DC-DC开关电源 拓扑结构(BUCK BOOST BUCK-BOOST)电路

先挂几个链接:

比较粗略的BUCK/BOOST电路的分析

http://tech.hqew.com/fangan_522451

http://blog.csdn.net/u011388550/article/details/23841023

这个还是不错的

http://www.elecfans.com/article/83/116/2016/20160307404422_a.html

 

 1、 开关电源基础拓扑:

BUCK减压型

先上电路图

DC-DC开关电源 拓扑结构(BUCK BOOST BUCK-BOOST)电路_第1张图片

图中器件T为  N-mos管

当PWM驱动高电平使得NMOS管T导通的时候,忽略MOS管的导通压降,等效如图2,电感电流呈线性上升,MOS导通时电感正向伏秒为:

  DC-DC开关电源 拓扑结构(BUCK BOOST BUCK-BOOST)电路_第2张图片

  当PWM驱动低电平的时候,MOS管截止,电感电流不能突变,经过续流二极管形成回路(忽略二极管电压),给输出负载供电,此时电感电流下降,如下图3所示,MOS截止时电感反向伏秒为:

  DC-DC开关电源 拓扑结构(BUCK BOOST BUCK-BOOST)电路_第3张图片

什么是电感的伏秒平衡呐?

处于稳定状态的电感,开关导通时间(电流上升段)的伏秒数须与开关关断(电流下降段)时的伏秒数在数值上相等,尽管两者符号相反。这也表示,绘出电感电压对时间的曲线,导通时段曲线的面积必须等于关断时段曲线的面积。

 

Boost升压型

  Boost升压型电路拓扑,有时又称为step-up电路,其典型的电路结构如下图4所示:

  DC-DC开关电源 拓扑结构(BUCK BOOST BUCK-BOOST)电路_第4张图片

  同样地,根据Buck电路的分析方式,Boost电路的工作原理为:

  

 

Buck-Boost极性反转升降压型

  Buck-Boost电路拓扑,有时又称为Inverting,其典型的电路结构如下图5所示:

  DC-DC开关电源 拓扑结构(BUCK BOOST BUCK-BOOST)电路_第5张图片

  同样地,根据Buck电路的分析方式,Buck-Boost电路的工作原理为:

  

 

  2、 Buck与Buck-Boost组合

  金升阳K78系列的产品采用了Buck降压型的电路结构进行设计,是LM78XX系列三端线性稳压器的理想替代品,效率最高可达96%,不需要额外增加散热片,同时还兼有短路保护和过热保护,值得说明的是它能够完美支持负输出。

  上面提到金升阳K78系列产品可以支持负输出,这是怎么做到的呢?

  从上面Buck电路以及Buck- Boost电路结构原理来看,主要的区别是两者二极管与功率电感的位置互换。因此,若将Buck电路的输出Vo引脚接成输入的GND,而之前的输入GND
就变成了负电压输出了,即变成了Buck-Boost的电路结构。对应到金升阳K78xx-500R2系列的产品就变成了如下图6所示的负输出。

  DC-DC开关电源 拓扑结构(BUCK BOOST BUCK-BOOST)电路_第6张图片

  因此,用2只K7812-500R2的产品,实现BUCK与BUCK-BOOST电路相结合,可以得到±12V输出,低的纹波和噪声可以给运放进行供电。

  DC-DC开关电源 拓扑结构(BUCK BOOST BUCK-BOOST)电路_第7张图片

  需要值得注意的是,由于BUCK-BOOST电路在启动电流会比BUCK电路大一些,所以会在BUCK-BOOST电压输入端加一些缓冲类的器件。

 

  3、 Buck与Boost组合

  Buck与Boost两者相结合,会得到什么样的电路和应用呢?根据不同的控制,可以让电源从高压降到低压,也可以将低压升到高压,可以称之为双向DC-DC变换器之一,典型的应用电路如下图:

  DC-DC开关电源 拓扑结构(BUCK BOOST BUCK-BOOST)电路_第8张图片

  DC-DC双向变换器目前主要应用在各大充放电系统中,随着储能器件的发展得到了广泛地应用,主要的行业在汽车电子,电梯节能系统等应用行业。

  当T2管截止时,T1管与D1、L等器件构成了Buck型降压电路,可以实现对后级的负载进行供电;反之,当T1管截止,T2管与D2二极管、L等器件构成了Boost升压电路,对前端电源进行能量补充。目前对T1和T2管的控制以模拟方式控制相对还是比较困难,均是以数字控制方式为主。

  下面是将超级电容运用到电梯能量回收系统中,将电机的能量在超级电容和直流母线之间进行相互传递,降低了能源的损耗。

  DC-DC开关电源 拓扑结构(BUCK BOOST BUCK-BOOST)电路_第9张图片

  由于超级电容充放电电流比较大,普通的功率MOS管已经不适合使用,通常用IGBT来替代,而IGBT驱动在导通和关断的响应速度上,驱动电源选择+15V 和-9V将会是比较理想的,一方面+15V能够完全提供正向驱动的电压,另一方面-9V又能够加速IGBT的关断。而QP12W05S-37是个不错的选择。

 

  4、 总结

  基本电源拓扑结构中Buck降压型应用最多,但是各个基础拓扑组合使用,可以解决很多类似于正负电源供电以及双向电源应用方面的问题。总之电源基础拓扑结构虽老,但是实际应用却可以千变万化。

对于DCDC,大家都不陌生,因为就是开关电源,当然还有AC/DC,通常的AC/DC,都是110V或者220V交流变换为直流电源,我们这里先来讨论DCDC电源设计。

        DCDC电源类型分为2种,一种是隔离性,一种是非隔离型。隔离型DCDC 的意思是输出的GND和输入的GND是无关系的,也成为悬浮电源。常见的DC-DC芯片大都是非隔离型的。隔离性的电源,是双向,也叫做升压降压类型,非隔离型的,分为boost 和buck两种。

        首先我们来说下非隔离的DC-DC原理,这类电源又分为boost和buck,即为升压和降压模式。首先分析下DCDC降压电路:

DC-DC开关电源 拓扑结构(BUCK BOOST BUCK-BOOST)电路_第10张图片

        Buck 模式DCDC 结构主要由输入电容、功率MOS管、PWM模块、肖特基二极管、功率电感、输出电容和输出调节电阻构成。DCDC开关电源这种结构模式决定了它输出噪声比较大。

        接下来我们分析下工作原理,当功率MOS(以后简称开关),闭合时,电源通过电感给负载供电,并将电能储存在电感L和输出电容中,由于电感L的自感,在开关闭合时,电流增大的比较缓慢,即输出不能立刻达到电源的电压值。一定时间后,开关断开,由于电感L的自感作用(可以形象的认为电感中的电流具有惯性作用),将保持电路中的电流不变,即从左到右继续流。电流流过负载,从地返回,流到肖特基二极管的正极,经过二极管返回电感L的左端,从而形成一个回路。通过控制PWM的占空比就可以控制输出的电压。

        在开关闭合期间,电感储存能量,在断开期间释放能量,所以电感L叫做储能电感,二极管在开关断开期间负责给L提供电流通路,所以二极管叫做续流二极管。当开关闭合时,电压很小,所以发热功率U*I就会很小,这就是开关电源高效率的原因。

        通过这里原理,我们就知道了为什么在DCDC设计的时候,输出一定要有大电容,二极管和电感为什么一定要靠近IC。而且DCDC的后级滤波一定要好,因为内部有开关频接下来讲解下boost型DCDC电路:

DC-DC开关电源 拓扑结构(BUCK BOOST BUCK-BOOST)电路_第11张图片

        其基本模型如上图,经过我们对buck 电路的原理分析,对于BOOST 应该很清楚了,同样调整PWM的占空比,可以调节输出,当PWM占空比为50%的时候,输出电压为输入电压的2倍,基本原理如下:

        开关导通时, 输入电压流向电感, 电感电流线性增加,电感储能增加,电源向电感转移电能。

        开关断开时, 电感电压等于输入电压减去输出电容的电压, 电感电流减少,电感储能减少, 电感储能向负载转移电能。

        通过这样不断的开关实现了DCDC升压,但是这种结构得到的电流比较小,通常在几百毫安,而且效率不高。

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