lloyd h·dixon jr
摘要本文回顧了在開關電源中常用的三種電路結構即降壓變換電路、公升壓變換電路和逆向變換電路的特性，這三種電路均可以在斷續的感應電流或者連續的感應電流模式下使用。執行方式的選擇對整體電路特性有很大的影響。所使用的控制方式也能有助於將與任何拓撲結構和執行方式相聯絡的問題減到最少。
三種以固定頻率執行的控制方法包括：直接占空比控制、 電壓前饋、和電流模式（兩個環路）控制。本文還論述了三個基本電路的一些擴充套件，利用每個拓撲電路的相對優點—執行方式—控制方法組合。
一、三種基本拓撲結構：
三種基本的拓撲結構如圖1所示：降壓式，公升壓式，反激式。串聯式變換器（cuk）是反激式拓撲的逆變，不作論述。
這三種不同的開關電路使用了三種相同的元件：電感，三極體，和二極體，但是使用了不同的安放方式，（輸出電容是濾波元件，不是開關電路的一部分）。理論上，還有另外三種由這三種元件組成的t型結構的電路，但這三種是前面三種電路的簡單映象和在相反方向的耦合能量。
有一條在任何執行模式和控制方式下都適用於上述三種電路拓撲的原則：在穩態執行下，在每個開關週期內，電感兩端的平均電壓必須為零，否則平均感應電流將會改變，違反穩態前提。
三種基本電路系列的每乙個在輸入和輸出電壓、電流、占空比之間都有乙個獨特的關係。例如：降壓調整器的功能是使輸出電壓v0小於輸入電壓vin，並和它vin有相同的極性。
公升壓電路的作用是使v0大於vin，並且有相同的極性。反激拓撲電路的作用是使v0既不大於也不小於vin，但是兩者極性必須相反。
二、斷續操作方式：
在斷續的感應電流方式下，或者說「斷續方式」下，降壓、公升壓和反激電路的動作方式是相似的，感應電流在每個開關週期的最後部分期間為零（因此不連續）。在每個週期的開始部分，感應電流從零增加，從輸入端得到儲存能量。在週期的第二部分，所有儲存的能量通過負載洩放，從輸入端汲取能量到輸出端。
1、電流波形
斷續方式的電流波形如圖2所示,不管電路的拓撲結構如何，電感、電晶體和二極體的電流波形是一樣的，但是輸入和輸出電流波形會因為電路不同而不同，這取決於三個元件和輸入輸出的連線方式。
2、三種狀態
在每個轉換週期期間有三個獨特的執行狀態：
（1） 在電晶體導通期間ton內，感應電流il從零上公升到峰值ip。在ton結束時，這個峰值電流等於儲存在電感中的能量。在這段時間內，感應電流從輸入端得到，並且儲存在電感中的能量每個週期都是從輸入電源得到。
（2） 當電晶體關斷時，電感電壓反向並且其中儲存的能量推動同一峰值電流流經二極體。在二極體導通時間td內，感應電流推動輸出並且呈線性的減小到零。在td末期，所有儲存在電感中的能量都被傳遞到輸出端。
（3） 當電流變為零時，電感再沒有能量。在剩餘的切換時間內所有開關電路器件中的電流是零。在這個空閒時間ti內，電路等待下乙個時鐘脈衝到達使電晶體開啟，然後開始下乙個週期。
3、斷續方式邊界
當負載電流增加時，控制電路引起ton（占空比）增加。峰值感應電流變大，並且二極體導通時間td增加。因此，負載電流的增加會引起空閒時間ti內穩態的減小。
當負載電流增加到某一值時，ti變成零，並且到達斷續方式的邊界。如果負載電流進一步增加，電感電流每個週期將不再洩放到零，並且產生連續執行方式。因為穩定的斷續方式操作所需要的環路增益補償不能夠阻止連續方式的振盪，電路將變得不穩定。
對控制電路來說監測和限制電感電流以防止它越過在這個邊界是必要的。
4、良好的閉環響應
在斷續方式下，很容易在改變由於線電壓上較大跨度的改變引起的干擾及負載電流時得到良好的響應，因為電感在每個開關週期總是以零儲能開始。這使控制電路有可能獲得任何需要的能量標準，從零到最大輸出，在逐個週期的基礎上。電感從小訊號閉環特徵「突然消失」，使電容相位落後90°。
結果的單極特性是固有的穩定的並且在閉環時容易處理的。在連續模式下嚴格限制閉環響應的右半平面零電位公升壓和反激電路不同於斷續模式拓撲結構。
5、高峰值電流
斷續模式的乙個主要缺點是有高峰值電流通過電晶體、二極體和輸出濾波電容。這要求半導體器件有較高的電流容納能力並且在輸出濾波電容串聯等效電阻安置乙個偏置負載。例如，在公升壓和反激電路中，二極體在輸出端，因此二極體平均電流id必須等於oc輸出電流io 。
在全負載條件下，如果二極體時間td開關週期的50%,峰值電流就是全電阻電流io的4倍。
在降壓電路中，感應電流推動輸出端，所以峰值電是稍微小的與輸出電流成比例。降壓拓撲很少用在斷續模式因為在連續模式工作的更好。
6、極小的開環電源和負載調整率
反擊式拓撲結構在斷續模式下的基本直流等式如下式（1），公升壓調整器的公式與其相似，但更為複雜。反激式電路公式如下：
（1vo = vin d-[ro/(2lf)]1/2
從這個等式可以看到，如果占空比固定不變（開環控制），vo的變化與vin和輸出負載ro有直接的關係。換言之，開環電源和負載調整率是極小的，並且占空比必須被控制電路改變以便在電源好負載條件範圍內維持理想的輸出電壓。
7、控制方法
在三種固定頻率的控制方法中，（直接占空比控制、 電壓前饋、和電流模式）,輸出電壓是和乙個固定的參考電壓作比較。得出的電壓差被放大並且做為閉環控制電壓vc。
8、直接占空比控制
電晶體占空比d=ton/t，它的變化是與控制電壓vc成比例的。極小的開環電源和負載調整率需要很高的環路增益來修正。輸出濾波電容是閉環系統的一部分並且引進乙個延遲修正vin變化的週期延遲。
9、電源前饋控制
輸入電壓的取樣值被直接反饋到控制電路，引起占空比變化，占空比與vin成反比，與vc成正比[d=（k vc）/vin]，如果vin增加，d自動減小以便輸入伏特--秒維持穩定的vc，因此vc直接控制輸入伏特--秒。開環電源調整率是好的，以至於低於所需求的閉環增益到達需要的直流調整率。公式（1）變為：
(2vo = k vc-[ro/(2lf)]1/2
其中k為前饋比，k=（vind）/ vc
10、電流模式控制
乙個內部的第二控制環路的峰值感應電流ip與控制電壓vc相比較，在外部環路，vc直接控制ip。內部環路提供乙個內部較好的電源調整率，與單元前饋相似。等式（1）變為：
(3vo = k vc-[rolf/2]1/2
其中k是內部環路電流控制因子，k=（maxip）/（maxvc）
電壓前饋和電流控制方式都是常用的，它們實際上有同樣的好處—提高開環電源調整率，把瞬間的改正提供給線變化以及需要更少的閉環增益。
三、連續操作模式
在連續感應電流模式（連續模式）下，在任何週期內感應電流從不為零（見圖3），與有同樣應用引數的斷續模式相比，連續模式需要更大的感應係數。與有載輸出電流相比電感紋波電流小。
1、電流波形
連續模式波形如圖3，就像連斷模式一樣，電感、電晶體和二極體電流波形在降壓、公升壓或反激式電路中是一樣的，但是輸入輸出波形因三種元件在輸入輸出中串聯得不同而不同。
公升壓和反激式電路有相似的動作。在相同情況下，輸出電流是斷續的二極體電流id。峰值輸出電流稍微大於斷續模式下電流值的一半。這減小了輸出電容上的負擔。
降壓式調整器的動作非常不同，它的輸出電流是感應電流，不是斷續的，但是有相對較緩的斜坡和小的紋波振幅。實際上只要減小輸出電容的串聯等效電阻和電流額定值，這個波形很容易濾除。由於這個原因，連續方式的降壓調整器很廣泛的應用於開關電源結構中，特別是在有高峰值電流的較高功率標準的電路中，因為其他結構電路會在輸出濾波電容上產生電容難以承受的負擔。
2、兩種狀態
因為感應電流不為零，所以在連續模式中，沒有空閒時間，並且在每個開關週期內只有兩種執行狀態。
（1） 電晶體導通ton期間，感應電流il從前乙個值（大於零）變成更高的值，取代在關斷期間電感釋放的能量。電流（和功率）從輸入端得到。
（2） 當電晶體關斷時，二極體引導每個週期的停止。il下降到之前的值，不會變成零，只是向輸出端釋放能量。
在連續執行模式下，感應電流的上斜坡和下斜坡只取決於在輸入輸出電壓之上的部分，平均感應電流或輸出負載電流整體上是獨立的。假如沒有斷續方式的第三種狀態（空閒）的適應性，每個拓撲中vin、vo和占空比d會有不同的關係。例如，在降壓變換器中，電感輸入端的平均電壓是[（vin ton）/t]或（vin d），同時電感輸出端的電壓為vo。
在穩態中，電感兩端的平均電壓必須為零，所以vo=vin d。這是降壓調整器直流等式的基礎。開環負載調整率中沒有對負載電流和阻值的相關限制。
當io改變時，穩定狀態il也隨之改變，但是感應紋波電流和vo不變。
3、連續模式邊界—最小負載電流。
當負載電流降低時，占空比和感應紋波電流不變，但是平均感應電流相應的下降。在降壓調整器中io=il ,在公升壓和反激式電路中io=（1-d）il 。在某一臨界的負載電流標準上，感應電流在紋波最小處達到零。
這就是連續模式的邊界。如果負載電流進一步增加，第三種狀態空閒時間出現，並且電路中斷執行，完全不同於執行中的特性。直流調整率快速下降。
在連續模式調整器中，負載電流不被允許降低到邊界被通過的臨界點以下。這個最小的負載要求是連續模式系統的不利之處。
各種開關電源拓撲結構總結
各種結構拓撲結構的總結 一 buck基本型降壓電路，電路簡潔，所需元件少，效率可以做到很高 電路未實現隔離，大功率是對電路各種器件要求較高，穩定性不夠高，靈活性不夠。二 boost基本公升壓電路，電路簡潔，所需元件少，效率可以做到很高電路未實現隔離，大功率是對電路各種器件要求較高，如輸出比較大的功率...
詳解開關電源拓撲結構的優缺點
2 反激式開關電源的瞬態控制特性相對來說比較差 由於反激式開關電源僅在開關關斷期間才向負載提供能量輸出，當負載電流出現變化時，開關電源不能立即對輸出電壓或電流產生反應，而需要等到下乙個週期，通過輸出電壓取樣和調寬控制電路的作用，開關電源才開始對已經過去了的事情進行反應，即改變占空比，因此，反激式開關...
開關電源詳解
1 因為近日很多人在向我諮詢有關開關電源設計知識，這裡將我撰寫的 開關電源原理與設計 一書，希望給設計開關電源的工程師朋友一點幫助，我會以 的形式發布此書，歡迎提出改進建議！第一章開關電源的基本工作原理 1 1 幾種基本型別的開關電源 顧名思義，開關電源就是利用電子開關器件 如電晶體 場效電晶體 可...