电源拓扑从入门到精通

转载自 https://zhuanlan.zhihu.com/p/35881404, 写的明白易懂.

如题，拓扑重要吗？相当重要！看看招聘广告：精通各种拓扑或精通XXX拓扑，客气点的说熟悉各种拓扑，还有的列出一些拓扑名称要求精通等等。有些工程师能力很强，看到这样的要求不免英雄气短，确实精通各种拓扑的不多见，招聘单位列出这样那样的拓扑其实自己未必清楚有什么用，只是假装很厉害的样子。真要精通各种拓扑，没有五年八年的时间基本不可能。很多搞电源设计的做个两三年基本也就“精通”一二种拓扑而已，最多的就是反激、反激还是反激。什么原边反馈（PSR）啦、准谐振（QR）等等也还是反激，好一点的多了一种正激（说到这里有些工程师大概心里已经不服气了）。现在好了，你想在短时间内精通各种拓扑吗？你想今后看到什么要求精通拓扑之类的招聘广告再也不会气馁吗？如果想的话请不要错过本帖。本帖将在二个月内把你从对拓扑朦朦胧胧带到精通，怎么样？心动吧！心动就请积极参与本帖互动，两个月后你就可以媲美你们公司的什么老工程师、与你公司里的同事交流那底气也足、简历中可以用粗体字写“精通各种拓扑”。

真有这么神奇？不管你信不信反正我信了。说得好像在做电视购物广告一样，呵呵。帖子广告做得好，不如帖子内容好（很熟悉的广告语吧？不过可惜了，那广告再也听不见了）。有任何谬论之处欢迎拍砖，你可以把我贬得一无是处但不欢迎粗话脏话，这样与论坛精神不符。长话短说，什么是拓扑？

什么是拓扑？

说到什么是拓扑相信不少人“爱在心头口难开”，似乎知道但好像很难用语言来表达。其实拓扑一词来源于数学，在数学上拓扑“Topology” 指的是一种现代几何学，研究的是点、线、面的相互连接关系，比如下面这个是一种拓扑：

在计算机网络方面拓扑一词用得也非常之多，比如像这样：

或这样：

开关电源也不例外，开关电源各种元器件的连接或相互关系也是一种网络，这种元器件的特定的连接关系就称为拓扑，换句话说，拓扑是元器件的一种特定连接关系。那么开关电源有多少种拓扑？估计没人知道。

基本拓扑就那么三种，Buck、Boost、Buck-Boost（Flyback），但也有资料上把基本拓扑分为两种的，不过本人还是比较倾向于分为三种。先把三种基本拓扑混个脸熟吧。如图，注意二极管、三极管、电感的相对位置，注意Buck-Boost=Flyback

为何采用开关电源？ 答案很简单，效率高损耗小。效率高必定损耗小，或损耗小必定效率高，因此说“效率高损耗小”一半是废话。我们从简单的线性稳压电源说起，如图：

Vin = 输入电压 Vout = 输出电压 Rs = 可调串联电阻 Is = 分流电路 RL 负载假设我们保持Rs不变，于是为了保持输出电压不变则Is需不断调整，负载重则Is减小，负载轻则Is加大，没有负载时Is最大，所有损耗都在Rs上，这很常见，我们称为并联型稳压电路。如果换一种思路，去掉Is分流电路，由Rs根据负载变化不断调整阻值以保持输出不变，这就构成了串联型稳压电源。广泛使用的三端稳压器就属于串联型稳压电源。在串联型稳压电源电路中，如果Rs为零则损耗为零，如果Rs为无穷大则损耗同样为零，开关电源的思路由此产生，于是人们想到用半导体器件代替Rs并且工作于开关状态通过输出端增加电感电容滤波来保持输出不变，由此开关电源诞生了。

开关电源总是从Buck起步，我们也不例外，精通了Buck原理就基本就精通了开关电源原理，好像有点夸张了。不管怎么样，Buck是基础，弄清原理是必须的。 Buck什么意思？

降压！又叫Step-down。如果你去查什么英汉字典，你会发现Buck一词的解释似乎与降压毫不相干，不管了，记住就是了。再次认识一下Buck，记住三节点中电感在输出端。

但以后凡看到电感输出便可知道是Buck电路，再复杂的电路也逃不掉基本规律。我们看一下MC34063集成开关稳压器，一颗古老的芯片，由于性能卓越一直在应用。看看这个接法构成什么拓扑？

不难看出，电感 L 接在输出端，因此是降压电路，或者说是Buck电路，又或者说是Buck拓扑，都是一个意思。哈哈，以后看到其他集成开关稳压器一眼就能看出是不是Buck。

记住Buck输出电压公式：对于CCM： Vout = Vin * D， D——占空比

DCM的公式就不要记了，挺复杂的，而且对帮助理解Buck没什么用处，用到时再查资料不迟。

看一下Buck拓扑波形图，虽然分析波形图是很枯燥的事，但是是必须的，强打起精神也要看一看。

结合上面两个图可以看出： Q1导通，电感两端电压为Vin - Vout，总输入电流呈线性上升（电感电流不能突变），电感电流与输入电流一样线性上升。 Q1关断，电感电压反向，（想一想为何？）输入电流为零，电感电流线性下降。上面的波形图有两个特点： 1）输入电流断续，电感电流连续 2）电感电流最小时不为零，这种电感电流不为零称为连续导通也就是我们常说的CCM模式（Continue Conduct Mode）如果上面两个图看懂了，那么恭喜你，你入门了。怎么样，入门很简单吧。哈，这是对初学者说的哦，高手定然不屑一笑。

那么是不是真的都入门了呢，不见得，我们来看看简单的占空比问题，我们知道，如下波形的占空比为：D= t/T

但是这样的波形是不是也有占空比？有的话怎么定义？又怎么计算？

还有这个呢？

看似问题简单估计能说得出的寥寥无几了。

关于占空比 (duty cycle) 的定义，我们参考Wikipedia（维基百科），他是这样定义的： Duty cycle: In an ideal pulse train, i.e. , one having rectangular pulses, the ratio of the pulse duration to the pulse period. 即，理想脉冲序列中，其中单个矩形脉冲，其脉冲持续时间和脉冲周期的比值就是占空比。这个没问题，大家都没有异议，那么什么是脉冲呢？他是这样解释的： Pulse: A rapid, transient change in the amplitude of a signal from a baseline value to a higher or lower value, followed by a rapid return to the baseline value. 也就是说，脉冲是这么一个波形：幅值从基准值到一定高度或到一定的低度然后回复到基准值非常快。实际上就是不计上升级下降时间。那么什么是脉冲持续时间呢： Pulse duration: In a pulse waveform, the interval between (a) the time, during the first transition, that the pulse amplitude reaches a specified fraction (level) of its final amplitude, and (b) the time the pulse amplitude drops, on the last transition, to the same level. Note: The interval between the 50% points of the final amplitude is usually used to determine or define pulse duration, and this is understood to be the case unless otherwise specified. 其他都不用看，只看这一句：Note: The interval between the 50% points of the final amplitude is usually used to determine or define pulse duration 就是说，脉冲的持续时间是以幅值的上升沿50% 到下降沿50%来计算。也就是说三角波的占空比是50%应该是没有问题的。

考虑上升沿的波形，从50%的位置算起，如下图所示：

锯齿波的占空比 = 50%

我们继续。 MOS管导通时的电流流向，注意电感两端电压方向，二极管D1此时是截止的，如图，这个不难理解，权当复习：

MOS管关闭时电流流向。MOS管关闭后电路中MOS管等于开路，电流流向如下图，注意电感两端电压反向了（为何？），此时D1导通，起到续流的作用，因此叫续流二极管。

输出电流是多大呢？看看波形便知：

至此，如果以上部分都理解了，再次恭喜你，你已入了二道门了，当然离精通还是有距离的，敬请关注，有任何问题务必提出，精通拓扑已是指日可待了。

CCM模式已见识过了，那么还有BCM和DCM是怎么一会事呢？其实也不难理解，如图是BCM模式，什么特点？电感电流最小刚好到下边界（边界 = Boundary）因此称为BCM（Boundary Continuous Mode）。

DCM模式也很好理解，如图。电感电流是断续的（断续 = Discontinuou），因此称为DCM（Discontinuous Continuous Mode）

Buck入门到此为止，Boost拓扑即将开始。

Boost拓扑快要开始啦，我们先来看看几个基本概念，如下图，请选择 a，b，c，d。各位看看如选？

a）左面灌电流右面拉电流 b）左面灌电流右面灌电流 c）左面拉电流右面灌电流 d）左面拉电流右面拉电流

我们下期揭晓答案哦~！

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