如何将微小型PCB线圈用做电感式传感器元件？

什么是拓扑呢？所谓电路拓扑就是功率器件和电磁元件在电路中的连接方式，而磁性元件设计，闭环补偿电路设计及其他所有电路元件设计都取决于拓扑。最基本的拓扑是Buck(降压式)、Boost(升压式)和Buck/Boost(升/降压)，单端反激(隔离反激)，正激、推挽、半桥和全桥变化器。

(资料图)

开关电源的拓扑结构，常见拓扑大约有14种，每种都有自身的特点和适用场合。选择原则是要看是大功率还是小功率，高压输出还是低压输出，以及是否要求器件尽量少等。

因此，要恰当选择拓扑，熟悉各种不同拓扑的优缺点及适用范围是非常重要的。错误的选择会使电源设计一开始就注定失败。下面编者为大家整理汇总了开关电源20种基本拓扑，帮助系统掌握每种电路结构的工作原理与基本特性。

20种开关电源拓扑对比

常见的基本拓扑结构：■Buck 降压 ■Boost 升压 ■Buck-Boost 降压-升压 ■Flyback 反激 ■Forward 正激 ■Two-Transistor Forward 双晶体管正激 ■Push-Pull 推挽 ■Half Bridge 半桥 ■Full Bridge 全桥 ■SEPIC ■C’uk

1、基本的脉冲宽度调制波形

这些拓扑结构都与开关式电路有关，基本的脉冲宽度调制波形定义如下：

2、Buck 降压

特点： ■把输入降至一个较低的电压 ■可能是最简单的电路 ■电感/电容滤波器滤平开关后的方波 ■输出总是小于或等于输入 ■输入电流不连续 (斩波) ■输出电流平滑

3、Boost 升压

特点： ■把输入升至一个较高的电压 ■与降压一样，但重新安排了电感、开关和二极管■输出总是比大于或等于输入(忽略二极管的正向压降) ■输入电流平滑 ■输出电流不连续 (斩波)

4、Buck-Boost 降压-升压

特点： ■电感、开关和二极管的另一种安排方法 ■结合了降压和升压电路的缺点 ■输入电流不连续 (斩波) ■输出电流也不连续 (斩波) ■输出总是与输入反向 (注意电容的极性)，但是幅度可以小于或大于输入 ■“反激”变换器实际是降压-升压电路隔离（变压器耦合）形式。

5、Flyback 反激

特点： ■如降压-升压电路一样工作，但是电感有两个绕组，同时作为变压器和电感 ■输出可以为正或为负，由线圈和二极管的极性决定。 ■输出电压可以大于或小于输入电压，由变压器的匝数比决定。 ■这是隔离拓扑结构中最简单的 ■增加次级绕组和电路可以得到多个输出

6、Forward 正激

特点： ■降压电路的变压器耦合形式。 ■不连续的输入电流，平滑的输出电流。 ■因为采用变压器，输出可以大于或小于输入，可以是任何极性。 ■增加次级绕组和电路可以获得多个输出。 ■在每个开关周期中必须对变压器磁芯去磁。常用的做法是增加一个与初级绕组匝数相同的绕组。 ■在开关接通阶段存储在初级电感中的能量，在开关断开阶段通过另外的绕组和二极管释放。

7、Two-Transistor Forward双晶体管正激

特点： ■两个开关同时工作。 ■开关断开时，存储在变压器中的能量使初级的极性反向，使二极管导通。 主要优点： ■每个开关上的电压永远不会超过输入电压。 ■无需对绕组磁道复位。

8、Push-Pull 推挽

特点： ■开关（FET）的驱动不同相，进行脉冲宽度调制（PWM）以调节输出电压。 ■良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。 ■全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。 ■施加在FET上的电压是输入电压的两倍。

9、Half-Bridge 半桥

特点： ■较高功率变换器极为常用的拓扑结构。 ■开关（FET）的驱动不同相，进行脉冲宽度调制（PWM）以调节输出电压。 ■良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。而且初级绕组的利用率优于推挽电路。 ■全波拓扑结构,所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。 ■施加在FET上的电压与输入电压相等。

10、Full-Bridge 全桥

特点： ■较高功率变换器最为常用的拓扑结构。 ■开关（FET）以对角对的形式驱动，进行脉冲宽度调制（PWM）以调节输出电压。 ■良好的变压器磁芯利用率---在两个半周期中都传输功率。 ■全波拓扑结构，所以输出纹波频率是变压器频率的两倍。 ■施加在FETs上的电压与输入电压相等。 ■在给定的功率下，初级电流是半桥的一半。

11、SEPIC 单端初级电感变换器

特点： ■输出电压可以大于或小于输入电压。 ■与升压电路一样，输入电流平滑，但是输出电流不连续。 ■能量通过电容从输入传输至输出。 ■需要两个电感。

12、C"uk(Slobodan C"uk 的专利)

特点： ■输出反相 ■输出电压的幅度可以大于或小于输入。 ■输入电流和输出电流都是平滑的。 ■能量通过电容从输入传输至输出。 ■需要两个电感。 ■电感可以耦合获得零纹波电感电流。

13、电路工作的细节

下面讲解几种拓扑结构的工作细节： ■降压调整器：连续导电、临界导电、不连续导电 ■升压调整器 (连续导电) ■变压器工作 ■反激变压器 ■正激变压器

14、Buck-降压调整器-连续导电

特点： ■电感电流连续。 ■ Vout是其输入电压 (V1)的均值。 ■输出电压为输入电压乘以开关的负荷比 (D)。 ■接通时，电感电流从电池流出。 ■开关断开时电流流过二极管。 ■忽略开关和电感中的损耗, D 与负载电流无关。 ■降压调整器和其派生电路的特征是： 输入电流不连续 (斩波), 输出电流连续 (平滑)。

15、Buck-降压调整器-临界导电

■电感电流仍然是连续的，只是当开关再次接通时 “达到”零，这被称为 “临界导电”。输出电压仍等于输入电压乘以 D。

16、Buck-降压调整器-不连续导电

■在这种情况下，电感中的电流在每个周期的一段时间中为零。 ■输出电压仍然 (始终)是 v1 的平均值。 ■输出电压不是输入电压乘以开关的负荷比 (D)。 ■当负载电流低于临界值时,D 随着负载电流而变化(而 Vout 保持不变)。

17、Boost 升压调整器

■输出电压始终大于（或等于）输入电压。 ■输入电流连续，输出电流不连续（与降压调整器相反）。 ■输出电压与负荷比（D）之间的关系不如在降压调整器中那么简单。在连续导电的情况下：

在本例中，Vin = 5,Vout = 15, and D = 2/3. Vout = 15，D = 2/3.

18、变压器工作（包括初级电感的作用）

■变压器看作理想变压器，它的初级（磁化）电感与初级并联。

19、反激变压器

■此处初级电感很低，用于确定峰值电流和存储的能量。当初级开关断开时，能量传送到次级。

20、Forward 正激变换变压器

■初级电感很高，因为无需存储能量。 ■磁化电流 (i1) 流入 “磁化电感”，使磁芯在初级开关断开后去磁 (电压反向)。

总结

■此处回顾了目前开关式电源转换中最常见的电路拓扑结构。 ■还有许多拓扑结构，但大多是此处所述拓扑的组合或变形。 ■每种拓扑结构包含独特的设计权衡： 1）施加在开关上的电压 2）斩波和平滑输入输出电流 3）绕组的利用率 ■选择最佳的拓扑结构需要研究： 1）输入和输出电压范围 2）电流范围 3）成本和性能、大小和重量之比

编辑：黄飞