DC-DC開關電源 拓撲結構(BUCK BOOST BUCK-BOOST)電路

先掛幾個鏈接:

比較粗略的BUCK/BOOST電路的分析

http://tech.hqew.com/fangan_522451

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

這個還是不錯的

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

 

 1、 開關電源基礎拓撲:

BUCK減壓型

先上電路圖

圖中器件T爲  N-mos管

當PWM驅動高電平使得NMOS管T導通的時候,忽略MOS管的導通壓降,等效如圖2,電感電流呈線性上升,MOS導通時電感正向伏秒爲:

  

  當PWM驅動低電平的時候,MOS管截止,電感電流不能突變,經過續流二極管形成迴路(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爲:

  

什麼是電感的伏秒平衡吶?

處於穩定狀態的電感,開關導通時間(電流上升段)的伏秒數須與開關關斷(電流下降段)時的伏秒數在數值上相等,儘管兩者符號相反。這也表示,繪出電感電壓對時間的曲線,導通時段曲線的面積必須等於關斷時段曲線的面積。

 

Boost升壓型

  Boost升壓型電路拓撲,有時又稱爲step-up電路,其典型的電路結構如下圖4所示:

  

  同樣地,根據Buck電路的分析方式,Boost電路的工作原理爲:

  

 

Buck-Boost極性反轉升降壓型

  Buck-Boost電路拓撲,有時又稱爲Inverting,其典型的電路結構如下圖5所示:

  

  同樣地,根據Buck電路的分析方式,Buck-Boost電路的工作原理爲:

  

 

  2、 Buck與Buck-Boost組合

  金昇陽K78系列的產品採用了Buck降壓型的電路結構進行設計,是LM78XX系列三端線性穩壓器的理想替代品,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。

  上面提到金昇陽K78系列產品可以支持負輸出,這是怎麼做到的呢?

  從上面Buck電路以及Buck- Boost電路結構原理來看,主要的區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的電路結構。對應到金昇陽K78xx-500R2系列的產品就變成了如下圖6所示的負輸出。

  

  因此,用2只K7812-500R2的產品,實現BUCK與BUCK-BOOST電路相結合,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,由於BUCK-BOOST電路在啓動電流會比BUCK電路大一些,所以會在BUCK-BOOST電壓輸入端加一些緩衝類的器件。

 

  3、 Buck與Boost組合

  Buck與Boost兩者相結合,會得到什麼樣的電路和應用呢?根據不同的控制,可以讓電源從高壓降到低壓,也可以將低壓升到高壓,可以稱之爲雙向DC-DC變換器之一,典型的應用電路如下圖:

  

  DC-DC雙向變換器目前主要應用在各大充放電系統中,隨着儲能器件的發展得到了廣泛地應用,主要的行業在汽車電子,電梯節能系統等應用行業。

  當T2管截止時,T1管與D1、L等器件構成了Buck型降壓電路,可以實現對後級的負載進行供電;反之,當T1管截止,T2管與D2二極管、L等器件構成了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,均是以數字控制方式爲主。

  下面是將超級電容運用到電梯能量回收系統中,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。

  

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

 

  4、 總結

  基本電源拓撲結構中Buck降壓型應用最多,但是各個基礎拓撲組合使用,可以解決很多類似於正負電源供電以及雙向電源應用方面的問題。總之電源基礎拓撲結構雖老,但是實際應用卻可以千變萬化。

對於DCDC,大家都不陌生,因爲就是開關電源,當然還有AC/DC,通常的AC/DC,都是110V或者220V交流變換爲直流電源,我們這裏先來討論DCDC電源設計。

        DCDC電源類型分爲2種,一種是隔離性,一種是非隔離型。隔離型DCDC 的意思是輸出的GND和輸入的GND是無關係的,也成爲懸浮電源。常見的DC-DC芯片大都是非隔離型的。隔離性的電源,是雙向,也叫做升壓降壓類型,非隔離型的,分爲boost 和buck兩種。

        首先我們來說下非隔離的DC-DC原理,這類電源又分爲boost和buck,即爲升壓和降壓模式。首先分析下DCDC降壓電路:

        Buck 模式DCDC 結構主要由輸入電容、功率MOS管、PWM模塊、肖特基二極管、功率電感、輸出電容和輸出調節電阻構成。DCDC開關電源這種結構模式決定了它輸出噪聲比較大。

        接下來我們分析下工作原理,當功率MOS(以後簡稱開關),閉合時,電源通過電感給負載供電,並將電能儲存在電感L和輸出電容中,由於電感L的自感,在開關閉合時,電流增大的比較緩慢,即輸出不能立刻達到電源的電壓值。一定時間後,開關斷開,由於電感L的自感作用(可以形象的認爲電感中的電流具有慣性作用),將保持電路中的電流不變,即從左到右繼續流。電流流過負載,從地返回,流到肖特基二極管的正極,經過二極管返回電感L的左端,從而形成一個迴路。通過控制PWM的佔空比就可以控制輸出的電壓。

        在開關閉合期間,電感儲存能量,在斷開期間釋放能量,所以電感L叫做儲能電感,二極管在開關斷開期間負責給L提供電流通路,所以二極管叫做續流二極管。當開關閉合時,電壓很小,所以發熱功率U*I就會很小,這就是開關電源高效率的原因。

        通過這裏原理,我們就知道了爲什麼在DCDC設計的時候,輸出一定要有大電容,二極管和電感爲什麼一定要靠近IC。而且DCDC的後級濾波一定要好,因爲內部有開關頻接下來講解下boost型DCDC電路:

        其基本模型如上圖,經過我們對buck 電路的原理分析,對於BOOST 應該很清楚了,同樣調整PWM的佔空比,可以調節輸出,當PWM佔空比爲50%的時候,輸出電壓爲輸入電壓的2倍,基本原理如下:

        開關導通時, 輸入電壓流向電感, 電感電流線性增加,電感儲能增加,電源向電感轉移電能。

        開關斷開時, 電感電壓等於輸入電壓減去輸出電容的電壓, 電感電流減少,電感儲能減少, 電感儲能向負載轉移電能。

        通過這樣不斷的開關實現了DCDC升壓,但是這種結構得到的電流比較小,通常在幾百毫安,而且效率不高。

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