開(kāi)關(guān)模式電源拓撲解釋

2021-07-15

開(kāi)關(guān)模式電源拓撲解釋

電源的作用對電子電路至關(guān)重要，因為如果沒(méi)有足夠的電源，電路就無(wú)法以最佳狀態(tài)運行。另一方面，過(guò)大的電源會(huì )因熱效應而使電路元件劣化。電源拓撲通常有兩種選擇；線(xiàn)性電源和開(kāi)關(guān)電源 (SMPS)。

線(xiàn)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(kāi)關(guān)電源拓撲優(yōu)于線(xiàn)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(yōu)勢仍大于線(xiàn)性電源。

此外，SMPS 的成本最初很高

開(kāi)關(guān)電源拓撲

由于開(kāi)關(guān)電源包含大量組件，因此需要不同的階段。每個(gè)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(guò)同時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉直流電壓，還有一個(gè)逆變器級可用于直流到交流的轉換。開(kāi)關(guān)速率決定了交流輸出的頻率。

線(xiàn)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(shí)，SMPS 優(yōu)于線(xiàn)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(guò)線(xiàn)性模式，但選擇不同拓撲的 SMPS 也是一個(gè)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(gè)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(lián)電感器和并聯(lián)電容器，因此非常適合 DC 到 DC 轉換。雖然降壓轉換器通過(guò)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(lái)說(shuō)，它不是一個(gè)合適的選擇。

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

促進(jìn)

升壓拓撲是非隔離用例的首選。由于開(kāi)關(guān)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(dòng)態(tài)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(shí)會(huì )汲取持續電流，從而在發(fā)生顯著(zhù)變化時(shí)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(kāi)關(guān)位置的不同而變化，因此驅動(dòng)電路的流程有點(diǎn)復雜。

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

SEPIC/?uk

SEPIC 和 ?uk 拓撲都利用電容器以及電路中的兩個(gè)電感器來(lái)存儲能量。“這兩個(gè)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(gè)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(yōu)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(wèn)題。

反激式拓撲由一個(gè)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(guò)調整匝數比打開(kāi)了可變電壓選項。此外，變壓器的使用為多個(gè)輸出創(chuàng )造了可能性。

反激拓撲是低功耗應用中最簡(jiǎn)單和最常見(jiàn)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(gè)變壓器以及變壓器輸出側的擴展降壓電路。因此，它也被稱(chēng)為變壓器隔離降壓轉換器。由于非脈動(dòng)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(guò)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(zhuān)門(mén)用于低功率應用。雖然效率與反激式相當，但它的缺點(diǎn)是在輸出上有一個(gè)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(dòng)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(kāi)關(guān)功能至關(guān)重要，因為如果兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)打開(kāi)。然后它會(huì )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(huì )。

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(kāi)關(guān)同時(shí)打開(kāi)，它也存在電流突然上升的相同問(wèn)題。“為了控制這一點(diǎn)，每個(gè)開(kāi)關(guān)的導通時(shí)間之間需要有一個(gè)死區時(shí)間。這將占空比限制為大約 45%。有利的是，半橋拓撲開(kāi)關(guān)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(lèi)似于半橋拓撲，它進(jìn)一步利用諧振的概念來(lái)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(kāi)關(guān)，這也降低了開(kāi)關(guān)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(yōu)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(diǎn)是其“復雜性和成本”。