《开关电源拓扑电路的基本型式》
《 开关电源拓扑电路的基本型式 》
一、电路拓扑
拓扑，是一个数学概念，主要研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的一些性质。
拓扑结构，是表示点和线之间关系的图。要考察的是点、线之间的位置关系，或者说几何结构强调的是点与线所构成的形状及大小。
如梯形、正方形、平行四边形及圆都属于不同的几何结构，但从拓扑结构的角度去看，由于其点、线之间的连接关系相同，从而具有相同的拓扑结构，即环型结构。
电路拓扑，指的是一种描述电子电路中元器件连接形式和互联方式的图形表述法。是对电路图的再次抽象，仅由支路和节点构成的一个集合，它强调的是电路的连接关系及其性质，即支路与节点的连接关系。
它考虑的是元器件之间的逻辑结构，而不关心具体的元器件属性和数值。以此来分析电路工作原理、优化电路结构、判断电路可靠性等。
在电路拓扑中，元器件之间的连接方式被看做是一个抽象的网格结构。这个结构展现了每个元器件的连接方式和方向、路径的传递方式、回路的存在与否等重要信息。相比于其他描述电路的方法，如原理图和布局图，电路拓扑更加简洁明了，不会因为曲线的不同而产生混淆。
电路拓扑主要由电源（输入源）、负载、其它元器件、线性段、交叉点、分支和节点构成。其中，电源、负载和其它元器件用其对应的符号表示；线性段代表连接元器件的导线；交叉点代表两个或多个导线相互穿过；分支代表一个电路的一部分在某个位置汇合为一个点；节点是电路中信号或者电流的汇聚点或输出点，即，多个元器件的连接点。
电路拓扑的设计和实现需要考虑到电路中磁性元件和闭环补偿电路以及所有其它电路元器件的特性、工作电压和信号要求等因素。因此，在设计电路拓扑时，必须首先对电路功能、稳定性、可靠性和安全性进行系统分析和深入研究。其次，制定合理的拓扑结构方案，并通过实验验证其合理性和有效性。最后，借助电路仿真软件对电路进行仿真分析，以确保最终产品符合设计要求。
二、开关电源拓扑电路的基本型式
BUCK拓扑（串联型/降压式）：BUCK降压电路是开关电源中最简单且常见的拓扑结构之一。它主要通过控制开关管的通断，将输入电压降至较低输出电压。在BUCK电路中，开关管和电感器以及输出电容等元件协同工作，以实现稳定的电压输出。
这种电路结构简单，效率高，非常适合作为用于降压的DC-DC转换器。
不仅可以实现高效率，也可以达到高功率。BUCK转换器的缺点是输入电流始终不连续，从而导致高EMI。
BOOST拓扑（并联型/升压式）：与BUCK降压电路相反，BOOST升压电路主要用于较低的输入电压升高至所需的输出电压。在BOOST电路中，开关管、电感器和二极管等元件通过特定的连接方式工作时序，实现电压的升高。
由于BOOST拓扑在连续导通模式下工作时会以连续、均匀的方式吸收电流，因此它是功率因素校正电路的理想选择。
BUCK-BOOST拓扑（倒极性/降压升压式）：BUCK-BOOST电路结合了BUCK和BOOST电路的特点，既可以实现降低功能，也可以实现升压功能。这种电路拓扑结构相对复杂，但具有更灵活的应用范围。在需要同时满足降压和升压需求的场合，BUCK-BOOST电路是一个很好的选择。
FLYBACK拓扑（反激式）：FLYBACK电路常见于低功率应用场景和设备，是一种隔离式拓扑，它基于变压器的存储能量传输原理，主要由开关元件（如二极管或晶体管）、输入电容和输出电容组成。
在FLYBACK拓扑中，输入输出电容扮演着重要角色，有助于稳定电源输出和防止干扰。典型的反激式电源原理图通常展示了开关元件、变压器、输入输出电容以及其他必要的电子元件如何连接在一起，形成完整的电源电路。
FORWARD拓扑（正激式）：FORWARD电路是一种隔离式拓扑，其基本结构包括一个开关管、一个高频变压器和输出整流二极管，这种简单的结构使得正激电路在中小功率电源变换场合得到广泛应用。
FORWARD电路可应用于降压、升压等多种电压变换场景，适应不同的电源需求。由于其结构特点，正激式电路易于实现多路输出，适合于需要多个独立电源输出的系统。特别是在供电电源要求低电压大电流的场合尤为适合。
在开关关断期间，为了防止变压器铁芯磁饱和，必须采用专门的磁复位电路，这增加了电路的复杂性，也影响了它的效率。
由于磁复位技术的多样性和软开关技术的发展，正激电路的拓扑结构呈现出多样性。不同的应用场景可用不同的拓扑结构来优化性能和效率。
FORWARD拓扑电路是一种成熟且应用广泛的电力电子技术，它通过简单的结构和多样性的拓扑变化，满足了不同场合的电源需求。
TWO-TRANSISTOR FORWARD拓扑（双晶体管正激式）：双晶体管正激式拓扑电路，它采用两个功率开关晶体管（通常称为莫氏管）来控制电源的开关时间。这种拓扑结构基于单管正激式发展而来，具有以下特点：
可靠性：由于输入和输出之间存在隔离，双晶体管正激式转换器属于初级开关转换器系列，能够承受电压尖峰，提高了系统的可靠性。
功率范围：适用于高达数百瓦的输出功率，适合于大功率电源应用。
控制方式：两个晶体管由脉宽调制（PWM）控制，实现同时导通和截止，提高了转换效率。
转换效率：与单管正激式相比，双管正激式具有更高的转换效率。在单管正激式中，开关管在复位过程会承受两倍的输入电压，而在双管正激式中，两个晶体管同时导通和关闭，使得每个晶体管承受的电压为输入电压，从而降低了对晶体管耐压的要求，提高了转换效率。
应用领域：适用于需要高转换效率、稳定性好、动态响应速度快和低输出纹波的应用场景，特别是在大功率电源中成为主流选择。
双晶体管正激式拓扑是一种高效、可靠的电源转换技术，特别适用于大功率电源系统，通过使用两个晶体管并采用脉宽调制控制，提高了系统的转换效率和稳定性。
Push-Pull拓扑（推挽式）：Push-Pull拓扑，一种非隔离式拓扑，是开关电源设计中的一种基本拓扑结构。它由两个参数相同的功率晶体管（如BJT或MOSFET）组成，这两个晶体管以推挽方式工作，交替导通和截止。
在Push-Pull电路中，每次只有一个晶体管导通，因此具有较高的效率和较小的导通损耗。推挽输出的特点是可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。
Push-Pull电路包含两个对称的功率开关管，这两个开关管通过一个互补的信号控制，确保在一个时刻只有一个管子导通，另一个管子截止。
当一个开关管导通时，电流通过变压器的一个线圈流向负载，同时另一个线圈产生相应的磁场。在下一个周期中，原来导通的开关管截止，另一个开关管导通，此时电流通过变压器的另一个线圈流向负载，原线圈的磁场方向相反。这种交替导通和截止的方式，使得推挽电路能够在变压器初级线圈产生交变信号，从而实现高效的能量转换。
Push-Pull电路结构简单，开关变压器磁芯利用率高。适用于需要较高功率输出的应用场景。Push-Pull拓扑适用于多种应用场景，包括但不限于隔离式电源设计、低噪声、小型隔离式电源解决方案等。
变压器需要中心抽头，增加了设计的复杂性。开关管的电压应力较高，需要承受相当于两倍电源电压的耐压。输入电流纹波较大，可能导致较大的输入滤波器体积。
HALF BRIDGE拓扑（半桥式）：HALF BRIDGE拓扑，是一种常用的非隔离式开关电源拓扑，它通过两个开关管交替导通来形成一个半桥结构。这种电路能够在电源电路中实现零电压开关，从而降低开关损耗并提高转换效率。
HALF BRIDGE拓扑电路通常包含两个功率半导体开关管、一个电感和一个电容，它只有半个桥臂，因此称为“半桥”。这两个开关管分别位于交流电源的正负半周，通过开关管的开关控制来实现电源电压的变换。
HALF BRIDGE拓扑电路常见于低功率应用场景。
FULL BRIDGE拓扑（全桥式）：FULL BRIDGE拓扑，是一种可将直流电能转换为交流电能的非隔离式电路拓扑。它主要由四个桥臂组成，每个桥臂都包含一个可控开关管和一个二极管并联。这两个桥臂串联后，再并联形成全桥结构。输入端连接在串联桥臂的两端，而输出端则是两串联桥臂的中点。负载跨接在输出端的两极之间。
FULL BRIDGE拓扑电路通过控制开关管的工作状态，可以实现直流电转换为交流电的目的。它由四个开关管和一个负载组成，其中两个对称的开关管控制电源正负极之间的电流方向，另外两个开关管与这两个开关管并联，实现电流的反向流动。当开关管的工作状态变化时，所连接的负载上的电压与电流也会发生相应的变化。
FULL BRIDGE拓扑电路在电力电子领域有着广泛的应用，例如在交流电源中用于将直流电转换成交流电，或在电机控制中进行变频调速和正弦波控制。FULL BRIDGE拓扑电路，可应用于大功率场合，能够实现软开关，降低开关损耗，提高转换效率。
SEPIC拓扑（非隔离型）：SEPIC拓扑电路，是在BOOST拓扑基础上增加一个CL（电容和电感）环节而形成的一种四阶非线性系统，它允许输出电压大于、小于或等于输入电压。
使用两个独立的分立功率电感，输出电流（脉动小）波形稳定，有助于减少电磁干扰（EMI）辐射和对负载的影响。
它通过CDC（电容数位化转换）技术实现输入输出同极性。在控制方法层面可以采用PID、模糊自适应PID等算法进行控制，在控制对象选择方面可以采用针对电压的单闭环、和针对电流、电压的双闭环控制。
它的基本工作原理涉及斩波电路，它是开关电源六种基本DC/DC变换拓扑之一。这种电路在电源管理系统中扮演着重要角色，特别是在需要灵活调节电压并要求高效率的应用中。
SEPIC拓扑电路之输出易于扩展，可广泛应用于升降压型直流变换电路和功率因数校正电路，更能够在很宽的电压输入范围内提供稳定的输出电压。
CUK拓扑（非隔离型）：CUK拓扑电路，是一种直流电源转换器，属于开关电源六种基本DC/DC变换拓扑之一。它由美国加州理工学院的Slobodan Cuk在1980年左右提出，是对Buck/Boost变换器的改进型。CUK变换器可以看作是BOOST变换器和BUCK变换器的串联组合，中间合并了开关管。这种变换器具有以下特点：
输入和输出端均没有电感，这有助于显著减小输入和输出电流的脉动。
输出电压的极性与输入电压相反，这意味着输出电压既可以低于也可以高于输入电压。
具有CCM（连续导电模式）和DCM（断续导电模式）两种工作方式，这是指流过二极管的电流在开关周期中的状态。
CUK变换器中的两个电感之间可以没有耦合，也可以有耦合，耦合电感可以进一步减少电流脉动量。
CUK电路的结构包括输入滤波电容、开关管、输入电感、输出电感和输出电容等元件。它的功能不仅限于升降压转换，还能实现输出电压极性与输入电压相反的转换，这使得CUK变换器在电源管理系统中具有广泛的应用。
CUK拓扑结构的高效率和输出电压不受输入电压大小影响的特性，使其非常适合于低电压大电流的应用场景。
ZETA拓扑（非隔离型）：Zeta拓扑电路包含两个电感、两个电容和一个开关管，其中输入电压对电感充电，同时电容释放之前存储的能量。在开关管关断时，电感和电容释放存储的能量，为负载提供能量。
Zeta拓扑通过一个驱动高端PMOSFET的降压转换器进行配置，其工作原理涉及输入电压对电感的充电和电容的放电过程。相比SEPIC拓扑，具有更低的输出电压纹波和更简单的补偿需求，适合对电源效率有较高要求的场合。
设计SEPIC拓扑电路时，需要考虑电感和电容的匹配以及开关管的选型，以确保系统的稳定性和效率；设计Zeta转换器时，重点在于优化电感和电容的值，以及选择合适的控制器，以实现快速响应和低纹波输出。
Zeta拓扑的一个重要特点是其输入输出关系，它的输入、输出电流均是断续的。这种特性使得Zeta电路在功率因子校正（PFC）应用中具有优势，因为它允许输入电流自动跟随输入电压，从而简化了控制策略并降低了成本。
与Boost拓扑和Buck拓扑电路相比，Zeta拓扑电路在PFC应用中具有明显的优点，因为其功率因子不受占空比的影响，使得Zeta拓扑构成的PFC电路在功率因子的表现上优于其他变换器。
Sepic拓扑通常用于需要输入和输出电压极性相同，但电压范围不同的应用场合，如升压或降压转换器；Zeta拓扑则适用于需要输出电压极性反转的应用，如电压极性反转器或双向电源等。Sepic拓扑在某些应用场景下可能具有较高的效率，特别是在中等功率范围。Zeta拓扑的效率可能因应用场景而异，但在特定需求下（如电压极性反转）表现良好。
Zeta拓扑电路具有低纹波、低噪声、高效率等优点，适用于各种需要非隔离直流电源的场合。
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