选用何种开关电源拓扑

出处：维库电子市场网发布于：2024-03-28 17:30:39 | 400 次阅读

　　开始设计开关电源时，主要考虑的是采用何种基本拓扑。开关电源设计中，拓扑的类型与电源各个组成部分的布置有关。这种布置与电源可以在何种环境下安全工作以及可以给负载提供的最大功率密切相关。这也是设计中性能价格折中的关键点。每种拓扑都有自己的优点，有的拓扑可能成本比较低，但输出的功率受到限制；而有的可以输出足够的功率，但成本比较高等。在一种应用场合下，有好几种拓扑可以工作，但只有一种是在要求的成本范围内性能最好的。表3-1 总结了各种各样拓扑及其相应的优点。
　　表3-1 PWM开关电源拓扑的比较
　

　　选择最合适的拓扑要考虑的主要因素有：
　　Ｋ输入输出是否需要变压器隔离？
　　Ｌ加在变压器一次侧或电感上的电压值有多大？
　　Ｍ通过开关管的峰值电流多大？
　　Ｎ加在开关管上的最高电压是多少？
　　无变压器隔离的拓扑可以用在分布式电源系统中的板载变换器中。在分布式电源系统中，通过直流电压总线向系统中各个模块供电，每个模块都有自己的板载电源。母线电压一般来说是安全的，也就是对使用该装置的操作人员来说不至于致命，因此可选择无隔离变换器。笔者建议在大部分应用场合下，通过变压器进行隔离。相对于变压器隔离对负载的保护来说，这种成本的增加很小。在输入直流电压高于40V的情况下，开关电源都要求用变压器隔离。
　　加在变压器一次侧上的电压大小决定了通过开关管的峰值电流。由于开关电源的功率一定，一次电压越低，峰值电流就越大，以满足输出功率的要求。对于 TO-220封装的功率晶体管和MOSFET来说，推荐的最大峰值电流是20A。如果超过20A，开关管就容易损坏，对功率器件进行保护也很困难。应用其他拓扑，也许可以减小峰值电流。
　　开关管承受的最大电压越大，

　　开关管就越有可能超过它的安全工作区（SOA)。在开关电源中，电压尖峰是很常见的，所以经常出现电压尖峰超过开关管击穿电压的情况。对于有变压器隔离的拓扑，工业上根据不同的应用范围使用某一相应的拓扑，

见图 3-8 〇反激式电路拓扑（见图3- 12)，由于具有使用兀器件少、本身固有效率比较高的特点，在功率低于100～150W的场合非常受欢迎。但是，反激式电路的电流峰值比正激式电路高很多，因此在相当低的输出电压下，也可能超出开关管的SOA。在150～ 500W范围内，半桥电路（见图3-15)比较常用。它使用的元器件比较多，但还是可以接受的。半桥电路输入电压只有一半加在变压器一次侧，这导致电流峰值增加。因此半桥电路只在500W或更低输出功率场合下使用。超过500W到几千瓦的情况下，使用全桥电路（见图3-16)。电路使用四个开关管，其中有两个需要浮地驱动，所以它的元器件成本最高。但考虑到它的输出功率比较大，所以这种成本的增加还是值得的。在这种场合下，也可以使用推挽式电路（见图3-14)，但它有潜在的偏磁危险，也就是变压器磁通的运行范围对尽好曲线的“零点” 是非对称的。这会导致变压器朝着一个方向饱和，当负载跳变时，在几个纳秒内会将变压器烧毁。为了防止这种情况发生，可以采用电流环或具有脉冲电流逐周保护的电压环控制。

　　通过表3-1和图3-8，可以对何种应用场合下选用哪种拓扑有一个比较清晰的认识，从而可以选择合适的拓扑。图3-9～图3-16给出了常用的PWM开关电源的拓扑、主要波形和一些估计的参数。