基本開關(guān)電源拓?fù)洌?）-拓?fù)涞谋举|(zhì)

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四，基本（開關(guān)電源）拓?fù)浞治鰧?duì)于開關(guān)電源拓?fù)鋪碚f：（電感器）、開關(guān)管和（二極管）之間的節(jié)點(diǎn)被稱為交換節(jié)點(diǎn)；（電流）從電感器流入節(jié)點(diǎn)后，既可以從二極管流出，也可以從開關(guān)管流出（取決于開關(guān)管狀態(tài)），所以節(jié)點(diǎn)處的電流在二極管和開關(guān)管之間交替流動(dòng)，一直保持大電流，同時(shí)節(jié)點(diǎn)電壓也必然大范圍跳動(dòng)（電感器兩端電壓跳變），可以看到其電壓是斬波式的。如下圖所示為BUCK-BOOST、BOOST和BUCK拓?fù)?，紅色圈內(nèi)為各個(gè)拓?fù)涞慕粨Q節(jié)點(diǎn)；以BUCK-BOOST拓?fù)錇槔?，在該?jié)點(diǎn)上開關(guān)管的“導(dǎo)通”時(shí)節(jié)點(diǎn)的電壓為+12V，而開關(guān)管“關(guān)斷”時(shí)節(jié)點(diǎn)的電壓為-5.5V，所以該節(jié)點(diǎn)是電壓波形是范圍為12V和-5.5V的斬波。

——交換節(jié)點(diǎn)處天然形成一個(gè)電場（天線）（電壓跳變范圍大，電流大），會(huì)對(duì)四周造成（射頻）干擾（EMI），輸出（電源）電壓導(dǎo)線可能會(huì)接收到該輻射干擾并傳遞給負(fù)載端，造成噪聲干擾。

如上圖所示，開關(guān)電源的三種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其它所有開關(guān)電源拓?fù)涠际腔谶@三種拓?fù)涞母倪M(jìn)、組合，但開關(guān)拓?fù)洌üぷ髟恚┦且恢碌?；我們只需要徹底掌握這三種基本電源拓?fù)?，其它開關(guān)電源拓?fù)浞治銎饋砭蜁?huì)變得簡單：

如下左圖所示，紅色框內(nèi)MOS管替代續(xù)流二極管，變成同步BUCK電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（上下MOS管需要進(jìn)行同步設(shè)計(jì)：一個(gè)MOS管“關(guān)斷”的同時(shí)另一個(gè)MOS管“導(dǎo)通”）；如下右圖所示，通過變壓器來替換電感器，變成反激式拓?fù)洌瑫r(shí)還有推挽式、正極式，半橋、全橋電源拓?fù)涞鹊?；可以將BUCK、BOOST及BUCK-BOOST拓?fù)?，兩兩組合級(jí)聯(lián)變成新種類電源拓?fù)洌篊uk、Se（pi）c和Zeta拓?fù)涞取?/p>

1，三種基本拓?fù)?/p>

電源的輸入到輸出轉(zhuǎn)換拓?fù)潆娐罚砷_關(guān)管+電感器+二極管的串、并組合而成，單純從組合邏輯來說有n種（N>10），那為什么只有這三種是有效的電源拓?fù)淠兀?/p>

我記得在《（電阻器）應(yīng)用》章節(jié)中說起過“共地”和“浮地”的設(shè)計(jì)問題，一般接地設(shè)備的單板上所有地，不管是否在單板內(nèi)部共地，最終都會(huì)連接到“大地”上，從而回流到“大地”；那為什么大家都要連到“大地”呢？因?yàn)榈厍蚴堑葎蒹w，所有設(shè)備只要連在“大地”上，那么兩個(gè)設(shè)備之間便共地了（接地其實(shí)并非如此簡單，后續(xù)《（電磁兼容）基礎(chǔ)》再詳細(xì)分析接地問題）。

——電網(wǎng)系統(tǒng)參考的“地”便是“大地”，所有電網(wǎng)系統(tǒng)電源輸出后需最終回流到“大地”。

那兩個(gè)設(shè)備之間相互“浮地”行不行？只要沒有（電氣）接觸（舉個(gè)栗子：用光纜連接）應(yīng)該是可以的。但只要有電氣接觸，就可能存在兩個(gè)問題：

兩個(gè)有不同參考地系統(tǒng)的（信號(hào)），是無法相互識(shí)別和判斷的；——只針對(duì)單端信號(hào)，差分信號(hào)AC（耦合）后，不受影響（共（模電）平接收端提供）；

兩個(gè)信號(hào)線接觸瞬間可能產(chǎn)生浪涌電流，造成器件損壞，設(shè)計(jì)中注意浪涌保護(hù)。說回電源拓?fù)?，除了這BUCK，BOOST，BUCK-BOOST三種電源基本拓?fù)渲猓糠滞負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸入和輸出之間沒有公共地（對(duì)于非隔離式拓?fù)?，電源無法回流），即開關(guān)拓?fù)渑c系統(tǒng)的其它部分之間沒有合適的參考地。如下圖所示，以BUCK-BOOST拓?fù)潆娐返淖兎N為例，在開關(guān)導(dǎo)通或關(guān)斷過程中，沒有一個(gè)共同的“地”始終將輸入端和輸出端連接在一起，導(dǎo)致電源回流中斷；所以對(duì)于BUCK-BOOST拓?fù)鋪碚f，必須將二極管和開關(guān)管放在電感器的同一邊，如上一節(jié)BUCK-BOOST結(jié)構(gòu)圖所示。

——對(duì)于隔離式開關(guān)電源拓?fù)?，由于采用了變壓器，所以回流是通過變壓器來實(shí)現(xiàn)的，輸入電源與輸出電源之間不需要公共地。

那再也找不出三種拓?fù)渲獾挠泄驳氐耐負(fù)淞嗣?？如下圖所示，不同電感器的連接方式，在設(shè)置合適地后，可得到三個(gè)不同的端點(diǎn)：輸入端、輸出端和地端。

若電感器與輸出端相連，則得到BUCK拓?fù)潆娐?；若電感器與輸入端相連，則得到BOOST拓?fù)潆娐?；——根?jù)剛剛的分析，輸入或輸出端接電感器，那么輸入、輸出的回流地必然不能串接開關(guān)管或則二極管，那么開關(guān)管和二極管只能分別串接在輸出/輸入和地端；而除了BUCK和BOOST的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)外，我們組合電路后得到其它拓?fù)涠际菬o效的；舉個(gè)栗子，如上圖BUCK拓?fù)渲校喝绻麑⒍O管串接在輸入端，開關(guān)管串接在地端，那么當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入端和地端短路，不是有效的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

若電感器與地端相連，則得到BUCK-BOOST拓?fù)潆娐贰?，三種基本拓?fù)洌―C）傳遞函數(shù)比較

伏秒定律是在電源穩(wěn)態(tài)工作下，所有開關(guān)拓?fù)浔仨氁獫M足的定律。如果在電源穩(wěn)態(tài)下不滿足伏秒定律：Von*ton=Voff*toff；那么我們從電感器公式VΔt=LΔI，可得LΔIon≠LΔIoff，那么電感器磁芯磁場強(qiáng)度將往一個(gè)方向偏，最終導(dǎo)致電感器磁芯飽和而損壞開關(guān)管或電感器本身。

同樣我們對(duì)于不同開關(guān)拓?fù)湔伎毡鹊亩x是一樣：開關(guān)管的“導(dǎo)通”時(shí)間Ton占開關(guān)周期T的比例，即D=Ton/T；如果對(duì)于連續(xù)模式來說T=Ton+Toff（不連續(xù)模式下：T>Ton+Toff）。如下圖所示，我們可以根據(jù)伏秒定律和占空比定義來推導(dǎo)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流傳遞函數(shù)。

所以我們分別得到了理想情況下（不計(jì)算開關(guān)管、二極管、電感器等損耗）的三種基本電源拓?fù)涞闹绷鱾鬟f函數(shù)：

BUCK拓?fù)涞闹绷鱾鬟f函數(shù)：D=Vo/Vin；BOOST拓?fù)涞闹绷鱾鬟f函數(shù)：D=(Vo-Vin)/Vo=1–Vin/Vo；BUCK-BOOST拓?fù)涞闹绷鱾鬟f函數(shù)：D=Vo/(Vin+Vo)=1–Vin/(Vin+Vo)?！覀兺ㄟ^直流傳遞函數(shù)，看到所有拓?fù)渲挟?dāng)Vin輸入電壓不變時(shí)，隨Vo輸出電壓增加，占空比D變大；但是BOOST和BUCK-BOOST拓?fù)涞恼伎毡茸畲蟛荒艹^50%，。

那么我們得到了開關(guān)電源拓?fù)涞闹绷鱾鬟f函數(shù)又有啥用呢？我們?cè)诤罄m(xù)開關(guān)電源具體設(shè)計(jì)中詳細(xì)分解。

3，三種基本拓?fù)潆娏鞅容^

三種基本拓?fù)涓鞣N電流之間的關(guān)系如下圖所示：IL為平均電感電流，Io為輸出電流，IIN為輸入電流，ISW為開關(guān)管電流，ID為二極管電流。

關(guān)于IL與Io的關(guān)系，需要注意的是：

對(duì)于BUCK拓?fù)鋪碚f電感電流IL與輸出電流Io相同，原因是電感器是串在輸出端的，所有輸出電流均流過電感器提供；對(duì)于BOOST和BUCK-BOOST拓?fù)鋪碚f，電感電流IL則與輸出電流Io并不相同，甚至遠(yuǎn)大于輸出電流（取決于其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)），