基本開關電源拓撲（3）-拓撲的本質

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四，基本（開關電源）拓撲分析對于開關電源拓撲來說：（電感器）、開關管和（二極管）之間的節(jié)點被稱為交換節(jié)點；（電流）從電感器流入節(jié)點后，既可以從二極管流出，也可以從開關管流出（取決于開關管狀態(tài)），所以節(jié)點處的電流在二極管和開關管之間交替流動，一直保持大電流，同時節(jié)點電壓也必然大范圍跳動（電感器兩端電壓跳變），可以看到其電壓是斬波式的。如下圖所示為BUCK-BOOST、BOOST和BUCK拓撲，紅色圈內(nèi)為各個拓撲的交換節(jié)點；以BUCK-BOOST拓撲為例，在該節(jié)點上開關管的“導通”時節(jié)點的電壓為+12V，而開關管“關斷”時節(jié)點的電壓為-5.5V，所以該節(jié)點是電壓波形是范圍為12V和-5.5V的斬波。

——交換節(jié)點處天然形成一個電場（天線）（電壓跳變范圍大，電流大），會對四周造成（射頻）干擾（EMI），輸出（電源）電壓導線可能會接收到該輻射干擾并傳遞給負載端，造成噪聲干擾。

如上圖所示，開關電源的三種基本拓撲結構，其它所有開關電源拓撲都是基于這三種拓撲的改進、組合，但開關拓撲（工作原理）是一致的；我們只需要徹底掌握這三種基本電源拓撲，其它開關電源拓撲分析起來就會變得簡單：

如下左圖所示，紅色框內(nèi)MOS管替代續(xù)流二極管，變成同步BUCK電源拓撲結構（上下MOS管需要進行同步設計：一個MOS管“關斷”的同時另一個MOS管“導通”）；如下右圖所示，通過變壓器來替換電感器，變成反激式拓撲，同時還有推挽式、正極式，半橋、全橋電源拓撲等等；可以將BUCK、BOOST及BUCK-BOOST拓撲，兩兩組合級聯(lián)變成新種類電源拓撲：Cuk、Se（pi）c和Zeta拓撲等。

1，三種基本拓撲

電源的輸入到輸出轉換拓撲電路，由開關管+電感器+二極管的串、并組合而成，單純從組合邏輯來說有n種（N>10），那為什么只有這三種是有效的電源拓撲呢？

我記得在《（電阻器）應用》章節(jié)中說起過“共地”和“浮地”的設計問題，一般接地設備的單板上所有地，不管是否在單板內(nèi)部共地，最終都會連接到“大地”上，從而回流到“大地”；那為什么大家都要連到“大地”呢？因為地球是等勢體，所有設備只要連在“大地”上，那么兩個設備之間便共地了（接地其實并非如此簡單，后續(xù)《（電磁兼容）基礎》再詳細分析接地問題）。

——電網(wǎng)系統(tǒng)參考的“地”便是“大地”，所有電網(wǎng)系統(tǒng)電源輸出后需最終回流到“大地”。

那兩個設備之間相互“浮地”行不行？只要沒有（電氣）接觸（舉個栗子：用光纜連接）應該是可以的。但只要有電氣接觸，就可能存在兩個問題：

兩個有不同參考地系統(tǒng)的（信號），是無法相互識別和判斷的；——只針對單端信號，差分信號AC（耦合）后，不受影響（共（模電）平接收端提供）；

兩個信號線接觸瞬間可能產(chǎn)生浪涌電流，造成器件損壞，設計中注意浪涌保護。說回電源拓撲，除了這BUCK，BOOST，BUCK-BOOST三種電源基本拓撲之外，部分拓撲結構的輸入和輸出之間沒有公共地（對于非隔離式拓撲，電源無法回流），即開關拓撲與系統(tǒng)的其它部分之間沒有合適的參考地。如下圖所示，以BUCK-BOOST拓撲電路的變種為例，在開關導通或關斷過程中，沒有一個共同的“地”始終將輸入端和輸出端連接在一起，導致電源回流中斷；所以對于BUCK-BOOST拓撲來說，必須將二極管和開關管放在電感器的同一邊，如上一節(jié)BUCK-BOOST結構圖所示。

——對于隔離式開關電源拓撲，由于采用了變壓器，所以回流是通過變壓器來實現(xiàn)的，輸入電源與輸出電源之間不需要公共地。

那再也找不出三種拓撲之外的有共地的拓撲了么？如下圖所示，不同電感器的連接方式，在設置合適地后，可得到三個不同的端點：輸入端、輸出端和地端。

若電感器與輸出端相連，則得到BUCK拓撲電路；若電感器與輸入端相連，則得到BOOST拓撲電路；——根據(jù)剛剛的分析，輸入或輸出端接電感器，那么輸入、輸出的回流地必然不能串接開關管或則二極管，那么開關管和二極管只能分別串接在輸出/輸入和地端；而除了BUCK和BOOST的電源拓撲結構外，我們組合電路后得到其它拓撲都是無效的；舉個栗子，如上圖BUCK拓撲中：如果將二極管串接在輸入端，開關管串接在地端，那么當開關管導通時，輸入端和地端短路，不是有效的拓撲結構。

若電感器與地端相連，則得到BUCK-BOOST拓撲電路。2，三種基本拓撲（DC）傳遞函數(shù)比較

伏秒定律是在電源穩(wěn)態(tài)工作下，所有開關拓撲必須要滿足的定律。如果在電源穩(wěn)態(tài)下不滿足伏秒定律：Von*ton=Voff*toff；那么我們從電感器公式VΔt=LΔI，可得LΔIon≠LΔIoff，那么電感器磁芯磁場強度將往一個方向偏，最終導致電感器磁芯飽和而損壞開關管或電感器本身。

同樣我們對于不同開關拓撲占空比的定義是一樣：開關管的“導通”時間Ton占開關周期T的比例，即D=Ton/T；如果對于連續(xù)模式來說T=Ton+Toff（不連續(xù)模式下：T>Ton+Toff）。如下圖所示，我們可以根據(jù)伏秒定律和占空比定義來推導不同拓撲結構的直流傳遞函數(shù)。

所以我們分別得到了理想情況下（不計算開關管、二極管、電感器等損耗）的三種基本電源拓撲的直流傳遞函數(shù)：

BUCK拓撲的直流傳遞函數(shù)：D=Vo/Vin；BOOST拓撲的直流傳遞函數(shù)：D=(Vo-Vin)/Vo=1–Vin/Vo；BUCK-BOOST拓撲的直流傳遞函數(shù)：D=Vo/(Vin+Vo)=1–Vin/(Vin+Vo)?！覀兺ㄟ^直流傳遞函數(shù)，看到所有拓撲中當Vin輸入電壓不變時，隨Vo輸出電壓增加，占空比D變大；但是BOOST和BUCK-BOOST拓撲的占空比最大不能超過50%，。

那么我們得到了開關電源拓撲的直流傳遞函數(shù)又有啥用呢？我們在后續(xù)開關電源具體設計中詳細分解。

3，三種基本拓撲電流比較

三種基本拓撲各種電流之間的關系如下圖所示：IL為平均電感電流，Io為輸出電流，IIN為輸入電流，ISW為開關管電流，ID為二極管電流。

關于IL與Io的關系，需要注意的是：

對于BUCK拓撲來說電感電流IL與輸出電流Io相同，原因是電感器是串在輸出端的，所有輸出電流均流過電感器提供；對于BOOST和BUCK-BOOST拓撲來說，電感電流IL則與輸出電流Io并不相同，甚至遠大于輸出電流（取決于其拓撲結構），