(整理)开关电源拓扑结构详解

开关电源拓扑结构详解主回路——开关电源中，功率电流流经的通路。

主回路一般包含了开关电源中的开入端和负载端。

开关电源（直流变换器）的类型很多，在研究开发或者维修电源系统时，全面了解开关电源主回路的各种基本类型，以及工作原理，具有极其重要的意义。

开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。

1. 非隔离式电路的类型：非隔离——输入端与输出端电气相通，没有隔离。

1.1. 串联式结构串联——在主回路中开关器件（下图中所示的开关三极管T）与输入端、输出端、电感器L、负载RL四者成串联连接的关系。

开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T及电感器L对负载供电，并同时对电感器L充电，当开关管T关断时，电感器L中的反向电动势使续流二极管D自动导通，电感器L中储存的能量通过续流二极管D形成的回路，对负载R继续供电，从而保证了负载端获得连续的电流。

串联式结构，只能获得低于输入电压的输出电压，因此为降压式变换。

例如buck 拓扑型开关电源就是属于串联式的开关电源。

上图是在图1-1-a电路的基础上，增加了一个整流二极管和一个LC滤波电路。

其中L是储能滤波电感，它的作用是在控制开关K接通期间Ton限制大电流通过，防止输入电压Ui直接加到负载R上，对负载R进行电压冲击，同时对流过电感的电流iL转化成磁能进行能量存储，然后在控制开关T关断期间Toff把磁能转化成电流iL继续向负载R提供能量输出；C是储能滤波电容，它的作用是在控制开关K接通期间Ton把流过储能电感L的部分电流转化成电荷进行存储，然后在控制开关K关断期间Toff把电荷转化成电流继续向负载R提供能量输出；D是整流二极管，主要功能是续流作用，故称它为续流二极管，其作用是在控制开关关断期间Toff，给储能滤波电感L释放能量提供电流通路。

在控制开关关断期间Toff，储能电感L将产生反电动势，流过储能电感L的电流iL由反电动势eL的正极流出，通过负载R，再经过续流二极管D的正极，然后从续流二极管D的负极流出，最后回到反电动势eL的负极。

开关电源11种拓扑结构介绍1、基本的脉冲宽度调制波形这些拓扑结构都与开关式电路有关。

基本的脉冲宽度调制波形定义如下：2、Buck降压■把输入降至一个较低的电压。

■可能是最简单的电路。

■电感/电容滤波器滤平开关后的方波。

■输出总是小于或等于输入。

■输入电流不连续 (斩波)。

■输出电流平滑。

3、Boost升压■把输入升至一个较高的电压。

■与降压一样，但重新安排了电感、开关和二极管。

■输出总是比大于或等于输入(忽略二极管的正向压降)。

■输入电流平滑。

■输出电流不连续 (斩波)。

4、Buck-Boost降压-升压■电感、开关和二极管的另一种安排方法。

■结合了降压和升压电路的缺点。

■输入电流不连续 (斩波)。

■输出电流也不连续 (斩波)。

■输出总是与输入反向 (注意电容的极性)，但是幅度可以小于或大于输入。

■“反激”变换器实际是降压-升压电路隔离（变压器耦合）形式。

5、Flyback反激■如降压-升压电路一样工作，但是电感有两个绕组，而且同时作为变压器和电感。

■输出可以为正或为负，由线圈和二极管的极性决定。

■输出电压可以大于或小于输入电压，由变压器的匝数比决定。

■这是隔离拓扑结构中最简单的■增加次级绕组和电路可以得到多个输出。

6、Forward正激■降压电路的变压器耦合形式。

■不连续的输入电流，平滑的输出电流。

■因为采用变压器，输出可以大于或小于输入，可以是任何极性。

■增加次级绕组和电路可以获得多个输出。

■在每个开关周期中必须对变压器磁芯去磁。

常用的做法是增加一个与初级绕组匝数相同的绕组。

■在开关接通阶段存储在初级电感中的能量，在开关断开阶段通过另外的绕组和二极管释放。

7、Two-Transistor Forward双晶体管正激■两个开关同时工作。

■开关断开时，存储在变压器中的能量使初级的极性反向，使二极管导通。

■主要优点：■每个开关上的电压永远不会超过输入电压。

■无需对绕组磁道复位。

8、Push-Pull推挽■开关（FET）的驱动不同相，进行脉冲宽度调制（PWM）以调节输出电压。

《精通开关电源设计》笔记三种基础拓扑（buck boost buck-boost ）的电路基础： 1， 电感的电压公式dtdILV =＝T I L ∆∆，推出ΔI ＝V ×ΔT/L2， sw 闭合时，电感通电电压V ON ，闭合时间t ON sw 关断时，电感电压V OFF ，关断时间t OFF3， 功率变换器稳定工作的条件：ΔI ON ＝ΔI OFF 即，电感在导通和关断时，其电流变化相等。

那么由1，2的公式可知，V ON ＝L ×ΔI ON /Δt ON ，V OFF ＝L ×ΔI OFF /Δt OFF ，则稳定条件为伏秒定律：V ON ×t ON ＝V OFF ×t OFF4， 周期T ，频率f ，T ＝1/f ，占空比D ＝t ON /T ＝t ON /（t ON ＋t OFF ）→t ON ＝D/f ＝TD→t OFF ＝（1－D ）/f电流纹波率r P51 52r ＝ΔI/ I L ＝2I AC /I DC 对应最大负载电流值和最恶劣输入电压值ΔI ＝E t /L μH E t ＝V ×ΔT （时间为微秒）为伏微秒数，L μH 为微亨电感，单位便于计算 r ＝E t /（ I L ×L μH ）→I L ×L μH ＝E t /r →L μH ＝E t /（r* I L ）都是由电感的电压公式推导出来 r 选值一般0.4比较合适，具体见 P53电流纹波率r ＝ΔI/ I L ＝2I AC /I DC 在临界导通模式下，I AC ＝I DC ，此时r ＝2 见P51 r ＝ΔI/ I L ＝V ON ×D/Lf I L ＝V O ＦＦ×（1－D ）/Lf I L →L ＝V ON ×D/rf I L 电感量公式：L ＝V O ＦＦ×（1－D ）/rf I L ＝V ON ×D/rf I L 设置r 应注意几个方面：A,I PK ＝（1＋r/2）×I L ≤开关管的最小电流，此时r 的值小于0.4，造成电感体积很大。

常用的开关电源拓扑结构-基础电子下面简单介绍一下常用的开关电源拓扑结构。

Buck电路首先我们要讲的就是Buck电路。

Buck电路也成为降压（step-down）变换器。

它的电路图是下面这样的：晶体管，二极管，电感，电容和负载构成了主回路，下方的控制回路一般采用PWM（脉冲宽度调制）芯片控制占空比决定晶体管的通断。

Buck电路的功能是把直流电压Ui转换成直流电压Uo，实现降压目的。

反激变换器反激式开关电源是指使用反激高频变压器隔离输入输出回路的开关电源，与之对应的有正激式开关电源。

反激（FLY BACK），具体是指当开关管接通时，输出变压器充当电感，电能转化为磁能，此时输出回路无电流；相反，当开关管关断时，输出变压器释放能量，磁能转化为电能，输出回来中有电流。

反激式开关电源中，输出变压器同时充当储能电感，整个电源体积小、结构简单，所以得到广泛应用。

应用多的是单端反激式开关电源。

优点：元器件少、电路简单、成本低、体积小，可同时输出多路互相隔离的电压；缺点：开关管承受电压高，输出变压器利用率低，不适合做大功率电源。

Boost电路Boost（升压）电路是基本的反激变换器。

Boost变换器又称为升压变换器、并联开关电路、三端开关型升压稳压器。

上面的图就是Boost电路图。

Boost电路是一个升压电路，它的输出电压高于输入电压。

Buck/Boost变换器Buck/Boost变换器：也叫做升降压式变换器，是一种输出电压既可低于也可高于输入电压的单管不隔离直流变换器，但它的输出电压的极性与输入电压相反。

Buck/Boost变换器可以看做是Buck变换器和Boost变换器串联而成，合并了开关管。

它的电路图如下：上面提到的Buck和Boost电路，都是输出与输入共地，在电路上没有隔离。

采用变压器后，输出与输入电气隔离，可以多路输出。

而反激变换器是隔离变换器中简单的一种。

它分为两种工作模式，断续模式反激变换器和连续模式反激变换器。

主回路——开关电源中，功率电流流经的通路。

主回路一般包含了开关电源中的开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器、等所有功率器件，以及供电输入端和负载端。

开关电源（直流变换器）的类型很多，在研究开发或者维修电源系统时，全面了解开关电源主回路的各种基本类型，以及工作原理，具有极其重要的意义。

开关电源主回路可以分为隔离史与非隔离式两大类型。

一、非隔离式电路的类型：非隔离——输入端与输出端电气相通，没有隔离。

1、串联式结构串联——在主回路中开关器件（下图中所示的开关三极管T）与输入端、输出端、电感器L、负载RL四者成串联连接的关系。

开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T及电感器L对负载供电，并同时对电感器L充电，当开关管T关断时，电感器L中的反向电动势使续流二极管D自动导通，电感器L中储存的能量通过续流二极管D形成的回路，对负载R继续供电，从而保证了负载端获得连续的电流。

串联式结构，只能获得低于输入电压的输出电压，因此为降压式变换。

2、并联式结构并联——在主回路中，相对于输入端而言，开关器件（下图中所示的开关三极管T）与输出端负载成并联连接的关系。

开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T对电感器L充电，同时续流二极管D关断，负载R靠电容器存储的电能供电；当开关管T关断时，续流二极管D导通，输入端电源电压与电感器L中的自感电动势正向叠加后，通过续流二极管D对负载R 供电，并同时对电容器C充电。

由此可见，并联式结构中，可以获得高于输入电压的输出电压，因此为升压式变换。

并且为了获得连续的负载电流，并联结构比串联结果对输出滤波电容C的容量有更高的要求。

3、极性反转型变换器结构极性反转——输出电压与输入电压的极性相反。

电路的基本结构特征是：在主回路中，相对于输入端而言，电感器L与负载成并联。

开关管T交替工作于通/断两种状态，工作过程与并联式结构相似，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T对电感器L充电，同时续流二极管D关断，负载RL 靠电容器存储的电能供电；当开关管T关断时，续流二极管D导通，电感器L中的自感电动势通过续流二极管D对负载RL 供电，并同时对电容器C充电；由于续流二极管D的反向极性，使输出端获得相反极性的电压输出。

开关电源的拓扑结构开关电源的拓扑结构是指功率变换电路的结构，也就是DC/DC变换器的结构。

拓扑结构不同，与之配套的PWM控制器类型和输出整流/滤波电路也有差异。

拓扑结构也基本决定了开关电源的工作原理及输出特性。

本章将对开关电源常用的拓扑结构及工作原理进行详细介绍，以便读者在设计、制作开关电源时选用。

第一节降压式变换器降压式变换器亦称Buck变换器，是最常用的DC/DC变换器之一。

降压式DC/DC变换器能将一种直流电压变换成更低的直流电压。

例如它可将+24V电源变换成+15V、+12V或+5V 电源，并且在变换过程中的电源损耗很小，在分布式电源系统中经常会用到。

1、降压式DC/DC变换器的拓扑结构降压式DC/DC变换器的拓扑结构如图2-1-1所示。

图中的开关S用来等效功率开关管，U1为直流输入电压，U o为直流输出电压，VD为续流二极管，L为输出滤波电感(也称储电感)，C为输出滤波电容。

当S闭合时除向负载供电之外，还有一部分电能储存于电感L和电容C 中，L上的电压为U L，其极性是左端为正、右端为负，此时续流二极管VD截止。

当S断开时，L上产生极性为左端负、右端正的反向电动势，使得VD导通，L中的电能继续传送给负载和电容C。

降压式DC/DC变换器在功率开关管导通时向负载传输能量，属于正激式DC/DC 变换器。

图2-1-1 降压式DC/DC变换器的拓扑结构2、降压式DC/DC变换器的工作原理降压式DC/DC变换器可用一只NPN型功率开关管VT（或N沟道功率场效应管MOSFET）作为开关器件S，在脉宽调制(PWM)信号的控制下，使输入电压交替地接通、断开储能电感L。

降压式变换器的简化电路如图2-1-2(a)所示，脉宽调制信号控制功率开关管VT的导通与截止。

图2-1-2(b)、(c)显示出了开关闭合、断开时的电流路径。

图2-1-2 降压式DC/DC变换器的工作原理简化电路；(b)开关闭合时的电流路径；(c)开关断开时的电流路径当开关闭合时续流二极管VD截止，由于输入电压U1与储能电感L接通，因此输入---输出压差(U1---U o)就加在电感L上，使通过L的电流I L线性地增加。

开关电源典型拓扑
开关电源是一种常见的电源系统，其中典型的拓扑结构包括：1. 单端升压式（Boost）开关电源：该电路通过一个开关管切换电源电压，产生高于输入电压的输出电压。

一般将此电路用于需要减小内阻、提升整机效率的场合。

2. 单端降压式（Buck）开关电源：该电路同样通过一个开关管切换电源电压，但产生低于输入电压的输出电压。

此电路用于减小电压而提升电流，适用于很多操作。

3. 变换式（Flyback）开关电源：该电路通过开关闭合来储存能量，随后把储存的能量传送到输出绕组，通过电感、变压器实现电能转换的拓扑系统，一般适用于中等功率的场合。

4. 直流-直流（DC-DC）转换器：该电路通过开关闭合快速切换电源电压，将高电压转换为低电压，从而实现不同电压级别的环路控制的拓扑。

常见于移动设备、工业控制以及电子电源等领域。

开关电源的拓扑
开关电源的拓扑主要有以下几种：
1. 单端正激式（Buck）拓扑：投入电压大于输出电压时，将电源输入关断，输出电容释放能量给负载；
2. 升压式（Boost）拓扑：投入电压小于输出电压时，通过开关周期性充放电操作，将输出电压升高；
3. 反激式（Flyback）拓扑：通过磁共振，利用辅助绕组将输入电能转移到输出端，适用于输出电压变化较大的场景；
4. 无互感式（Push-Pull）拓扑：利用两个互补的开关管周期性地切换，通过变压器将输入电能传递到负载端；
5. 电桥式（Full-Bridge）拓扑：利用四个开关管，通过变压器传递电能，具有较高的输出功率能力。

不同的拓扑结构适用于不同的应用场景，可以根据需要选择最合适的拓扑。

开关电源拓扑结构回顾Lloyd H·Dixon Jr摘要本文回顾了在开关电源中常用的三种电路结构即降压变换电路、升压变换电路和逆向变换电路的特性，这三种电路均可以在断续的感应电流或者连续的感应电流模式下使用。

运行方式的选择对整体电路特性有很大的影响。

所使用的控制方式也能有助于将与任何拓扑结构和运行方式相联系的问题减到最少。

三种以固定频率运行的控制方法包括：直接占空比控制、电压前馈、和电流模式（两个环路）控制。

本文还论述了三个基本电路的一些扩展，利用每个拓扑电路的相对优点—运行方式—控制方法组合。

一、三种基本拓扑结构：三种基本的拓扑结构如图1所示：降压式，升压式，反激式。

串联式变换器（CUK）是反激式拓扑的逆变，不作论述。

这三种不同的开关电路使用了三种相同的元件：电感，三极管，和二极管，但是使用了不同的安放方式，（输出电容是滤波元件，不是开关电路的一部分）。

理论上，还有另外三种由这三种元件组成的T型结构的电路，但这三种是前面三种电路的简单镜像和在相反方向的耦合能量。

有一条在任何运行模式和控制方式下都适用于上述三种电路拓扑的原则：在稳态运行下，在每个开关周期内，电感两端的平均电压必须为零，否则平均感应电流将会改变，违反稳态前提。

三种基本电路系列的每一个在输入和输出电压、电流、占空比之间都有一个独特的关系。

例如：降压调整器的功能是使输出电压V0小于输入电压V in，并和它V in有相同的极性。

升压电路的作用是使V0大于V in，并且有相同的极性。

反激拓扑电路的作用是使V0既不大于也不小于V in，但是两者极性必须相反。

二、断续操作方式：在断续的感应电流方式下，或者说“断续方式”下，降压、升压和反激电路的动作方式是相似的，感应电流在每个开关周期的最后部分期间为零（因此不连续）。

在每个周期的开始部分，感应电流从零增加，从输入端得到储存能量。

在周期的第二部分，所有储存的能量通过负载泄放，从输入端汲取能量到输出端。

开关电源常用拓扑开关电源（Switching Power Supply）是一种将电能通过开关元件进行频繁开关的方式进行变换，而产生所需输出电压、电流和功率的电源。

开关电源具有高效、轻便、可靠等优点，广泛应用于电子系统中的各种设备和产品之中。

在实际应用中，开关电源可采用多种不同的拓扑结构，下面我们来介绍几种常用的拓扑结构及其特点。

1.降压型开关电源（Buck Converter）降压型开关电源是常见的一种拓扑结构，其基本原理是通过控制开关管的开关时间和开关频率，将高电压稳定地降低为低电压输出。

相比其他拓扑结构，降压型开关电源具有简单、可靠、成本低等优点，适用于电流小于输出电压的应用场合。

2.提升型开关电源（Boost Converter）提升型开关电源适用于输出电压高于输入电压的场合，其基本原理是通过控制开关管的开关时间和开关频率，将低电压升高至稳定的高电压输出。

相比降压型开关电源，提升型开关电源具有输出电压高、输出能力强等优点，但其效率相对较低。

3.反激型开关电源（Flyback Converter）反激型开关电源采用变压器隔离，其基本原理是通过控制开关管的开关时间和开关频率，将输入电压转换为直流输出，适用于输入、输出电压变化幅度较大、输出电流较小的应用场合。

相比其他拓扑结构，反激型开关电源具有简单、成本低等优点。

4.正激型开关电源（Forward Converter）正激型开关电源也采用变压器隔离，其基本原理是通过控制开关管的开关时间和开关频率，将输入电压转换为直流输出，适用于输入输出电压差不大，输出功率大、质量要求高的应用场合。

正激型开关电源的复杂度相对较高，但其效率高、稳定性好。

以上几种开关电源拓扑结构都有各自的特点和优劣，应根据具体的应用场合选择合适的方案。

为了确保开关电源的稳定性和安全性，还需充分考虑元器件的质量、功率、温度、使用寿命等方面。

尽管如此，开关电源的使用范围和影响力在电子行业中逐渐扩大，为现代电子技术发展提供了强有力的支持。