电源基础拓扑的组合应用

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：

0

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