详解开关电源的三大基础拓扑
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。
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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
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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
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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。
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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。
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