《開關電源拓撲電路的基本型式》
《 開關電源拓撲電路的基本型式 》
一、電路拓撲
拓撲，是一個數學概念，主要研究幾何圖形或空間在連續改變形狀后還能保持不變的一些性質。
拓撲結構，是表示點和線之間關系的圖。要考察的是點、線之間的位置關系，或者說幾何結構強調的是點與線所構成的形狀及大小。
如梯形、正方形、平行四邊形及圓都屬于不同的幾何結構，但從拓撲結構的角度去看，由于其點、線之間的連接關系相同，從而具有相同的拓撲結構，即環型結構。
電路拓撲，指的是一種描述電子電路中元器件連接形式和互聯方式的圖形表述法。是對電路圖的再次抽象，僅由支路和節點構成的一個集合，它強調的是電路的連接關系及其性質，即支路與節點的連接關系。
它考慮的是元器件之間的邏輯結構，而不關心具體的元器件屬性和數值。以此來分析電路工作原理、優化電路結構、判斷電路可靠性等。
在電路拓撲中，元器件之間的連接方式被看做是一個抽象的網格結構。這個結構展現了每個元器件的連接方式和方向、路徑的傳遞方式、回路的存在與否等重要信息。相比于其他描述電路的方法，如原理圖和布局圖，電路拓撲更加簡潔明了，不會因為曲線的不同而產生混淆。
電路拓撲主要由電源（輸入源）、負載、其它元器件、線性段、交叉點、分支和節點構成。其中，電源、負載和其它元器件用其對應的符號表示；線性段代表連接元器件的導線；交叉點代表兩個或多個導線相互穿過；分支代表一個電路的一部分在某個位置匯合為一個點；節點是電路中信號或者電流的匯聚點或輸出點，即，多個元器件的連接點。
電路拓撲的設計和實現需要考慮到電路中磁性元件和閉環補償電路以及所有其它電路元器件的特性、工作電壓和信號要求等因素。因此，在設計電路拓撲時，必須首先對電路功能、穩定性、可靠性和安全性進行系統分析和深入研究。其次，制定合理的拓撲結構方案，并通過實驗驗證其合理性和有效性。最后，借助電路仿真軟件對電路進行仿真分析，以確保最終產品符合設計要求。
二、開關電源拓撲電路的基本型式
BUCK拓撲（串聯型/降壓式）：BUCK降壓電路是開關電源中最簡單且常見的拓撲結構之一。它主要通過控制開關管的通斷，將輸入電壓降至較低輸出電壓。在BUCK電路中，開關管和電感器以及輸出電容等元件協同工作，以實現穩定的電壓輸出。
這種電路結構簡單，效率高，非常適合作為用于降壓的DC-DC轉換器。
不僅可以實現高效率，也可以達到高功率。BUCK轉換器的缺點是輸入電流始終不連續，從而導致高EMI。
BOOST拓撲（并聯型/升壓式）：與BUCK降壓電路相反，BOOST升壓電路主要用于較低的輸入電壓升高至所需的輸出電壓。在BOOST電路中，開關管、電感器和二極管等元件通過特定的連接方式工作時序，實現電壓的升高。
由于BOOST拓撲在連續導通模式下工作時會以連續、均勻的方式吸收電流，因此它是功率因素校正電路的理想選擇。
BUCK-BOOST拓撲（倒極性/降壓升壓式）：BUCK-BOOST電路結合了BUCK和BOOST電路的特點，既可以實現降低功能，也可以實現升壓功能。這種電路拓撲結構相對復雜，但具有更靈活的應用范圍。在需要同時滿足降壓和升壓需求的場合，BUCK-BOOST電路是一個很好的選擇。
FLYBACK拓撲（反激式）：FLYBACK電路常見于低功率應用場景和設備，是一種隔離式拓撲，它基于變壓器的存儲能量傳輸原理，主要由開關元件（如二極管或晶體管）、輸入電容和輸出電容組成。
在FLYBACK拓撲中，輸入輸出電容扮演著重要角色，有助于穩定電源輸出和防止干擾。典型的反激式電源原理圖通常展示了開關元件、變壓器、輸入輸出電容以及其他必要的電子元件如何連接在一起，形成完整的電源電路。
FORWARD拓撲（正激式）：FORWARD電路是一種隔離式拓撲，其基本結構包括一個開關管、一個高頻變壓器和輸出整流二極管，這種簡單的結構使得正激電路在中小功率電源變換場合得到廣泛應用。
FORWARD電路可應用于降壓、升壓等多種電壓變換場景，適應不同的電源需求。由于其結構特點，正激式電路易于實現多路輸出，適合于需要多個獨立電源輸出的系統。特別是在供電電源要求低電壓大電流的場合尤為適合。
在開關關斷期間，為了防止變壓器鐵芯磁飽和，必須采用專門的磁復位電路，這增加了電路的復雜性，也影響了它的效率。
由于磁復位技術的多樣性和軟開關技術的發展，正激電路的拓撲結構呈現出多樣性。不同的應用場景可用不同的拓撲結構來優化性能和效率。
FORWARD拓撲電路是一種成熟且應用廣泛的電力電子技術，它通過簡單的結構和多樣性的拓撲變化，滿足了不同場合的電源需求。
TWO-TRANSISTOR FORWARD拓撲（雙晶體管正激式）：雙晶體管正激式拓撲電路，它采用兩個功率開關晶體管（通常稱為莫氏管）來控制電源的開關時間。這種拓撲結構基于單管正激式發展而來，具有以下特點：
可靠性：由于輸入和輸出之間存在隔離，雙晶體管正激式轉換器屬于初級開關轉換器系列，能夠承受電壓尖峰，提高了系統的可靠性。
功率范圍：適用于高達數百瓦的輸出功率，適合于大功率電源應用。
控制方式：兩個晶體管由脈寬調制（PWM）控制，實現同時導通和截止，提高了轉換效率。
轉換效率：與單管正激式相比，雙管正激式具有更高的轉換效率。在單管正激式中，開關管在復位過程會承受兩倍的輸入電壓，而在雙管正激式中，兩個晶體管同時導通和關閉，使得每個晶體管承受的電壓為輸入電壓，從而降低了對晶體管耐壓的要求，提高了轉換效率。
應用領域：適用于需要高轉換效率、穩定性好、動態響應速度快和低輸出紋波的應用場景，特別是在大功率電源中成為主流選擇。
雙晶體管正激式拓撲是一種高效、可靠的電源轉換技術，特別適用于大功率電源系統，通過使用兩個晶體管并采用脈寬調制控制，提高了系統的轉換效率和穩定性。
Push-Pull拓撲（推挽式）：Push-Pull拓撲，一種非隔離式拓撲，是開關電源設計中的一種基本拓撲結構。它由兩個參數相同的功率晶體管（如BJT或MOSFET）組成，這兩個晶體管以推挽方式工作，交替導通和截止。
在Push-Pull電路中，每次只有一個晶體管導通，因此具有較高的效率和較小的導通損耗。推挽輸出的特點是可以向負載灌電流，也可以從負載抽取電流。
Push-Pull電路包含兩個對稱的功率開關管，這兩個開關管通過一個互補的信號控制，確保在一個時刻只有一個管子導通，另一個管子截止。
當一個開關管導通時，電流通過變壓器的一個線圈流向負載，同時另一個線圈產生相應的磁場。在下一個周期中，原來導通的開關管截止，另一個開關管導通，此時電流通過變壓器的另一個線圈流向負載，原線圈的磁場方向相反。這種交替導通和截止的方式，使得推挽電路能夠在變壓器初級線圈產生交變信號，從而實現高效的能量轉換。
Push-Pull電路結構簡單，開關變壓器磁芯利用率高。適用于需要較高功率輸出的應用場景。Push-Pull拓撲適用于多種應用場景，包括但不限于隔離式電源設計、低噪聲、小型隔離式電源解決方案等。
變壓器需要中心抽頭，增加了設計的復雜性。開關管的電壓應力較高，需要承受相當于兩倍電源電壓的耐壓。輸入電流紋波較大，可能導致較大的輸入濾波器體積。
HALF BRIDGE拓撲（半橋式）：HALF BRIDGE拓撲，是一種常用的非隔離式開關電源拓撲，它通過兩個開關管交替導通來形成一個半橋結構。這種電路能夠在電源電路中實現零電壓開關，從而降低開關損耗并提高轉換效率。
HALF BRIDGE拓撲電路通常包含兩個功率半導體開關管、一個電感和一個電容，它只有半個橋臂，因此稱為“半橋”。這兩個開關管分別位于交流電源的正負半周，通過開關管的開關控制來實現電源電壓的變換。
HALF BRIDGE拓撲電路常見于低功率應用場景。
FULL BRIDGE拓撲（全橋式）：FULL BRIDGE拓撲，是一種可將直流電能轉換為交流電能的非隔離式電路拓撲。它主要由四個橋臂組成，每個橋臂都包含一個可控開關管和一個二極管并聯。這兩個橋臂串聯后，再并聯形成全橋結構。輸入端連接在串聯橋臂的兩端，而輸出端則是兩串聯橋臂的中點。負載跨接在輸出端的兩極之間。
FULL BRIDGE拓撲電路通過控制開關管的工作狀態，可以實現直流電轉換為交流電的目的。它由四個開關管和一個負載組成，其中兩個對稱的開關管控制電源正負極之間的電流方向，另外兩個開關管與這兩個開關管并聯，實現電流的反向流動。當開關管的工作狀態變化時，所連接的負載上的電壓與電流也會發生相應的變化。
FULL BRIDGE拓撲電路在電力電子領域有著廣泛的應用，例如在交流電源中用于將直流電轉換成交流電，或在電機控制中進行變頻調速和正弦波控制。FULL BRIDGE拓撲電路，可應用于大功率場合，能夠實現軟開關，降低開關損耗，提高轉換效率。
SEPIC拓撲（非隔離型）：SEPIC拓撲電路，是在BOOST拓撲基礎上增加一個CL（電容和電感）環節而形成的一種四階非線性系統，它允許輸出電壓大于、小于或等于輸入電壓。
使用兩個獨立的分立功率電感，輸出電流（脈動小）波形穩定，有助于減少電磁干擾（EMI）輻射和對負載的影響。
它通過CDC（電容數位化轉換）技術實現輸入輸出同極性。在控制方法層面可以采用PID、模糊自適應PID等算法進行控制，在控制對象選擇方面可以采用針對電壓的單閉環、和針對電流、電壓的雙閉環控制。
它的基本工作原理涉及斬波電路，它是開關電源六種基本DC/DC變換拓撲之一。這種電路在電源管理系統中扮演著重要角色，特別是在需要靈活調節電壓并要求高效率的應用中。
SEPIC拓撲電路之輸出易于擴展，可廣泛應用于升降壓型直流變換電路和功率因數校正電路，更能夠在很寬的電壓輸入范圍內提供穩定的輸出電壓。
CUK拓撲（非隔離型）：CUK拓撲電路，是一種直流電源轉換器，屬于開關電源六種基本DC/DC變換拓撲之一。它由美國加州理工學院的Slobodan Cuk在1980年左右提出，是對Buck/Boost變換器的改進型。CUK變換器可以看作是BOOST變換器和BUCK變換器的串聯組合，中間合并了開關管。這種變換器具有以下特點：
輸入和輸出端均沒有電感，這有助于顯著減小輸入和輸出電流的脈動。
輸出電壓的極性與輸入電壓相反，這意味著輸出電壓既可以低于也可以高于輸入電壓。
具有CCM（連續導電模式）和DCM（斷續導電模式）兩種工作方式，這是指流過二極管的電流在開關周期中的狀態。
CUK變換器中的兩個電感之間可以沒有耦合，也可以有耦合，耦合電感可以進一步減少電流脈動量。
CUK電路的結構包括輸入濾波電容、開關管、輸入電感、輸出電感和輸出電容等元件。它的功能不僅限于升降壓轉換，還能實現輸出電壓極性與輸入電壓相反的轉換，這使得CUK變換器在電源管理系統中具有廣泛的應用。
CUK拓撲結構的高效率和輸出電壓不受輸入電壓大小影響的特性，使其非常適合于低電壓大電流的應用場景。
ZETA拓撲（非隔離型）：Zeta拓撲電路包含兩個電感、兩個電容和一個開關管，其中輸入電壓對電感充電，同時電容釋放之前存儲的能量。在開關管關斷時，電感和電容釋放存儲的能量，為負載提供能量。
Zeta拓撲通過一個驅動高端PMOSFET的降壓轉換器進行配置，其工作原理涉及輸入電壓對電感的充電和電容的放電過程。相比SEPIC拓撲，具有更低的輸出電壓紋波和更簡單的補償需求，適合對電源效率有較高要求的場合。
設計SEPIC拓撲電路時，需要考慮電感和電容的匹配以及開關管的選型，以確保系統的穩定性和效率；設計Zeta轉換器時，重點在于優化電感和電容的值，以及選擇合適的控制器，以實現快速響應和低紋波輸出。
Zeta拓撲的一個重要特點是其輸入輸出關系，它的輸入、輸出電流均是斷續的。這種特性使得Zeta電路在功率因子校正（PFC）應用中具有優勢，因為它允許輸入電流自動跟隨輸入電壓，從而簡化了控制策略并降低了成本。
與Boost拓撲和Buck拓撲電路相比，Zeta拓撲電路在PFC應用中具有明顯的優點，因為其功率因子不受占空比的影響，使得Zeta拓撲構成的PFC電路在功率因子的表現上優于其他變換器。
Sepic拓撲通常用于需要輸入和輸出電壓極性相同，但電壓范圍不同的應用場合，如升壓或降壓轉換器；Zeta拓撲則適用于需要輸出電壓極性反轉的應用，如電壓極性反轉器或雙向電源等。Sepic拓撲在某些應用場景下可能具有較高的效率，特別是在中等功率范圍。Zeta拓撲的效率可能因應用場景而異，但在特定需求下（如電壓極性反轉）表現良好。
Zeta拓撲電路具有低紋波、低噪聲、高效率等優點，適用于各種需要非隔離直流電源的場合。
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