開關模式電源拓撲解釋

2021-07-15

開關模式電源拓撲解釋

電源的作用對電子電路至關重要，因為如果沒有足夠的電源，電路就無法以最佳狀態運行。另一方面，過大的電源會因熱效應而使電路元件劣化。電源拓撲通常有兩種選擇；線性電源和開關電源 (SMPS)。

線性電源傳統上是一種舊拓撲，因此它存在于舊電子元件的設計和架構中。但是，對于當前的電路設計，新的開關電源拓撲優于線性電源，因為它具有更高的效率和緊湊的尺寸。然而，SMPS元件較多，設計復雜，其優勢仍大于線性電源。

此外，SMPS 的成本最初很高

開關電源拓撲

由于開關電源包含大量組件，因此需要不同的階段。每個階段都考慮到最佳性能所需的所有因素。示例：如果輸入電源是 AC，則輸入級提供整流器和低通濾波器，用于 AC 到 DC 的轉換。通過同時打開和關閉直流電壓，還有一個逆變器級可用于直流到交流的轉換。開關速率決定了交流輸出的頻率。

線性模式與 SMPS 的比較

從上圖可以清楚地看出，在考慮設計標準時，SMPS 優于線性模式電源。此外，緊湊的尺寸和效率也有利于前面章節中討論的 SMPS。雖然 SMPS 勝過線性模式，但選擇不同拓撲的 SMPS 也是一個艱難的選擇。有多種 SMPS 拓撲：

通常，對于單相用例，降壓拓撲需要單個電感器。但在穩健應用的情況下，需要目錄電感器。由于該拓撲帶有串聯電感器和并聯電容器，因此非常適合 DC 到 DC 轉換。雖然降壓轉換器通過多相拓撲提供高效率和功率水平，但對于需要隔離的用例來說，它不是一個合適的選擇。

降壓轉換器的主要缺點之一是輸入電流總是不連續的，這會導致更大的 EMI。但是，可以通過片式磁珠、共模扼流圈和濾波器扼流圈等濾波器元件來解決。此外，還可以為特定情況和需要額外線圈來感測和供電的應用構建定制電感器。

促進

升壓拓撲是非隔離用例的首選。由于開關相對于輸入電壓處于分流位置，因此有助于提高電壓。該拓撲還根據功能要求為升壓電路中的電感器提供了廣泛的目錄選項。此外，使用定制電感器的規定有助于為各種應用動態設計電路。

單位值的功率因數變化降低了電路的效率。因此，功率因數校正電路需要使該值接近于 1。升壓拓撲在導通模式下工作時會汲取持續電流，從而在發生顯著變化時提高功率因數。

降壓-升壓

顧名思義，降壓-升壓拓撲是單獨的降壓和升壓拓撲的組合。因此，該拓撲結構適用于升壓和降壓應用。由于電感與主電路的連接隨開關位置的不同而變化，因此驅動電路的流程有點復雜。

這種拓撲特別適用于電池應用，因為輸入電壓會隨時間變化，但它具有輸出電壓反相的缺點。

SEPIC/?uk

SEPIC 和 ?uk 拓撲都利用電容器以及電路中的兩個電感器來存儲能量。“這兩個電感器可以是單獨的電感器，也可以是耦合電感器形式的單個組件。” 升壓或降壓特性使其適用于電池應用。

由于其同相輸出，SEPIC 拓撲優于 ?uk 和降壓-升壓拓撲。兩種拓撲中的電容器都提供有限的隔離，因此它解決了隔離問題。

反激式拓撲由一個變壓器組成，該變壓器充當用于提供隔離的存儲電感器。變壓器還通過調整匝數比打開了可變電壓選項。此外，變壓器的使用為多個輸出創造了可能性。

反激拓撲是低功耗應用中最簡單和最常見的隔離拓撲。此外，反激變壓器避免了對單獨電感器的需求，因此它是一種具有成本效益的拓撲結構。

向前

前向拓撲帶有一個變壓器以及變壓器輸出側的擴展降壓電路。因此，它也被稱為變壓器隔離降壓轉換器。由于非脈動輸出電流，正向電路對于高電流供應是靈活的。因此，它是具有 15A 過大電流規格的應用的不錯選擇。

“與反激拓撲一樣，正向轉換器專門用于低功率應用。雖然效率與反激式相當，但它的缺點是在輸出上有一個額外的電感器，不太適合高電壓輸出。”

推拉

從電路上看，推挽拓撲帶有正向拓撲電路的雙初級繞組，以構建雙驅動繞組。因此，它提高了效率，因為與任何反激式或正向轉換器相比，變壓器磁芯的利用率是最佳的。推挽式轉換器還提供了在高功率要求期間按比例放大的規定。

由于一次使用50%的銅，因此導致銅損值增加。對于相同的功率水平，推挽電路具有相對于正向轉換器的緊湊型濾波器。此外，開關功能至關重要，因為如果兩個開關同時打開。然后它會在變壓器中引起相等和相反的通量，從而降低電路的阻抗。阻抗值的這種突然下降使電流值呈指數上升。因此，存在損壞電路的潛在機會。

半橋

半橋拓撲還具有擴展到更高功率水平的功能，如推挽拓撲。因此，如果開關同時打開，它也存在電流突然上升的相同問題。“為了控制這一點，每個開關的導通時間之間需要有一個死區時間。這將占空比限制為大約 45%。有利的是，半橋拓撲開關應力等于輸入電壓。這使其更適合 250VAC 和 PFC 應用。”

共振有限責任公司

諧振LLC電路的設計類似于半橋拓撲，它進一步利用諧振的概念來抵消超前和滯后效應。即使電路處于空載模式，由于零電壓開關，這也降低了開關損耗。

這種拓撲非常適合待機模式電源，因為諧振回路需要持續供電。諧振 LLC 優于推挽拓撲和半橋拓撲，因為它適用于廣泛的輸入電壓范圍。諧振 LLC 拓撲的唯一缺點是其“復雜性和成本”。