开关电源常用的拓扑结构分析

1.开关电源基本工作原理

1 开关电源的基本构成

开关电源电路的基本构成，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 开关电源常用的拓扑结构分析

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,从本质上来说绝大部分开关控制器都具有常规的几种拓扑结构。其有两种基本的类型：非隔离型和隔离型。

2.1 降压型

降压型又称为 BUCK 控制器，其典型电路结构。基本工作原理:当开关管导通(Ton)时,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。当开关管截止(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。输出电压：

2.2 升压型

升压型又称为 BOOST 控制器，其典型电路结构。基本工作原理：当开关管导通时，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 供给在开关管。截止时，储存在 L 中的能量通过正向偏置的 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。

2.3 升降压型

升降压型又称为 BUCK-BOOST 控制器，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。当开关管截止时，储存在 L 中的能量通过 VD 传送到负载和 CO ，因为 L 上消失的磁场颠倒了电感器电压的极性。

输出电压：

2.4 反激式

反激式又称为 Fly-back 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。这是反激式控制器所独有的特点， 为其典型电路结构。

基本工作原理：当开关管导通时，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，次级线圈 N2 中没有电流流过。当开关管截止时，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。

输出电压：

(1)电流连续状态下

(2)电流断续状态下

2.5 正激式

正激式不同于反激式，在原边导通的同时，副边向负载释放能量。当开关管关断时，变压器处于“空载”状态，其中储存的磁能将被积累到下一个周期。这是它的特点

基本工作原理：当开关管导通时，电流流过变压器 T1 的初次线圈 N1 。由于初次级圈同相位，所以当电流流过初次线圈时，整流二极管 VD 导通，次级线圈 N2 中也有电流流过。当开关管截止时，初次级线圈均没有电流流过。

2.6 推挽式

推挽式又称为 Push-Pull 控制器，图 1.12 为其典型电路结构。

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 频率的两倍。

3 拓扑结构的确定

开始设计开关电源时，主要考虑的是采用何种基本拓扑。开关电源设计中，拓扑的类型与电源各个组成部分的布置有关。这种布置与电源可以在何种环境下安全工作以及可以给负载提供的最大功率密切相关。这也是设计中性能价格折中的关键点。每种拓扑都有自己的优点，有的拓扑可能成本比较低，但输出的功率受到限制;而有的可以输出足够的功率，但成本比较高等。在一种应用场合下，有好几种拓扑可以工作，但只有一种是在要求的成本范围内性能最好的。

根据系统造价、性能指标和输入、输出负载特性，结合本课题的实际选用的拓扑结构是正激型变换器电路。

2. 基于 UC3842 的开关电源的设计与实现

2.1 开关电源电路的设计

2.1.1 开关电源电路的总体简介

输入整流滤波器将交流输入电压进行整流滤波，为变压器器提供直流电压。变压器把直流电压变换成高频交流电压，并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。输出整流滤波器将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干扰。控制电路检测输出直流电压，并将其与基准电压比较，进行放大。调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。保护电路在开关电源发生过电压或者过电流时，使开关电源停止工作以保护负载和电源本身。

2.1.2 基于 UC3842 的基本结构

2.1.3 各部分功能简介

输入整流与滤波电路：

其一般都采用桥式整流，将输入的交流整成高压直流，经过滤波输入变压器的一次侧。

变换器：

变换器是用来变换电能的，是开关电源设计的核心。

输出整流滤波滤波：

变压器输出侧的电压还不够理想，需要整流滤波来达到设计的指标。

反馈回路：

将输出部分的电压或电流信息反馈回到前级，进入控制部分，由控制部分来控制交换组件的运作状态。

隔离组件：

隔离组件的设立主要是出于安全的考虑，一般常用的隔离组件是光耦，将后级信息反馈到前级。

控制部分：

有两种控制方式 RCC 和 PWM，RCC 是由反馈回来的信号改变电容充放电时间来达到控制开关组件开关时间的目的，这种模式实现的电路电路简单，不固定频率，也不容易控制。本文所研究的正激式采用的是 PWM 控制模式，其是通过反馈信号和相应的 IC 芯片上的标准波形进行比较，进而对应的改变开关组件的开关时间，这种方式的控制稳定度高，可固定频率，目前流行的开关电源都是采用这种方式。

2.2 UC3842 芯片简介

2.2.1 UC3842 的特点

UC3842 是美国 Unitorde 公司生产的一种性能优良的电流控制型脉宽调制芯片。该调制器单端输出，能直接驱动双极型的功率管或场效应管。其主要优点是管脚数量少，外围电路简单，电压调整率可达 0.01%，工作频率高达 500kHz，启动电流小于 1mA，正常工作电流为 5mA，并可利用高频变压器实现与电网的隔离。该芯片集成了振荡器、具有温度补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电路、输入和基准欠电压锁定电路以及 PWM 锁存器电路。

开关断开，流经初级的电流减小。与之前阶段相同，初级电压会在次级生成相同极性的电压，电压值也成匝数比。因为是正向电压，所以，二极管导通，次级线圈将输出电流给电容和负载。电容在开关打开的阶段已经失去了所有的电荷，但此时又会重新充电。

在整个开关过程中，输入电源和输出电源之间没有任何电路连接，因此我们可以看出是变压器隔离了输入与输出。

根据开关导通和关断的时间可以分为两种模式。连续模式和非连续模式。

在连续模式下，初级充电之前，电流先归零，再如此往复。而在非连续模式下，下一周期在初级电感的电流归零时开始。

反激式转换器的效率

现在我们来看一下效率，也就是输出与输出功率的比值。

(Pout/Pin)x 100%

因为能量不能凭空生成也无法抹去，只能转换过来，大多数电能都以热能的形式消耗掉的。所以实际运用中并不存在理想情况。因此在选择稳压器的时候，效率也是一个关键因素。

而能量损耗的关键因素之一就是二极管。正向压降乘以电流都转换为了热能，因此降低了稳压电路的效率。与此同时，硅二极管的反向恢复损耗也会降低整体效率。

而解决这一问题最好的方法之一就是避免标准的恢复二极管，而使用肖特基二极管，因为后者有着很低的正向压降，也有着更好的反向恢复损耗。从另一角度来说，如果将开关转换成MOSFET的话，能在更小封装的情况下提升效率。

反激式变换器电路图以及工作原理

我们将使用LM5160来生成12V的隔离电压。这是该电路的详细参数说明。

输入电压范围：18V-32V

隔离输出：12V

隔离负载电流范围：0mA-400mA

标准开关频率：300kHz

最大效率：88%

开关频率被限制在一个紧密的频带内，以简化 EMI 滤波。此外，有源钳位操作的自适应数字控制可实现初级 FET 的接近 ZVS 导通，并在关断期间钳位漏极电压，从而进一步提高效率并降低 EMI。

与传统的 ACF 设计不同，在大批量生产中，电路的正常运行不需要钳位电容器和漏电感值的严格公差。此外，一个小的 3.3 nF 钳位电容器足以实现 ACF 操作的好处。SZ1110 和 SZ1130 非常适合高效率和高功率密度的 AC/DC 电源适配器。这些设备专为高达 33 W (SZ1110) 和高达 65 W (SZ1130) 的输出功率而设计，包括 USB-PD 和快速充电应用。

当今的市场趋势，尤其是便携式消费电子产品，需要更大的电池和更快的充电操作，这意味着需要从电源适配器获得更多功率。电路的整体尺寸是另一个相关的关键因素，因为原始设备制造商希望在相同尺寸或更小的电源适配器中获得更多功率(更高的功率密度和更高的效率)。现有的解决方案正在达到极限，新的创新方法正在取而代之。