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电源基础知识——《基本开关变换拓扑》

发表时间:2021-07-02 16:18

基本开关变换拓扑


请注意,在些特定应用场合, 人们使用这此相同的元器件进行了许业其他的组合。大多数已通过实践证明实用性不强,但在这里有两个拓扑值得一提。

第一个即是组合了Buck 和Boost电路,称之为“Buck 或Boost“变换器,如图4.2所示。


图4.2   “Buck或Boost" 电路是结合了两个拓扑,但共用个电感



该电路将Buck电路的输人端和Boost电路的输出端进行组合,并在中间用一个共用电感结合起来。此种拓扑结构的主要优点是能够将输出电压调节到一个固定的值, 同时输入电压可以在高于或低于输出电压的范围内连续变化。此电路的一个重要应用是锂(Li-ion)电池充电电路,它将固定的低电压(例如从33V电源电压)向锂离子(Li-ion)电池进行充电,其输出电压会从2.7V充电到4.5V。

分析此电路,可以看到,该电路是一个降压或升压结构, 因为当VIN 低于VouT时,输入开关管保持导通,输人整流二极管截止, 而升压电路正常工作以调节输出。然而,当VIN 高于VouT时,升压开关管保持截止,输出整流二极管持续导通,而输入二极管作为续流使用,降压电路对输出电压进行调节。设计时必须要注意,以确保各个状态之间的平稳过渡。

除了不受限制的VINVouT 关系之外,另一个优点是设计只用一个电感。但一个隐藏的缺点就是在半导体器件数量上增加了一倍,而其中每个半导体器件却还没有被充分使用,这会增加导通损耗,另外还需要给两个功率开关管提供单独栅极驱动电路。

另一个比较实用的电路是组合了Boost和Flyback的变换器,这称之为SPEIC电路,它是一个单端原边电感转换器,如图4.3所示。


图4.3   SEPIC 拓扑,它是一个单端原边电感转换器,集成了Boost和Flyback拓扑结构


该电路可以通过单个对地参考的开关管来实现输出高于或低于输人电压工作,由于开关管是对地的,从而简化了栅极驱动。电感位于输入端,可以更容易滤除掉输入端的噪声,并且通过串联电容可以提供浪涌电流控制和实现短路保护。另一个好处是串联电容将钳位两个半导体器件(开关管和整流二极管)上的峰值电压。虽然也需要两个电感.但因为这两个电感的绕组可以缠绕在同一个磁芯上,所以这个还是可以接受的。但是,此拓扑的挑战在于,主回路中流过所串联的电容的电流有效值很大,如何通过设计补偿电路来确保系统稳定。同时由于开关管和整流二极管都必须承受截止关断时的高电压,幅值为( VIN+ VouT ), 并且其电流大小为输人和输出电流峰值的电流之和,这对半导体器件选型提出了较高的要求,所以还需要考虑成本和效率上的折中。



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