1、开关电源可分为直流开关电源和交流开关电源，是按输出来区分的，交流开关电源输出的是交流电，而直流开关电源输出的是直流电，这里介绍的是直流开关电源。随着相关元器件的发展，直流开关电源以其高效率在很多场合代替线性电源而获得广泛应用。直流开关电源与线性电源相比一般成本较高，但在有些特别场合却更简单和便宜，甚至几乎只能用开关电源，如升压和极性反转等。直流开关电源还可分为隔离的和不隔离的两种，隔离的是采用变压器来实现输入与输出间的电气隔离，变压器还便于实现多路不同电压或多路相同电压的输出。直流开关电源结构复杂，设计和分析都有较特别的一套理论和方法，这里主要介绍 6 种基本的不隔离的直流开关电源结构形式和其
2、特点，便于依据应用场合来选择使用。理想假定：为便于分析，常假定存在如下理想状态1. 电子器件理想：电子开关管 Q 和 D 的导通和关断时间为零，通态电压为零，断态漏电流为零2. 电感和电容均为无损耗的理想储能元件，且开关频率高于 LC 的谐振频率3. 在一个开关周期内，输入电压 Vin 保持不变4. 在一个开关周期内，输出电压有很小的纹波，但可认为基本保持不变，其值为 Vo5. 不计线路阻抗6. 变换器效率为 100%一、Buck 变换器：也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。图中，Q 为开关管，其驱动电压一般为 PWM(Pulse width modulatio
3、n 脉宽调制)信号，信号周期为 Ts，则信号频率为 f=1/Ts，导通时间为 Ton，关断时间为 Toff，则周期Ts=Ton+Toff，占空比 Dy= Ton/Ts。Buck 变换器有两种基本工作方式：CCM(Continuous current mode)：电感电流连续模式，输出滤波电感 Lf 的电流总是大于零DCM(Discontinuous current mode)：电感电流断续模式，在开关管关断期间有一段时间 Lf的电流为零CCM 时的基本关系：DCM 时的基本关系：DCM 可分为两种典型情况：输入电压 Vin 不变，输出电压 Vo 变化，常用作电动机速度控制或充电器对蓄电池的恒流
4、充电输入电压 Vin 变化，输出电压 Vo 恒定，即普通开关稳压电源电感电流临界连续的边界：输入电压恒定不变时：Vin=const理想情况下，在电流断续区输出电压仅由占空比 Dy 确定。实际电路中，因元器件的非理想化，在电感电流的连续区，Buck 变换器的外特性也是下降的，即 Io 加大，Vo 降低。为保持 Vo 不变，在 Io 增加时，要适当加大占空比 Dy。输出电压恒定不变时：Vo=const可画出 Buck 变换器在 Vo=const 时的特性曲线：图中虚线为电感电流临界连续的边界，右上方为电流连续区，左下为电流断续区。在电感电流临界连续时，若加大负载，则进入电流连续工作区；减小负载，则
5、进入电流断续区。若负载不变，减小输入电压 Vin，为使 Vo 不变，应加大 Dy，也进入电流连续区。二、Boost 变换器：也称升压式变换器，是一种输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器。开关管 Q 也为 PWM 控制方式，但最大占空比 Dy 必须限制，不允许在 Dy=1 的状态下工作。电感 Lf 在输入侧，称为升压电感。Boost 变换器也有 CCM 和 DCM 两种工作方式。CCM 时的基本关系：Q 导通时为电感 Lf 储能阶段，此时电源不向负载提供能量，负载靠储于电容 Cf 的能量维持工作；Q 关断时，电源和电感共同向负载供电，此时还给电容 Cf 充电。变换器必须接负载，不然会因能量
6、不断送到负载端而使 Vo 不断升高而损坏。DCM 时的基本关系：在电流断续时，即使输入电压 Vin 不变，为了保持输出电压 Vo 恒定，也要随负载电流的不同来调整占空比 Dy。电感电流临界连续的边界：输入电压恒定不变时：Vin=const输出电压恒定不变时：Vo=const电感电流临界连续的边界曲线：上方为电感电流连续区，下方为断续区电流断续时，开关管 Q 导通期间存储在电感 Lf 中的磁能在 Q 截至期间全部通过二极管 D转移到输出端，如果变换器不接负载电阻，或电阻太大，必使 Vo 不断增加，因此没有电压闭环调节的 Boost 变换器不能在输出端开路情况下工作。三、Buck/Boost 变换
7、器：也称升降压式变换器，是一种输出电压既可低于也可高于输入电压的单管不隔离直流变换器，但其输出电压的极性与输入电压相反。Buck/Boost 变换器可看做是 Buck 变换器和 Boost 变换器串联而成，合并了开关管。Buck/Boost 变换器也有 CCM 和 DCM 两种工作方式，开关管 Q 也为 PWM 控制方式。CCM 时的基本关系：电感 Lf 用于储能和转换能量，Q 导通时电感 Lf 储能，负载由电容 Cf 供电；Q 关断时，电感向负载供电。DCM 时的基本关系：电感电流临界连续的边界：输入电压恒定不变时：Vin=const输出电压恒定不变时：Vo=const电 感 电 流 临 界
8、 连 续 的 边 界 曲 线 ： 上 方 为 电 感 电 流 连 续 区 ， 下 方 为 断 续 区由 图 可 见 ， 在 Vo=const 时 ， 如 果 Dy0.5， 即 VoVin， 变 换 器 很 容 易 进 入 电 感 电 流断 续 区 。由 于 这 种 变 换 器 的 输 出 电 流 和 电 感 电 流 不 同 ， 故 二 者 的 边 界 不 相 同 ， 输 出 电 流 Io的 边 界 线 在 电 感 电 流 的 下 方 ， 因 为 Io 只 是 电 感 电 流 的 一 部 分 。四 、 Cuk 变 换 器 ： 美 国 加 州 理 工 学 院 Slobodan Cuk 提 出 的
9、对 Buck/Boost 改 进 的 单 管不 隔 离 直 流 变 换 器 ， 在 输 入 输 出 端 均 有 电 感 ， 可 以 显 著 减 小 输 入 和 输 出 电 流 的 脉 动 ， 同样 是 输 出 电 压 的 极 性 与 输 入 电 压 相 反 ， 同 样 是 输 出 电 压 既 可 低 于 也 可 高 于 输 入 电 压 。Cuk 变 换 器 可 看 做 是 Boost 变 换 器 和 Buck 变 换 器 串 联 而 成 ， 合 并 了 开 关 管 。开 关 管 Q 也 为 PWM 控 制 方 式 。 Cuk 变 换 器 也 有 CCM 和 DCM 两 种 工 作 方 式 ，
10、但 不是 指 电 感 电 流 ， 而 是 指 流 过 二 极 管 的 电 流 连 续 或 断 续 。 在 一 个 开 关 周 期 中 开 关 管Q 的 截 止 时 间 (1-Dy)Ts 内 ， 若 二 极 管 电 流 总 是 大 于 零 ， 则 为 电 流 连 续 ； 若 二 极 管 电 流在 一 段 时 间 内 为 零 ， 则 为 电 流 断 续 工 作 ； 若 二 极 管 电 流 在 t=Ts 时 刚 降 为 零 ， 则 为 临界 连 续 工 作 方 式 。Cuk 变 换 器 中 有 两 个 电 感 ， 这 两 个 电 感 之 间 可 以 没 有 耦 合 ， 也 可 以 有 耦 合 ， 耦
11、 合 电 感 可进 一 步 减 小 电 流 脉 动 量 。分 析 时 增 加 一 个 假 设 ： 耦 合 电 容 C1 容 量 很 大 ， 变 换 器 在 稳 态 工 作 时 C1 的 电 压 基 本保 持 恒 定 。CCM 时 的 基 本 关 系 ： Cuk 变 换 器 中 ， 电 源 能 量 经 过 3 次 变 换 才 到 负 载 。 第 一 次 是 Q 导 通 ， 电 感 L1 储 能增 长 ， 电 能 转 换 为 磁 储 能 ； 第 二 次 是 Q 截 止 ， L1 的 磁 能 转 移 为 C1 的 电 能 存 储 着 ；第 三 次 是 Q 导 通 ， C1 的 电 能 转 移 到 负
12、 载 和 输 出 回 路 的 电 感 L2 和 电 容 Cf。 实 际 上 ，第 一 、 三 次 两 个 转 换 是 同 时 进 行 的 。Cuk 变 换 器 中 两 电 感 电 流 增 长 率 和 下 降 率 仅 与 Vin、 Vo 和 自 身 电 感 大 小 有 关 。 电 感确 定 后 ， 两 电 流 增 长 率 只 由 Vin 大 小 决 定 ， 分 别 为 Vin/L1 和 Vin/L2； 下 降 率 只 与Vo 有 关 ， 分 别 为 Vo/L1 和 Vo/L2。DCM 时 的 基 本 关 系 ：两 电 感 有 耦 合 的 Cuk 变 换 器 ：如 果 两 电 感 L1 和 L2
13、绕 在 同 一 铁 芯 上 ， 则 两 个 电 感 互 相 耦 合 ， 除 自 感 外 还 有 互 感M， 通 常 用 耦 合 系 数 k 来 表 示 耦 合 程 度 ：耦 合 电 感 可 以 进 一 步 减 小 输 入 电 流 和 输 出 电 感 电 流 的 脉 动 。五 、 Zeta 变 换 器 ： 有 两 个 电 感 和 耦 合 电 容 的 单 管 不 隔 离 直 流 变 换 器 ， 输 出 电 压 极 性 和 输入 电 压 相 同 。 Zeta 变 换 器 可 看 做 是 Buck/Boost 变 换 器 和 Buck 变 换 器 串 联 而 成 ， 合并 了 开 关 管 。Zeta
14、变 换 器 是 电 感 输 出 ， 所 以 输 出 电 流 脉 动 很 小 ， 开 关 管 Q 也 为 PWM 控 制 方 式 。分 析 时 假 设 耦 合 电 容 C1 容 量 很 大 ， 变 换 器 在 稳 态 工 作 时 C1 的 电 压 基 本 保 持 恒 定 。CCM 时 的 基 本 关 系 ：DCM 时 的 基 本 关 系 ：六、Sepic 变换器：有两个电感和耦合电容的单管不隔离直流变换器，输出电压极性和输入电压相同。Sepic 变换器可看做是 Boost 变换器和 Buck/Boost 变换器串联而成，合并了开关管。Sepic 变换器是电感输入，所以输入电流脉动很小，开关管 Q 也为 PWM 控制方式。分析时假设耦合电容 C1 容量很大，变换器在稳态工作时 C1 的电压基本保持恒定。CCM 时的基本关系：
