.6 推挽式

推挽式又称为 Push-Pull 控制器，图 1.12 为其典型电路结构。

图 1.12 推挽式典型电路结构

基本工作原理:Q1 和 Q2 交替导通和截止,且导通和截止时间必须严格错开,当 Q1 导通 Q2 截止时,由于次级绕组两线圈匝数相等,绕向相反,能量通过变压器 T1 以磁通方式耦合过来的正电压使 VD1 正向导通,负电压使 VD1 导通.次级电压整流、滤波后加到输出端。当 Q2 导通 Q1 截止时，这个过程重复进行，T1 的次级绕组开关工作频率为加在 Q1 Q2 上 PWM 频率的两倍。

输出电压：

图 1.13 为推挽式电路开关管 Q1 的电压和电流的波形如下。

图1.13 推挽式电路开关管电压和电流波形