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电源拓扑 - 开关稳压（非隔离型）

开关电源是利用电控开关管开通和关断的时间比率，以维持稳定输出电压的一种电源，现代开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制 IC 和 MOSFET 构成。

开关稳压基础概念​

  • 一个完整周期的时间：TsT_{s}
  • 电子开关接通的时间：TonT_{on}
  • 占空比 δ=TonTs\delta=\frac{T_{on}}{T_{s}}

电感的伏秒平衡：处于稳定状态的电感，开关导通时间（电流上升段）的伏秒数，须与开关关断时间（电流下降段）的伏秒数在数值上相等。

功率相等原则：在不考虑效率的情况下，开关电源的输入功率等于输出功率，即输入电压与电流的乘积，相当于输出电压与电流的乘积。直观上，降压转换器能提供比输入更大的电流，而升压转换器的输出电流小于输入的电流。

开关稳压主要元件及特性​

开关稳压使用的主要元器件是电子开关、电感与电容。

电子开关​

电子开关的要求就是实现快速闭合断开，越快越好，一般常用三极管、功率 MOS 管或 IGBT 管。

电感​

电感作为储能元件，在 DC-DC 中用于平滑电流（所以也称扼流圈）。流过电感的电流特点是有磁通连续性（可以理解为惯性）。通常情况下，电感工作在其线性区，此时电感值为常数，不随端电压和流过的电流而变化。电感有以下几个特点：

  1. 电感 LL 中有电流 II 流过时，储存有 12LI2\frac{1}{2}LI^2 的能量。
  2. 电感 LL 两端电压 VV 不变时，因为 V=LdidtV=L\frac{di}{dt}，忽略内阻，电感电流的变化率就是 didt=VL\frac{di}{dt}=\frac{V}{L}，即电感电流呈线性增加。
  3. 正在储能的电感，如果突然切断原回路，电感会维持磁场不变，即电流不能瞬时突变，或者说伏·秒值不变。

电感中储存的功率可表示为：

P(L)=LI2f2P(L)=\frac{LI^2f}{2}

可以看出，电感中储存的功率与开关频率成正比关系。如果开关频率加倍，则电感尺寸可减半。

电容​

电容在 DC-DC 中也是用来储能与传递电能的，但跟电感频率特性相反，它主要用来吸收纹波、平滑电压波形，使输出电压变得平稳。也称其为输出电容。

电容中储存的功率可表示为：

P(C)=CV2f2P(C)=\frac{CV^2f}{2}

与电感同理，电容可以通过增加开关频率，从而缩小尺寸。但需要注意的是，开关频率越高，一般会产生越高的噪声，所以需要在尺寸和频率之间权衡。

二极管​

在非同步 DC-DC 中，我们使用二极管为开关断开时的电感提供续流回路，所以也称其为续流二极管。而在同步 DC-DC 中，会使用电子开关来代替续流二极管。

非隔离型 DC-DC 拓扑结构​

非隔离型 DC-DC 拓扑结构在工作时，输入源级与输出负载共享同一条电流路径。

用电子开关、电感、电容、二极管，能构成最简单的 PWM 型 DC-DC。主要分三类：降压型 Buck、升压型 Boost、升降压型 Buck-Boost，以下将详细展开说明。另外还有双级反相升降压型 Cuk（音 chook），双级正相升降压型 SEPIC（ZETA），因较少应用不展开描述。

降压型 Buck​

降压型 Buck 是把一个较高的电压转换为一个稳定的低电压。其拓扑如下：

注：图中的开关 S1S_1 实际为电子开关（可为功率 MOS 管），此处为了易于理解，简化为普通的开关。

基本原理：

  1. 开关 S1S_1 闭合（蓝色实线）
    • 此时二极管 D1D_1 截止，电流经过电感 L1L_1，给负载 RLR_L 供电，同时将电能储存在电感 L1L_1 和电容 C1C_1 中。在电感线圈未饱和前，电流呈线性增加（电感内电流不能突变），输出电压不能立刻达到输入的电压值。
    • 此时电感正向伏秒为：(Vin−Vout)∗Ton(V_{in}-V_{out})* T_{on}
  2. 开关 S1S_1 断开（绿色虚线）
    • 电感 L 因自感惯性作用，其电流方向大小不能发生突变。这时候电流会流经由续流二极管 D1D_1 提供的回路，继续为输出负载供电。此时电容 C1C_1 也参与放电。
    • 此时电感反向伏秒为：Vout∗ToffV_{out} * T_{off}

根据电感伏秒平衡（即能量守恒），(Vin−Vout)∗Ton=Vout∗Toff(V_{in}-V_{out})* T_{on}=V_{out} * T_{off}，可得到：

Vout=δ∗VinV_{out}=\delta*V_{in}

各节点的波形曲线：

通过控制 PWM 的占空比，使得电子开关 S1S_1 不断地闭合断开，此时的输入电流是脉动的。但经过电感、电容、二极管的共同作用下，输出的电流是相对连续平稳的。

升压型 Boost​

升压型 Boost，可以把一个较低的电压转换为一个稳定的较高电压。其拓扑如下：

基本原理：

  1. 开关 S1S_1 闭合（蓝色实线）
    • 电流流经电感 L1L_1，在电感未饱和前，其电流以 VinL1\frac{V_{in}}{L_1} 的速率线性增加，电能以磁能形式储存在电感中。此时电容 C1C_1 为负载 RLR_L 供电，假设此时负载两端电压为 V0V_0。因为开关 S1S_1 闭合，所以二极管 D1D_1 阳极接地，电容放出的电不能通过二极管。
    • 此时电感正向伏秒为：Vin∗TonV_{in}* T_{on}
  2. 开关 S1S_1 断开（绿色虚线）
    • 由于电感 L1L_1 上的电流不能突变，所以电感上的磁能转化为电压输出电流，以 Vout−VinL1\frac{V_{out}-V_{in}}{L_1} 的速率线性下降，与电源 VinV_{in} 形成串联，向电容 C1C_1 和负载 RLR_L 供电。当串联电压高于V0V_0 时，电容 C1C_1 状态为充电；当串联电压等于 V0V_0 时，充电电流为零；当 V0V_0 有下降趋势时，电容向负载放电，以维持 V0V_0 不变。
    • 此时电感反向伏秒为：(Vout−Vin)∗Toff(V_{out}-V_{in})* T_{off}

根据电感伏秒平衡 Vin∗Ton=(Vout−Vin)∗ToffV_{in}* T_{on}=(V_{out}-V_{in})* T_{off} ，可得到：

Vout=δ1−δ∗VinV_{out}=\frac{\delta}{1-\delta}*V_{in}

（当且仅当 V{in}<V{out} 时成立）

各节点的波形曲线：

因为串联时负载两端电压 V0V_0 高于原本的 VinV_{in}，所以能实现升压。

升降压型 Buck-Boost​

升降压型 Buck-Boost 可以把一个输入电压转换为一个反相的稳定输出电压，这个输出电压的值可以高于或低于输入电压的值。其拓扑如下：

基本原理：

  1. 开关 S1S_1 闭合（蓝色实线）
    • 电流流经电感 L1L_1，在电感未饱和前，其电流以 VinL1\frac{V_{in}}{L_1} 的速率线性增加；二极管 D1D_1 反向截止，阻断从电源通向负载的电流。这段时间内存储在 C1C_1 中的能量对负载供电。
    • 此时电感正向伏秒为：Vin∗TonV_{in}* T_{on}
  2. 开关 S1S_1 断开（绿色虚线）
    • 由于电感 L1L_1 上的电流不能突变，其电流以 VoutL1\frac{V_{out}}{L_1} 的速率线性下降，所以电流走绿色虚线回路，对负载供电，并给电容 C1C_1 充电，二极管 D1D_1 正向导通。流经电感的电流呈线性减小。由于电流的流向，输出电压对地而言是负值，所以这个拓扑结构的输出是反相的。
    • 此时电感反向伏秒为：−Vout∗Toff-V_{out}* T_{off}

根据电感伏秒平衡 Vin∗Ton=−Vout∗ToffV_{in}* T_{on}=-V_{out}* T_{off} ，可得到：

Vout=−δ1−δ∗VinV_{out}=\frac{-\delta}{1-\delta}*V_{in}

各节点的波形曲线：

升降压型转换器的优点是输入电压可以低于也可以高于稳压后的输出电压。实际可用于电池供电电路，比如系统需要 12V 的电源，电池充满电是 13V，亏电是 11V 的情况。

Buck 与 Boost 的连续与非连续模式​

连续（CCM）与非连续（DCM）模式，指的是 电感的电流是否会下降至 0。如果负载很大，那么电感中的电流不会降至 0，就称为连续的；反之如果负载很小，转换器有足够的时间对输出端的电容进行完全充电，那么在剩余的时间里，电感的电流将会降至 0，当新的周期开始后，电感电流又重新从 0 开始线性增加，这称为非连续模式。

连续与不连续的临界状态是 12ΔiL=Iout\frac{1}{2}\Delta i_L=I_{out}。当 12ΔiL<Iout\frac{1}{2}\Delta i_L<I_out 时，则为连续模式；反之则为不连续。

在低负载的情况下，连续模式过渡到非连续模式将导致输入输出电压关系的变化：

因此为了保持在连续模式下工作，许多升降压控制器在低负载的情况下选择提高它们的工作频率。

同步与异步转换​

同步与异步的区别，指 逆向电流保护整流器（续流管）用的是二极管还是场效应管。如下图，左侧是异步，右侧是同步：

同步的模式下，场效应管的启动信号必须是与 PWM 信号异相位的。

同步相比异步的优点是，场效应管的 RDS(on)R_{DS(on)} 很小，正向压降很小，在高电流和地输入电压的情况下，会有更高的效率。而且大功率场效应管的封装一般比功率二极管小，因此可以省空间。

同步相比异步的缺点是，会带来额外的驱动电路和防止两个场效应管同时导通所需的时序电路，会提高成本；另外在低负载的情况下，场效应管栅极电容充放电会产生额外的功耗，所以效率实际上比异步的低。

参考与致谢​

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