常规开关电源拓扑结构及典型应用电路_h

1、 第 8 期2003 年 8 月Vol.22 No.8 Aug. 2003电子元件与材料ELECTRONIC COMPONENTS & MATERIALS 研 究 与 试制常规开关电源拓扑结构及典型应用电路郭创，张宗麟，樊蓉（工程大学工程学院三系惯导实验室，陕西 西安 710038） 摘要:在分析常规开关电源的几种典型拓扑结构（降压型、升压型、升降压型、回扫式、CUK 型、推挽式）与 DC-DC控制器技术性能特点的基础上，给出了典型控制器的应用电路，并对开关电源的研究、设计理论进行了一些探讨。 关键词:常规开关电源；拓扑结构；应用电路 中图分类号: TN496文献标识码:A文章编号:1001-

2、2028（2003）08-0038-04Topology Structures and Typical Circuits of Conventional Switching Power SupplyGUO Chuang, ZHANG Zong-lin, FAN Rong(titute of Engineering, the Air force University of Engineering, Xian710038, China)Abstract: Of the conventional switch power supply, different topological structure

3、s, including buck, boost, buck-boost, on-off, CUK and push-pull, and the performances are analyzed. The study on and design theory of the switch power supply are discussed. Some typical circuits are given.Key words: conventional switching power supply; topology structures; application circuits开关电源是一

4、种采用开关方式控制的直流稳压电源。它以小型、重量轻和效率高等特点，被广泛应用于电子计算机、家用电器、通信设备等电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式，已成为稳压电源的主流产品。 近 20 年来，集成开关电源沿着下述两个方向不断发展。第一个方向是对开关电源的核心单元控制电路 实现集成化。1977 年国外研制成 PWM（脉宽调制）控制器集成电路，典型代表产品为 SG3524 、MC3520、UC3842 等；20 世纪 90 年代以来，国外又研制出开关频率达 1 MHz 的高效 PWM、PFM（频率调制）芯片，典型代表产品为 UC1852、UC1864 等。第二个方向是对中、小

5、功率开关电源实现单片集成化。 主要以意法半导体公司 L296、L4970 等系列、美国动力公司TOPSwitch 系列隔离式单片开关电源等为代表。它们集成了脉宽调制器、功率输出级、保护电路等，使开关电源频率更高，外接元件更少、体积更小， 现已成为中、小功率开关电源、精密电源模块的优选集成电路。 1开关电源电路的基本构成图 1 为开关电源电路的基本组成。它包括整流滤波电路、DC-DC 控制器、开关占空比控制器及取样比较电路等模块。 2常规拓扑结构及典型应用电路作为电源设计的核心组件、可靠性升级的基础、轻薄小型化的关键、电磁兼容性的保障的 DC-DC 直流变换电路引导着开关电源设计的方向。但从本质

6、上来说，绝大部分开关控制器都具有常规的几种拓扑结构。 收稿日期：2002-11-06修回日期：2002-12-12作者简介：郭创（1978），男，湖南益阳市人，硕士研究生，研究方向为导航、制导与控制。Tel：(029)4397577；E-mail：0737086 。 第 8 期 39郭创等：常规开关电源拓扑结构及典型应用电路 2.1 降压型降压型又称 Buck、Step-down 控制器，图 2 为其典型电路结构。 基本工作原理：当Q1 导通时，能量储存在 L 中， 由于 VD 截止，所以 TON 期间负载的电压和电流由CO 供给。在 Q1 截止时，储存在 L 中的能量通过正向

7、偏置的 VD 传送到负载和 CO，L 放电电压的极性与 VIN 相同，且与VIN 相串联，因而提供了一种升压作用。 D = (VO + VD - VIN ) /(VOUT - VSAT + VD )VO VIN T / TOFF基本工作原理：当开关管 Q1 导通(TON)，电感 L 将能量以磁场的形式储存起来，随着电源电压 VIN 对电感 L 的充电，L 电流 IL 对输出电容 CO 充电，并提供负载电流IO，VD 被反向偏置而截止。当Q1截止(TOFF)时，L 中消失的磁场使其极性颠倒，VD 加正向偏压而导通，L 和CO 在TOFF 提供负载电流 IO。 占空比 D = (VO + VD )

8、 /(VIN - VSAT + VD)输出电压VO VIN TON / TL = VIN (VO - VIN ) ； C = (VO - VIN )IO OfOSC DVOVODI V fLOSCO当VSAT =VD =1V 时，hmax VIN /(VIN +1)典型的升压型控制器有 MAX742 、LT1370 、LM2586、TPS6101 等，图 5 为 LM2586 典型应用电路。控制器是 100 200 kHz 频率可调整、集成一个 3A， 耐压值高达 65 V NPN 开关管，限流、软启动、过热保护、频率调整、逻辑关断控制等功能使其在升压电路中应用很广。 T 2(V - V )V

9、V (V - V )L = OINO ； CO = INOO8DVOVINL1D I LVIN OSf C式中：fOSC 为开关频率(Hz)；DIL 为电感输出纹波电流， 常取最小输出电流 IO(min)的 2 倍；DVO 为输出电压峰峰值；T 为开关周期；VD 为二极管正向压降；VSAT 为Q1 饱和电压降；VO 为输出电压。 转换电路最大效率hmax = PO / PIN= IOVO=IOVIN (TON ) / T + (VSATTON + VDTOFF )IO / TVO / (VO+1)(当 VD= VSAT =1 V 时)典型的降压型控制器有 MAX724 、LT1074 、LM3

10、485、LM2679、TPS5210 等，图 3 是 LM2679 典型应用电路。控制器是 260 kHz 固定频率、集成一个5 A、耐压值高达 65 V，导通电阻低至 120 m 的DMOS 开关管，限流、软启动、过热保护等功能极容易搭建成小型、高效的单电压供电电路。 2.3 极性反转型极性反转型又称 Inverting、Buck-Boost 控制器，图 6 为其典型电路结构。 基本工作原理：当 Q1 导通时，接在 VIN 两端的 L 被充电，由于 VD 截止，所以TON 期间，负载的电压和电流由 CO 供给。当 Q1 截止时，储存在 L 中的能量通过 VD 传送到负载和 CO。因为 L 上

11、消失的磁场颠倒了电感器电压的极性，因而提供了一种极性转换的作用。 控制器的输入输出关系为： 2.2 升压型升压型又称 Boost、Step-up 控制器，图 4 为其典型电路结构。 40电子元件与 材 料2003 年D (| VO | +VD ) VO (N 2/ N1) VIN (TON / TOFF )典型的回扫式控制器有 MAX630 、LT1171 、LM2588、UC3842 等，图 9 为 LM2588 典型应用电路。控制器是 100 200 kHz 频率可调整、集成一个 5 A，耐压值高达 65 V 的 NPN 开关管，限流、软启动、过热保护、频率调整、逻辑关断控制等功能使其在中

12、小功率、保护电路完整的多路供电系统有着广泛的应用。 (VIN - VSAT )VO -VIN T ON/TOFF ； IO -IIN .TOFF / TON L = VIN VO /DIL (VIN + VO ) fOSC 典型的极性反转型控制器有 MAX765、LT1370、 LM2579、TPS6735 等，图 7 为 LM2579 典型应用电路。控制器具有独特的比较器输入级，输入电压为 3.540 V，输出电流可达 3A，并具有逐个周期电流限制，通过外接电容可设定 1 Hz 到 100 kHz 之间的振荡频率。 2.5 CUK 型CUK 型又称 SEPIC、Boost-Buck 串联控制

13、器，图10 为其典型电路结构。 2.4 回扫式回扫式又称 flyback、ONOFF 型，它能产生在输入电压范围内的输出电压，不同于降压、升压控制器，这是回扫式控制器所独有的特点。图 8 为其典型电路结构。 基本工作原理：当 Q1 导通，藕合电容 C1被充电， VD 截止，电感 L1 通过 Q1 接收来自 Q1 的能量，而 C1 通过L2，并通过滤波电容C2 放电，这时 C1 将能量转移给L2。当Q1 截止时，L2 中消失的磁通使 L2 极性相反，并使VD 导通，然后 L2 将能量转送给C2 和负载，在 Q1基本工作原理：当 Q1 导通时，电流流过变压器T1 的初次线圈N1，变压器将能量以磁场

14、的形式储存起来，由于初、次级圈不同相位，所以当电流流过初次线圈时，次次线圈 N2 中没有电流流过。当 Q1 截止时， 消失的磁场使初、次次线圈中电压极性反转，整流二极管VD 导通，电流通过 VD 流向负载，变压器的能量释放，提供负载电压、电流。 V+ V截止期间，C 通过V 向V 和电感L 放电。 1DIN1D = |VO | +VD|VIN | + |VO| +VD控制器输入输出关系为： VO -VIN T ON/ TOFF ； IO -IIN .TOFF / TONL1 = L2 = (| VOUT | -VIN min + VD ) TOFF / I max典型的 CUK 型控制器有 L

15、T1617、MAX1771、LM2611、LM3488 等，图 11 为 LM2611 典型应用电 D = OUTFVOUTAT ) +VOUT + VFN 2 / N1(V电流临界连续时，初级绕组电感量： (VIN min Dmax )2LP = h2P f OOSC连续状态和不连续状态下，VO 分别为：VO (N2 / N1)2 (V 2 T 2 /(2LN IOT )IN ON2 第 8 期 41郭创等：常规开关电源拓扑结构及典型应用电路 路。它是 1.4 MHz 固定频率、电流模式 PWM 控制器。2.714 V 广阔的工作电压；关断模式下小于 1 A 输出电流；低于 5 mV 输出电

16、压纹波峰峰值，小体积电容、电感元件，比充电泵更好的调整能力。 2.6 推挽式推挽式又称 Push-Pull 控制器，图 12 为其典型电路结构。 率的两倍。 VO 2(N2 / N1) VIN (TON / T )典型的推挽式控制器有 TL494 、 SG3525 、LM3524、TDA4918 等，图 13 为 LM3524 典型应用电路。LM3524 采用图腾柱式输出结构，确定输出为高、低电平，特别适合驱动功率 MOS 器件。控制器集成的限流、软启动、过热保护、逻辑关断控制等功能， 极易搭建完整、中小型的电源系统。 T基本工作原理：Q1 和 Q2 交替导通和截止，且导通和截止时间必须严格错

17、开。当 Q1 导通，Q2 截止时，由于次级绕组两线圈匝数相等、绕向相反，能量通过 变压器T1 以磁通方式耦合过来的正电压使 VD1 正向导通，负电压使 VD1 导通，次级电压整流、滤波后加到输出端。当 Q2 导通，Q1 截止时，这个过程重复进行。T1 的次级绕组开关工作频率为加在 Q1、Q2 上PWM 频 3常规 DC-DC 控制器技术性能表 1 所示是上述各种常规 DC-DC 控制器技术性能。表 1 常规 DC-DC 控制器技术性能Tab 1 Technical performance of general DC-DC controller注：PO 为输出功率；二极管导通压降 VD0；开关管

18、饱和压降 VSAT 0。 结论3Sanjaya Maniktala. Stresses in wide input DC-DC converters EB/OL. /an/AN/AN-1246. pdf, 2002-09.Ravindra Ambatipudi. Design of isolated converters using simple44switchersEB/OL. 1998-08./an/AN/AN-1095.pdf,开关电源这门学科是横跨电力、电子、电力半导体器件和控制的新兴边缘学科。它的

19、发展是一个多层次、 多方面的系统工程，是与开关变换技术、器件、控制等 技术紧密相关的。近年来，开关电源在我国的研究和应 用很迅速，其经济效益和社会效益很显著，相信开关电源在各行各业的应用将会进入一个新的阶段。 5郭创, 樊蓉, 等. 迟滞开关功率转换器 LM3485 在电源系统中的应用 J. 电子元件与材料, 2002, 21(2): 3840.6沙占友. 单片开关电源的发展及其应用 J. 电子技术应用, 2000, 26(1):46.Maxim and Dallas Inc. DC-DC converter Tutorial DB/CD. Maxim 产 品资料全集, 2002-06.Jim

20、 Williams. Step down switching regulators EB/OL. http:/www linear. /pub/document html?pub_type=app&document=40, 1989-08. Maxim and Dallas Inc. Isolated power supplies for telecom application converter tutorial DB/CD. Maxim 产品资料全集, 2002-06.789参考文献：10 Maxim and Dallas Inc. Choosing the right power-supply IC DB/CD. Maxim 产品资料全集, 2002-06.1 郭创, 刘华伟, 樊蓉, 等. 小型化机载计算机电源设计与研究 J. 电子技术应用, 2003, 29(5): 2729.（编辑：朱盈权）2郭创, 李士波, 樊蓉, 等. 高效电池电源研究 J.