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开关模式电源几种常见拓扑形式结构

开关模式电源几种常见拓扑形式结构

2024-04-12 15:06:37      点击量: 10


  当电源包含开关稳压器以将电能从一种形式转换为另一种形式并具有必要特性时,称为开关模式电源(SMPS)。该电源用于从DC i/p电压或未调节的AC获得调节的DC o/p电压。

开关模式电源几种常见拓扑形式结构

  开关模式电源与其它电源一样是一个复杂的电路,它从电源向负载供电。开关模式电源对于消耗功率的不同电气和电子设备以及设计电子项目至关重要。

  开关模式电源可根据其电路拓扑结构分为两种类型:非隔离式转换器和隔离式转换器。

  非隔离式转换器

  非隔离转换器是一种SMPS拓扑类型,其中开关电路和输出未隔离,即它们具有公共端子。非隔离SMPS中的三种基本且重要的类型是:

  降压转换器

  升压转换器

  降压-升压转换器

  还有其它非隔离式SMPS设计,如开关电容器、Cuk转换器和SEPIC转换器,但上面列出的三种类型更加重要。它们是最简单的SMPS设计,使用单个电感器作为能量存储元件和两个开关,其中一个是有源开关(晶体管-功率MOSFET),另一个可以是二极管。

  输出电压可以更高(升压)或更低(降压),并且可以通过高频方波(应用于开关)的占空比来控制。非隔离拓扑的一个主要缺点是开关的效率会随着占空比的降低而下降。隔离拓扑更适合较大的电压变化。

  隔离式转换器

  SMPS中的隔离拓扑使用变压器作为开关元件和输出之间的隔离器。根据变压器的匝数比,输出电压可以高于或低于输入电压。基于变压器的SMPS拓扑可以设计为通过在变压器上使用多个绕组来生成多个输出电压。

  其中,储能元件可以是变压器次级绕组或单独的电感器。两个重要的基于隔离拓扑的SMPS转换器是:

  反激式转换器

  正向转换器

  其它一些常用的隔离式SMPS拓扑结构是半桥、全桥、推挽、半正向、隔离Cuk等。

  降压转换器

  降压转换器是一种SMPS电路和DC-DC转换器,其中输出电压小于输入电压。

  降压转换器是最简单的SMPS电源转换器技术之一,常用于RAM、CPU、USB等。降压转换器中的输入直流电可以是整流后的交流电或电池。下图显示了一个使用两个开关(一个晶体管和一个二极管)和一个储能元件(电感器)的简单降压转换器。

  在上图中是一个简单的降压转换器装置,它由开关晶体管、二极管、电感器和电容器组成。电感器、二极管和电容器的组合称为惯性同步电路。

  另外,降压转换器的操作是根据方波脉冲来进行的。下图显示了输入脉冲为高电平时降压转换器的操作,即开关晶体管导通。

  当输入到MOSFET栅极端子的脉冲为高电平时,晶体管导通。结果,晶体管将为负载提供电流。在此期间,二极管D处于反向偏置状态,在此期间不会成为电路的一部分。

  最初,电感器抵抗电流的变化,因此,负载电流将随着磁场的扩大而逐渐增加。此外,电容器上的电荷逐渐增加到电源电压。下图是脉冲变低的情况,即晶体管关闭。

  当脉冲变为低电平时,开关晶体管关闭。在晶体管导通状态期间建立的磁场现在开始崩溃并将能量释放回电路。电感两端电压的极性,即它的反电动势现在反转了。来自电感器的能量开始崩溃并保持电流在电路中流过负载和二极管,因为二极管D正向偏置。

  一旦来自电感器的能量被完全利用,电容器开始放电并充当主要电源,直到晶体管导通。当晶体管导通时,它将再次向电感、电容和负载提供电流,并且该过程继续进行。

  输出电压取决于开和关时间,即方波脉冲的占空比,输出电压的公式为:

  VOUT=D x VIN,其中D=TON/(TON+TOFF)

  借助降压转换器,可以实现超过90%的效率,因此,它们经常用于计算机系统,将12V电源转换为典型的1.8V(用于RAM、CPU和USB)。

  升压转换器

  顾名思义,升压转换器是一种开关模式电源,可相对于输入电压提升或增加输出电压,去输出电压高于输入电压。

  升压转换器最著名的应用之一是电动汽车。电动汽车电池的供电不足以使其工作,因为它们需要比电池提供的电压高得多的电压(通常在500V左右)。升压转换器的另一个重要应用是汽车中的笔记本电脑充电器。典型的汽车电池提供12V,笔记本电脑需要18至22V之间的任何电压。

  下面显示了一个简单的升压转换器,这个简单的升压转换器由一个开关晶体管(可以使用BJT或MOSFET)、一个能量存储元件(即电感器)、另一个开关(二极管或另一个晶体管)、电容器和一个占空比可控的高频方波振荡器组成。

  此升压转换器的输入是未调节的直流电,可由整流的交流、电池、太阳能、直流发电机等提供,即可AC转换DC。

  首先,能够看到晶体管第一次打开的时间段。当脉冲第一次为高电平时,晶体管导通并关闭由电感器、晶体管和输入电源组成的电路的一部分。电流从输入端流过电感器和晶体管。

  电感器最初会抵抗电流的变化,但磁场会逐渐增加,从而使电感器能够存储能量。电路其余部分(即二极管、电容器和负载)的阻抗要高得多,因此,电路的那部分不会有电流流动。

  当方波脉冲变为低电平时,晶体管关闭。此操作将导致流经电感器的电流下降,由于磁场崩溃,会在电路中产生反电动势。此外,电感两端电压的极性现在已反转,将与输入电压串联。

  输入电压和电感器反电动势的组合无法通过电感器,因为它已关闭。因此,二极管正向偏置并为电容器充电并为负载提供电流。

  需要注意的一点是,在晶体管关断状态期间提供给电容器和负载的电压是输入电压和电感器反电动势的组合,高于输入电压。

  当晶体管再次导通时,电流再次流过电感和晶体管。由于二极管反向偏置,在此期间,电容器通过充当其源的负载释放其电位,该电位是输入电压和电感器电压的总和。

  其输出电压由下式给出:

  VOUT=VIN x 1/(1-D),其中D=TON/(TON+TOFF)。

  反激式转换器

  反激式转换器是一种开关模式电源,通常用于低功率应用。反激式转换器是一种隔离型SMPS,其中输入和输出通过变压器隔离。下面是一个简单的反激式转换器的电路。

  反激式转换器的主要组件是开关晶体管、振荡器电路、变压器、开关(如二极管)和电容器。这里的变压器不同于一般的变压器,而是称为反激式变压器(Flyback Transformer)。在此变压器中,初级和次级不同时导通。

  当晶体管导通时,电流流过变压器的初级,dot为较高电位。结果,次级感应电压的极性将与初级相反。因此,二极管D反向偏置。如果电容器在前一个周期充电,它将通过负载放电。下图显示了反激式转换器中的此段运行时间:

  下图说明了反激式转换器在其他时段(即晶体管关断时段)的操作。当脉冲变低时,晶体管关断,变压器的初级不导通。变压器次级的能量将释放到电路中,并且次级的极性也会反转,即变为正极。因此,二极管正向偏置,允许存储在次级线圈中的能量充当电源,它为电容器充电并为负载提供电流。

  正向转换器

  另一个重要的开关模式电源是正向转换器。它也是另一种隔离型SMPS,可从未调节的直流电源产生受控和调节的直流电。

  正向转换器的效率略高于反激式转换器,常用于功率要求稍高的应用(一般在200W左右)。正向转换器的设计比反激式转换器稍微复杂一些,简单的结构如下所示:

  正向变换器的简单电路由一个快速开关晶体管、一个控制方波占空比的控制电路、一个普通变压器、两个交流整流二极管、一个电感和一个滤波电容组成。

  下图显示了晶体管导通时正向转换器的操作。当脉冲为高电平时,晶体管导通,结果变压器的初级线圈开始导通。结果,在变压器的次级线圈中感应出电压。

  次级感应电压的极性与初级相似,因此二极管D1正向偏置。来自次级的电压将开始流经二极管D1、电感器、电容器,最后流向负载。在此期间,电感器和电容器分别以磁场和电场的形式存储能量。

  当脉冲变为低电平时,晶体管关闭,因此初级线圈停止导通。这将反过来停止在次级感应电流。电流的这种突然变化(或下降)将产生电感器的反电动势,并且其电压的极性反转。

  下图显示了正向转换器的这段运行时间。电感器中的能量开始通过负载和二极管D2在电路中崩溃(因为它是正向偏置的)。一旦电感器中的能量耗尽,电容器便开始通过负载放电,并充当负载的临时电源。这一直持续到晶体管再次导通为止:

  正向转换器的输出电压取决于变压器匝数比以及脉宽调制器的占空比。输出电压由下式给出:

  VOUT=VIN x D x NS/NP

  总结

  虽然开关模式电源拓扑结构类型有多种,但比较常见的就是以上介绍的四种,即DC-DC转换器、AC-DC转换器、反击式转换器和正向转换器。与此同时,也简单介绍这四种拓扑结构的工作原理,以便帮助大家更好的理解。

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