電源基礎(chǔ)拓撲的組合應(yīng)用

　　1、摘要

　　開關(guān)電源已經(jīng)深入到國民經(jīng)濟的各個行業(yè)當(dāng)中，設(shè)計師或是自行設(shè)計電源或是購買電源模塊，但是這些電源都離不開電源的各種電路拓撲。本文先介紹了開關(guān)電源的三大基礎(chǔ)拓撲：Buck、Boost、Buck-Boost，并就這三者拓撲之間進行了簡單地組合，得到了非常巧妙的電路，例如：正負輸出電源、雙向電源等，能夠滿足諸如運放供電、電池充放電等某些特殊的需求。

　　2、開關(guān)電源基礎(chǔ)拓撲

　　開關(guān)電源三大基礎(chǔ)拓撲為：Buck、Boost、Buck-Boost，大部分開關(guān)電源都是采用這幾種基礎(chǔ)拓撲或者其對應(yīng)的隔離方式，下面以電感連續(xù)模式進行簡單介紹。

　　2.1Buck降壓型

　　Buck降壓型電路拓撲，有時又稱為Step-down電路，其典型的電路結(jié)構(gòu)如下圖1所示：

　　Buck電路的工作原理為：

　　當(dāng)PWM驅(qū)動高電平使得NMOS管T導(dǎo)通的時候，忽略MOS管的導(dǎo)通壓降，等效如圖2，電感電流呈線性上升，MOS導(dǎo)通時電感正向伏秒為：

　　當(dāng)PWM驅(qū)動低電平的時候，MOS管截止，電感電流不能突變，經(jīng)過續(xù)流二極管形成回路(忽略二極管電壓)，給輸出負載供電，此時電感電流下降，如下圖3所示，MOS截止時電感反向伏秒為：

　　D為占空比，0

　　2.2Boost升壓型

　　Boost升壓型電路拓撲，有時又稱為step-up電路，其典型的電路結(jié)構(gòu)如下圖4所示：

　　同樣地，根據(jù)Buck電路的分析方式，Boost電路的工作原理為：

　　0

　　2.3Buck-Boost極性反轉(zhuǎn)升降壓型

　　Buck-Boost電路拓撲，有時又稱為Inverting，其典型的電路結(jié)構(gòu)如下圖5所示：

　　同樣地，根據(jù)Buck電路的分析方式，Buck-Boost電路的工作原理為：

　　3、Buck與Buck-Boost組合

　　金升陽K78系列的產(chǎn)品采用了Buck降壓型的電路結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，是LM78XX系列三端線性穩(wěn)壓器的理想替代品，效率最高可達96%，不需要額外增加散熱片，同時還兼有短路保護和過熱保護，值得說明的是它能夠完美支持負輸出。

　　上面提到金升陽K78系列產(chǎn)品可以支持負輸出，這是怎么做到的呢?

　　從上面Buck電路以及Buck-Boost電路結(jié)構(gòu)原理來看，主要的區(qū)別是兩者二極管與功率電感的位置互換。因此，若將Buck電路的輸出Vo引腳接成輸入的GND，而之前的輸入GND就變成了負電壓輸出了，即變成了Buck-Boost的電路結(jié)構(gòu)。對應(yīng)到金升陽K78xx-500R2系列的產(chǎn)品就變成了如下圖6所示的負輸出。

　　因此，用2只K7812-500R2的產(chǎn)品，實現(xiàn)BUCK與BUCK-BOOST電路相結(jié)合，可以得到±12V輸出，低的紋波和噪聲可以給運放進行供電。

　　需要值得注意的是，由于BUCK-BOOST電路在啟動電流會比BUCK電路大一些，所以會在BUCK-BOOST電壓輸入端加一些緩沖類的器件。

　　4、Buck與Boost組合

　　Buck與Boost兩者相結(jié)合，會得到什么樣的電路和應(yīng)用呢?根據(jù)不同的控制，可以讓電源從高壓降到低壓，也可以將低壓升到高壓，可以稱之為雙向DC-DC變換器之一，典型的應(yīng)用電路如下圖：

　　DC-DC雙向變換器目前主要應(yīng)用在各大充放電系統(tǒng)中，隨著儲能器件的發(fā)展得到了廣泛地應(yīng)用，主要的行業(yè)在汽車電子，電梯節(jié)能系統(tǒng)等應(yīng)用行業(yè)。

　　當(dāng)T2管截止時，T1管與D1、L等器件構(gòu)成了Buck型降壓電路，可以實現(xiàn)對后級的負載進行供電;反之，當(dāng)T1管截止，T2管與D2二極管、L等器件構(gòu)成了Boost升壓電路，對前端電源進行能量補充。目前對T1和T2管的控制以模擬方式控制相對還是比較困難，均是以數(shù)字控制方式為主。

　　下面是將超級電容運用到電梯能量回收系統(tǒng)中，將電機的能量在超級電容和直流母線之間進行相互傳遞，降低了能源的損耗。

　　由于超級電容充放電電流比較大，普通的功率MOS管已經(jīng)不適合使用，通常用IGBT來替代，而IGBT驅(qū)動在導(dǎo)通和關(guān)斷的響應(yīng)速度上，驅(qū)動電源選擇+15V和-9V將會是比較理想的，一方面+15V能夠完全提供正向驅(qū)動的電壓，另一方面-9V又能夠加速IGBT的關(guān)斷。而QP12W05S-37是個不錯的選擇。

　　5、總結(jié)

　　基本電源拓撲結(jié)構(gòu)中Buck降壓型應(yīng)用最多，但是各個基礎(chǔ)拓撲組合使用，可以解決很多類似于正負電源供電以及雙向電源應(yīng)用方面的問題?？傊娫椿A(chǔ)拓撲結(jié)構(gòu)雖老，但是實際應(yīng)用卻可以千變?nèi)f化。

　　6、參考文獻

　　《開關(guān)電源的原理與設(shè)計》(修訂版)張占松蔡宣三;

　　《開關(guān)電源功率變換器拓撲與設(shè)計》張興柱;

　　《精通開關(guān)電源設(shè)計》(第2版)【美】馬尼克塔著王健強等譯