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电源基础拓扑的组合应用

供稿:广州金升阳科技有限公司 2016/3/1 14:28:56

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  • 关键词: 开关电源 线性电源
  • 摘要:开关电源已经深入到国民经济的各个行业当中,设计师或是自行设计电源或是购买电源模块,但是这些电源都离不开电源的各种电路拓扑。本文先介绍了开关电源的三大基础拓扑:Buck、Boost、Buck-Boost,并就这三者拓扑之间进行了简单地组合,得到了非常巧妙的电路,例如:正负输出电源、双向电源等,能够满足诸如运放供电、电池充放电等某些特殊的需求。

1、摘要

    开关电源已经深入到国民经济的各个行业当中,设计师或是自行设计电源或是购买电源模块,但是这些电源都离不开电源的各种电路拓扑。本文先介绍了开关电源的三大基础拓扑:Buck、Boost、Buck-Boost,并就这三者拓扑之间进行了简单地组合,得到了非常巧妙的电路,例如:正负输出电源、双向电源等,能够满足诸如运放供电、电池充放电等某些特殊的需求。


2、开关电源基础拓扑


    开关电源三大基础拓扑为:Buck、Boost、Buck-Boost,大部分开关电源都是采用这几种基础拓扑或者其对应的隔离方式,下面以电感连续模式进行简单介绍。 


2.1 Buck降压型


    Buck降压型电路拓扑,有时又称为Step-down电路,其典型的电路结构如下图1所示:




    Buck电路的工作原理为:

   

    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:




    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:




    D为占空比,0


2.2 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:




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





2.3 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:




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




3、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。




    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。




    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。


4、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。




    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。


5、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。


6、参考文献


《开关电源的原理与设计》(修订版)张占松 蔡宣三;

《开关电源功率变换器拓扑与设计》张兴柱;

《精通开关电源设计》(第2版)【美】马尼克塔 著王健强 等译


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