開關(guān)模式電源電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：非隔離式轉(zhuǎn)換器和隔離式轉(zhuǎn)換器

當(dāng)電源包含開關(guān)穩(wěn)壓器以將電能從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式并具有必要特性時(shí)，稱為開關(guān)模式電源(SMPS)。該電源用于從DC i/p電壓或未調(diào)節(jié)的AC獲得調(diào)節(jié)的DC o/p電壓。

開關(guān)模式電源與其它電源一樣是一個(gè)復(fù)雜的電路，它從電源向負(fù)載供電。開關(guān)模式電源對(duì)于消耗功率的不同電氣和電子設(shè)備以及設(shè)計(jì)電子項(xiàng)目至關(guān)重要。

開關(guān)模式電源可根據(jù)其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為兩種類型：非隔離式轉(zhuǎn)換器和隔離式轉(zhuǎn)換器。

非隔離式轉(zhuǎn)換器

非隔離轉(zhuǎn)換器是一種SMPS拓?fù)漕愋?，其中開關(guān)電路和輸出未隔離，即它們具有公共端子。非隔離SMPS中的三種基本且重要的類型是：

升壓轉(zhuǎn)換器

降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器

還有其它非隔離式SMPS設(shè)計(jì)，如開關(guān)電容器、Cuk轉(zhuǎn)換器和SEPIC轉(zhuǎn)換器，但上面列出的三種類型更加重要。它們是最簡(jiǎn)單的SMPS設(shè)計(jì)，使用單個(gè)電感器作為能量存儲(chǔ)元件和兩個(gè)開關(guān)，其中一個(gè)是有源開關(guān)(晶體管 - 功率MOSFET)，另一個(gè)可以是二極管。

輸出電壓可以更高(升壓)或更低(降壓)，并且可以通過高頻方波(應(yīng)用于開關(guān))的占空比來控制。非隔離拓?fù)涞囊粋€(gè)主要缺點(diǎn)是開關(guān)的效率會(huì)隨著占空比的降低而下降。隔離拓?fù)涓m合較大的電壓變化。

隔離式轉(zhuǎn)換器

SMPS中的隔離拓?fù)涫褂米儔浩髯鳛殚_關(guān)元件和輸出之間的隔離器。根據(jù)變壓器的匝數(shù)比，輸出電壓可以高于或低于輸入電壓?；谧儔浩鞯腟MPS拓?fù)淇梢栽O(shè)計(jì)為通過在變壓器上使用多個(gè)繞組來生成多個(gè)輸出電壓。

其中，儲(chǔ)能元件可以是變壓器次級(jí)繞組或單獨(dú)的電感器。兩個(gè)重要的基于隔離拓?fù)涞腟MPS轉(zhuǎn)換器是：

反激式轉(zhuǎn)換器

正向轉(zhuǎn)換器

其它一些常用的隔離式SMPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是半橋、全橋、推挽、半正向、隔離Cuk 等。

降壓轉(zhuǎn)換器

降壓轉(zhuǎn)換器是一種SMPS電路和DC-DC轉(zhuǎn)換器，其中輸出電壓小于輸入電壓。

降壓轉(zhuǎn)換器是最簡(jiǎn)單的SMPS電源轉(zhuǎn)換器技術(shù)之一，常用于RAM、CPU、USB等。降壓轉(zhuǎn)換器中的輸入直流電可以是整流后的交流電或電池。下圖顯示了一個(gè)使用兩個(gè)開關(guān)(一個(gè)晶體管和一個(gè)二極管)和一個(gè)儲(chǔ)能元件(電感器)的簡(jiǎn)單降壓轉(zhuǎn)換器。

在上圖中是一個(gè)簡(jiǎn)單的降壓轉(zhuǎn)換器裝置，它由開關(guān)晶體管、二極管、電感器和電容器組成。電感器、二極管和電容器的組合稱為慣性同步電路。

另外，降壓轉(zhuǎn)換器的操作是根據(jù)方波脈沖來進(jìn)行的。下圖顯示了輸入脈沖為高電平時(shí)降壓轉(zhuǎn)換器的操作，即開關(guān)晶體管導(dǎo)通。

當(dāng)輸入到MOSFET柵極端子的脈沖為高電平時(shí)，晶體管導(dǎo)通。結(jié)果，晶體管將為負(fù)載提供電流。在此期間，二極管D處于反向偏置狀態(tài)，在此期間不會(huì)成為電路的一部分。

最初，電感器抵抗電流的變化，因此，負(fù)載電流將隨著磁場(chǎng)的擴(kuò)大而逐漸增加。此外，電容器上的電荷逐漸增加到電源電壓。下圖是脈沖變低的情況，即晶體管關(guān)閉。

當(dāng)脈沖變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，開關(guān)晶體管關(guān)閉。在晶體管導(dǎo)通狀態(tài)期間建立的磁場(chǎng)現(xiàn)在開始崩潰并將能量釋放回電路。電感兩端電壓的極性，即它的反電動(dòng)勢(shì)現(xiàn)在反轉(zhuǎn)了。來自電感器的能量開始崩潰并保持電流在電路中流過負(fù)載和二極管，因?yàn)槎O管D正向偏置。

一旦來自電感器的能量被完全利用，電容器開始放電并充當(dāng)主要電源，直到晶體管導(dǎo)通。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，它將再次向電感、電容和負(fù)載提供電流，并且該過程繼續(xù)進(jìn)行。

輸出電壓取決于開和關(guān)時(shí)間，即方波脈沖的占空比，輸出電壓的公式為：

VOUT=D x VIN，其中D=TON/(TON+TOFF)

借助降壓轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)超過90%的效率，因此，它們經(jīng)常用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，將12V電源轉(zhuǎn)換為典型的1.8V(用于RAM、CPU和USB)。

升壓轉(zhuǎn)換器

顧名思義，升壓轉(zhuǎn)換器是一種開關(guān)模式電源，可相對(duì)于輸入電壓提升或增加輸出電壓，去輸出電壓高于輸入電壓。

升壓轉(zhuǎn)換器最著名的應(yīng)用之一是電動(dòng)汽車。電動(dòng)汽車電池的供電不足以使其工作，因?yàn)樗鼈冃枰入姵靥峁┑碾妷焊叩枚嗟碾妷?通常在500V左右)。升壓轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)重要應(yīng)用是汽車中的筆記本電腦充電器。典型的汽車電池提供12V，筆記本電腦需要18至22V之間的任何電壓。

下面顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的升壓轉(zhuǎn)換器，這個(gè)簡(jiǎn)單的升壓轉(zhuǎn)換器由一個(gè)開關(guān)晶體管(可以使用BJT或MOSFET)、一個(gè)能量存儲(chǔ)元件(即電感器)、另一個(gè)開關(guān)(二極管或另一個(gè)晶體管)、電容器和一個(gè)占空比可控的高頻方波振蕩器組成。

此升壓轉(zhuǎn)換器的輸入是未調(diào)節(jié)的直流電，可由整流的交流、電池、太陽能、直流發(fā)電機(jī)等提供，即可AC轉(zhuǎn)換DC。

首先，能夠看到晶體管第一次打開的時(shí)間段。當(dāng)脈沖第一次為高電平時(shí)，晶體管導(dǎo)通并關(guān)閉由電感器、晶體管和輸入電源組成的電路的一部分。電流從輸入端流過電感器和晶體管。

電感器最初會(huì)抵抗電流的變化，但磁場(chǎng)會(huì)逐漸增加，從而使電感器能夠存儲(chǔ)能量。電路其余部分(即二極管、電容器和負(fù)載)的阻抗要高得多，因此，電路的那部分不會(huì)有電流流動(dòng)。

當(dāng)方波脈沖變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，晶體管關(guān)閉。此操作將導(dǎo)致流經(jīng)電感器的電流下降，由于磁場(chǎng)崩潰，會(huì)在電路中產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)。此外，電感兩端電壓的極性現(xiàn)在已反轉(zhuǎn)，將與輸入電壓串聯(lián)。

輸入電壓和電感器反電動(dòng)勢(shì)的組合無法通過電感器，因?yàn)樗殃P(guān)閉。因此，二極管正向偏置并為電容器充電并為負(fù)載提供電流。

需要注意的一點(diǎn)是，在晶體管關(guān)斷狀態(tài)期間提供給電容器和負(fù)載的電壓是輸入電壓和電感器反電動(dòng)勢(shì)的組合，高于輸入電壓。

當(dāng)晶體管再次導(dǎo)通時(shí)，電流再次流過電感和晶體管。由于二極管反向偏置，在此期間，電容器通過充當(dāng)其源的負(fù)載釋放其電位，該電位是輸入電壓和電感器電壓的總和。

其輸出電壓由下式給出：

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

反激式轉(zhuǎn)換器

反激式轉(zhuǎn)換器是一種開關(guān)模式電源，通常用于低功率應(yīng)用。反激式轉(zhuǎn)換器是一種隔離型SMPS，其中輸入和輸出通過變壓器隔離。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的反激式轉(zhuǎn)換器的電路。

反激式轉(zhuǎn)換器的主要組件是開關(guān)晶體管、振蕩器電路、變壓器、開關(guān)(如二極管)和電容器。這里的變壓器不同于一般的變壓器，而是稱為反激式變壓器(Flyback Transformer)。在此變壓器中，初級(jí)和次級(jí)不同時(shí)導(dǎo)通。

當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，電流流過變壓器的初級(jí)，dot為較高電位。結(jié)果，次級(jí)感應(yīng)電壓的極性將與初級(jí)相反。因此，二極管D反向偏置。如果電容器在前一個(gè)周期充電，它將通過負(fù)載放電。下圖顯示了反激式轉(zhuǎn)換器中的此段運(yùn)行時(shí)間：

下圖說明了反激式轉(zhuǎn)換器在其他時(shí)段(即晶體管關(guān)斷時(shí)段)的操作。當(dāng)脈沖變低時(shí)，晶體管關(guān)斷，變壓器的初級(jí)不導(dǎo)通。變壓器次級(jí)的能量將釋放到電路中，并且次級(jí)的極性也會(huì)反轉(zhuǎn)，即變?yōu)檎龢O。因此，二極管正向偏置，允許存儲(chǔ)在次級(jí)線圈中的能量充當(dāng)電源，它為電容器充電并為負(fù)載提供電流。

正向轉(zhuǎn)換器

另一個(gè)重要的開關(guān)模式電源是正向轉(zhuǎn)換器。它也是另一種隔離型SMPS，可從未調(diào)節(jié)的直流電源產(chǎn)生受控和調(diào)節(jié)的直流電。

正向轉(zhuǎn)換器的效率略高于反激式轉(zhuǎn)換器，常用于功率要求稍高的應(yīng)用(一般在200W左右)。正向轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)比反激式轉(zhuǎn)換器稍微復(fù)雜一些，簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)如下所示：

正向變換器的簡(jiǎn)單電路由一個(gè)快速開關(guān)晶體管、一個(gè)控制方波占空比的控制電路、一個(gè)普通變壓器、兩個(gè)交流整流二極管、一個(gè)電感和一個(gè)濾波電容組成。

下圖顯示了晶體管導(dǎo)通時(shí)正向轉(zhuǎn)換器的操作。當(dāng)脈沖為高電平時(shí)，晶體管導(dǎo)通，結(jié)果變壓器的初級(jí)線圈開始導(dǎo)通。結(jié)果，在變壓器的次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓。

次級(jí)感應(yīng)電壓的極性與初級(jí)相似，因此二極管D1正向偏置。來自次級(jí)的電壓將開始流經(jīng)二極管D1、電感器、電容器，最后流向負(fù)載。在此期間，電感器和電容器分別以磁場(chǎng)和電場(chǎng)的形式存儲(chǔ)能量。

當(dāng)脈沖變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，晶體管關(guān)閉，因此初級(jí)線圈停止導(dǎo)通。這將反過來停止在次級(jí)感應(yīng)電流。電流的這種突然變化(或下降)將產(chǎn)生電感器的反電動(dòng)勢(shì)，并且其電壓的極性反轉(zhuǎn)。

下圖顯示了正向轉(zhuǎn)換器的這段運(yùn)行時(shí)間。電感器中的能量開始通過負(fù)載和二極管D2在電路中崩潰(因?yàn)樗钦蚱玫?。一旦電感器中的能量耗盡，電容器便開始通過負(fù)載放電，并充當(dāng)負(fù)載的臨時(shí)電源。這一直持續(xù)到晶體管再次導(dǎo)通為止：

正向轉(zhuǎn)換器的輸出電壓取決于變壓器匝數(shù)比以及脈寬調(diào)制器的占空比。輸出電壓由下式給出：

VOUT = VIN x D x NS/NP

總結(jié)

雖然開關(guān)模式電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型有多種，但比較常見的就是以上介紹的四種，即DC-DC轉(zhuǎn)換器、AC-DC轉(zhuǎn)換器、反擊式轉(zhuǎn)換器和正向轉(zhuǎn)換器。與此同時(shí)，也簡(jiǎn)單介紹這四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理，以便幫助大家更好的理解。