电源设计中，常用的稳压器拓扑架构有哪些？本文总结全了

电子工程世界 2022-02-10 07:34

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前言

大多数电子系统能正常工作，往往需要电源电压和系统之间进行电压转换。在电压转换设计过程中，实在有不少因素——如精准度、电源管理和效率等——需要注意的。本文将重温电源稳压器的基本原理，并介绍不同拓扑结构对系统设计的重要性，借此帮助大家轻松设计电源。那么，先从一些常见电路拓扑结构说起……

低压差稳压器

在现今电源设计中，低压差稳压器（LDO）是最简单的电压转换的形式之一。LDO 是线性稳压器，而不是开关稳压器，其原理是在输入电压和输出电压之间放置了一个可调电阻，这意味着输出电压是固定的，与输入电压如何变化以及通过设备的负载电流无关。图1显示了这种简单电压转换器的基本原理。

图1：线性稳压器将一种电压转换成另一种电压（图片来源: ADI）

以110VAC 输入电压为例，利用50Hz/60Hz变压器和二极管的桥式整流，将110VAC 转成直流电压。为使整流后的电压稳定，使用线性稳压器能有效地将该电压稳定。下图 2 显示了这个应用的概念，但这个设计使用笨重且较昂贵的50Hz/60Hz 变压器，而且线性稳压器工作中，会散发大量热量，整体系统效率较低。

图2：线性稳压器在桥式整流电路的应用（图片来源:ADI）

开关电源

为了避免图 2 所示的整流电路的缺点，可以考虑使用开关电源。开关电源的输入不再依赖50Hz或60Hz 交流电压，反而是采用直流电压或经过整流的交流电压，以生成直流输出电压。这优点可以提供尺寸更小的方案，而且成本相对较低。这种方法产生的交流电压不需要正弦电压波形，一个简单的PWM 信号形状加上一个开关器件就可以正常工作。

在今天的开关电源中，开关稳压器是通过控制晶体管开关，使输出电压保持稳定。开关大多采用MOS管代替双极晶体管，使开关速度更快，降低了系统中的开关损耗。双极型晶体管的功率效率不高，开关频率一般限制在50kHz或100kHz 左右。在高频开关中，使用 MOS 管允许在功率级中使用非常小的电感器和电容器。

使用开关稳压器会带来了很多好处。它们通常可以有效地转换电压，对输出电压升压和降压的控制，并提供相对紧凑和低成本的设计。不过缺点是它们的设计和优化不是那么简单，并且它们会从开关转换和开关频率产生 EMI。所以业界也提供了很多资源，例如应用电路及一些电源设计工具，以利于工程师简化设计过程。

电源是否需要隔离

在设计电源时，一个首先要回答的问题是“是否需要电流隔离”？使用电流隔离可以使电路更安全，抗干扰能力更强，更容易实现升降压转换，并更容易实现多路输出和很宽的输入电压范围。

两种最常见的隔离电源的拓扑形式是“反激”和“正向”。但是为了获得更高的功率輸出，可以使用其他隔离拓扑如“推挽”、“半桥”和“全桥”。实际上，如果不需要电流隔离，工程师会尽量使用非隔离电源，因为隔离的拓扑形式总是需要变压器或额外的线路，而且这种设备往往会增加成本和体积，通常很难满足定制电源的需求。

较常见的非隔离拓扑

降压转换器 (Buck)

最常见非隔离式开关电源的拓扑结构是降压转换器。它将正输入电压转换为低于输入电压的输出电压。其结构简单，只需要两个开关、一个电感器和两个电容器，如图 3 所示。高侧开关从输入端产生脉冲电流并产生一个开关节点电压，该电压在输入电压和地之间来回震荡。之后，使用LC滤波器产生直流输出电压。根据控制高端开关PWM信号的占空比，产生不同电平的直流输出电压。这种DC-DC 降压转换器非常省电，设计亦相对简单，并且需要的元器件很少。

图3：降压转换器的概览图 (图片来源:ADI)

设计低噪声系统时要留意，降压转换器在输入侧产生脉冲电流，而输出侧有来自电感器的连续电流。这就是降压稳压器在输入端噪声很大而在输出端噪声不大的原因。

升压转换器(Boost)

除了降压外，另一种常见拓扑是升压。它的拓扑结构由五个基本功率元件组成，与降压转换器的拓扑有点不同，如图4所示。

图4：升压转换器的概览图 (图片来源:ADI)

选择升压转换器时，需要留意数据表上较普遍列出最大额定开关电流而不是最大输出电流。在降压转换器中，最大开关电流与可实现的最大输出电流直接相关，但与输入电压和输出电压之间的电压比无关。而在升压稳压器中，电压比是根据固定的最大开关电流而直接影响可能的最大输出电流。所以在选择合适的升压稳压器时，工程师不仅需要了解所需的输出电流，还需要了解系统需要的输入和输出电压。

升压转换器的输入端噪声非常低，因为与输入端连接的电感可防止电流快速变化。然而，输出端噪声较大，因为LC滤波器位于输入端，我们会看到脉冲电流流向外部开关，造成输出纹波。因此与降压拓扑相比，输出纹波更受关注。

反相降压-升压稳压器 (Inverting)

第三种常見拓扑是反相降压-升压转换器，其由五个元器件组成。该名称源于该转换器采用正输入电压并将其转换为负输出电压的事实。除此之外，输入电压可能大于或小于反相输出电压的绝对值。例如，输入端的5V或24V可能会产生-12V输出电压。这是可行而无需进行任何特殊的电路修改，如下图5所示。

图5：反相降压-升压转换器的概览图 (图片来源: ADI)

在反相降压-升压拓扑中，电感从开关节点连接到地。转换器的输入端和输出端都看到脉冲电流，输出电流是不连续的，使反相降压/升压转换器的输出电压往往噪声较大，所以在低噪声应用中，可以通过增加额外的输入和输出滤波来补偿。

反相降压-升压拓扑在电源设计中有一个好处，就是任何降压稳压器均可应用此拓扑。如ADI的ADP2441或ADP2442，为了将降压稳压器转换为反相降压-升压拓扑结构，电感和输出电容应以与降压拓扑结构相似的方式连接，如图6所示。

图6：ADP2441/ADP2442 实现的反相降压-升压拓扑结构 (图片来源: ADI)

专业的拓扑结构

除了以上三种常见非隔离开关电源拓扑之外，还有更多的拓扑如SEPIC、Zeta、Ćuk 和 4 开关降压-升压。相比以上三种开关电源拓扑而言，这些拓扑结构都需要额外增加一些有源组件，会增加产品成本，功率转换效率也会降低。一般而言，在电路中添加额外元器件会增加损耗。以下简单介绍一下这四款不同拓扑的一些最重要功能。

SEPIC：单端初级电感转换器（SEPIC）允许输出电压大于或小于输入电压的电压转换，输出电压由主控开关（三极管或MOS管）的占空比控制。升压稳压器升压稳压器 IC 可用于设计 SEPIC 电源电路。要留意，这种拓扑在电路中需要添多額外元件（电感和电容），如图 7所示.

Zeta：Zeta转换器与SEPIC转换器类似，如LT8461Zeta和SEPIC拓扑的简化原理图（图7）所示，都需要两个电感（L1A和L1B）、两个开关（Q1和 D1 ）和一个电容器（CF）。Zeta转换器能够产生正或负输出电压，此外，它没有右半平面零（RHPZ）问题存在，从而简化了调节回路。

小知识：右半平面零（RHPZ）

含有右半平面零点（RHPZ）的开关DC-DC变换器发生占空比突变时，暂态过程会出现负调现象，该现象会导致系统暂态性能变差，负调持续时间段系统易形成正反馈而出现不稳定现象，传统的频域法无法直接进行控制器设计，因此对其进行控制较最小相位系统困难的多。

图7：Zeta 和 SEPIC 拓扑结构 (图片来源: ADI)

Ćuk：Ćuk转换器可将正输入电压转换为负输出电压。它使用两个电感器，一个在输入侧，一个在输出侧，因此输入和输出侧的噪声非常低。可是，支持这种拓扑结构的开关电源转换器的器件并不多，因为调节环路需要一个负电压反馈引脚。如ADI的LT8331，它需要在输入和输出之间使用两个电感器和一个耦合电容器（C5）。耦合或阻塞电容器从电路的输入侧接收能量并将其传输到电路的输出侧。在稳态条件下（即上电后），该电容器两端的电压是恒定的，大约等于 VIN（如图8所示）。

图8：LT8331实现的Ćuk拓扑结构 (图片来源: ADI)

四开关降压-升压：这种类型的转换器近年来变得非常流行。四开关降压-升压从正输入电压中提供正输出电压，该输入电压可能高于或低于调整后的输出电压。这类型的转换器能夠提供更高的电源转换效率并且只需要一个电感器，所以该转换器可以取代了SEPIC的设计。如ADI的LT8705，它是一款同步四开关降压-升压控制器，运用输入和输出侧各两个开关，使用稳健的同步开关拓扑结构，以高效率为恒压或恒流应用提供高功率输出（如图9所示）。