詳解開(kāi)關(guān)電源的三大基礎拓撲

　　1、 摘要

　　開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)深入到國民經(jīng)濟的各個(gè)行業(yè)當中，設計師或是自行設計電源或是購買(mǎi)電源模塊，但是這些電源都離不開(kāi)電源的各種電路拓撲。本文先介紹了開(kāi)關(guān)電源的三大基礎拓撲：Buck、Boost、Buck-Boost，并就這三者拓撲之間進(jìn)行了簡(jiǎn)單地組合，得到了非常巧妙的電路，例如：正負輸出電源、雙向電源等，能夠滿(mǎn)足諸如運放供電、電池充放電等某些特殊的需求。

　　2、 開(kāi)關(guān)電源基礎拓撲

　　開(kāi)關(guān)電源三大基礎拓撲為：Buck、Boost、Buck-Boost，大部分開(kāi)關(guān)電源都是采用這幾種基礎拓撲或者其對應的隔離方式，下面以電感連續模式進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

　　2.1 Buck降壓型

　　Buck降壓型電路拓撲，有時(shí)又稱(chēng)為Step-down電路，其典型的電路結構如下圖1所示：

　　Buck電路的工作原理為：

　　當PWM驅動(dòng)高電平使得NMOS管T導通的時(shí)候，忽略MOS管的導通壓降，等效如圖2，電感電流呈線(xiàn)性上升，MOS導通時(shí)電感正向伏秒為：

　　當PWM驅動(dòng)低電平的時(shí)候，MOS管截止，電感電流不能突變，經(jīng)過(guò)續流二極管形成回路（忽略二極管電壓），給輸出負載供電，此時(shí)電感電流下降，如下圖3所示，MOS截止時(shí)電感反向伏秒為：

　　D為占空比，0

　　2.2 Boost升壓型

　　Boost升壓型電路拓撲，有時(shí)又稱(chēng)為step-up電路，其典型的電路結構如下圖4所示：

　　同樣地，根據Buck電路的分析方式，Boost電路的工作原理為：

　　0

　　2.3 Buck-Boost極性反轉升降壓型

　　Buck-Boost電路拓撲，有時(shí)又稱(chēng)為Inverting，其典型的電路結構如下圖5所示：

　　同樣地，根據Buck電路的分析方式，Buck-Boost電路的工作原理為：

　　3、 Buck與Buck-Boost組合

　　金升陽(yáng)K78系列的產(chǎn)品采用了Buck降壓型的電路結構進(jìn)行設計，是LM78XX系列三端線(xiàn)性穩壓器的理想替代品，效率最高可達96%，不需要額外增加散熱片，同時(shí)還兼有短路保護和過(guò)熱保護，值得說(shuō)明的是它能夠完美支持負輸出。

　　上面提到金升陽(yáng)K78系列產(chǎn)品可以支持負輸出，這是怎么做到的呢？

　　從上面Buck電路以及Buck- Boost電路結構原理來(lái)看，主要的區別是兩者二極管與功率電感的位置互換。因此，若將Buck電路的輸出Vo引腳接成輸入的GND，而之前的輸入GND
就變成了負電壓輸出了，即變成了Buck-Boost的電路結構。對應到金升陽(yáng)K78xx-500R2系列的產(chǎn)品就變成了如下圖6所示的負輸出。

　　因此，用2只K7812-500R2的產(chǎn)品，實(shí)現BUCK與BUCK-BOOST電路相結合，可以得到±12V輸出，低的紋波和噪聲可以給運放進(jìn)行供電。

　　需要值得注意的是，由于BUCK-BOOST電路在啟動(dòng)電流會(huì )比BUCK電路大一些，所以會(huì )在BUCK-BOOST電壓輸入端加一些緩沖類(lèi)的器件。

　　4、 Buck與Boost組合

　　Buck與Boost兩者相結合，會(huì )得到什么樣的電路和應用呢？根據不同的控制，可以讓電源從高壓降到低壓，也可以將低壓升到高壓，可以稱(chēng)之為雙向DC-DC變換器之一，典型的應用電路如下圖：

　　DC-DC雙向變換器目前主要應用在各大充放電系統中，隨著(zhù)儲能器件的發(fā)展得到了廣泛地應用，主要的行業(yè)在汽車(chē)電子，電梯節能系統等應用行業(yè)。

　　當T2管截止時(shí)，T1管與D1、L等器件構成了Buck型降壓電路，可以實(shí)現對后級的負載進(jìn)行供電;反之，當T1管截止，T2管與D2二極管、L等器件構成了Boost升壓電路，對前端電源進(jìn)行能量補充。目前對T1和T2管的控制以模擬方式控制相對還是比較困難，均是以數字控制方式為主。

　　下面是將超級電容運用到電梯能量回收系統中，將電機的能量在超級電容和直流母線(xiàn)之間進(jìn)行相互傳遞，降低了能源的損耗。

　　由于超級電容充放電電流比較大，普通的功率MOS管已經(jīng)不適合使用，通常用IGBT來(lái)替代，而IGBT驅動(dòng)在導通和關(guān)斷的響應速度上，驅動(dòng)電源選擇+15V 和-9V將會(huì )是比較理想的，一方面+15V能夠完全提供正向驅動(dòng)的電壓，另一方面-9V又能夠加速I(mǎi)GBT的關(guān)斷。而QP12W05S-37是個(gè)不錯的選擇。

　　5、 總結

　　基本電源拓撲結構中Buck降壓型應用最多，但是各個(gè)基礎拓撲組合使用，可以解決很多類(lèi)似于正負電源供電以及雙向電源應用方面的問(wèn)題?？傊娫椿A拓撲結構雖老，但是實(shí)際應用卻可以千變萬(wàn)化。