电路分析的基本原理（电路拓扑的原理和设计）

关于电路拓扑原理和设计，很多电源工程师工作中会遇到不同的问题。其实找到问题的根源，才能对症下药。下面给大家分享几篇不错的文章，供大家学习~

反激 | LDO

LDO结构及工作原理介绍

下图1是模拟电路中学习过的最基本的稳压电路，核心器件是稳压管，它的稳压工作区间决定了输出稳压的范围，通过这种简单电路，可以实现小电流（百mA级别），小动态范围内的稳压。图1右边电路仅多了一个2N3055三极管，目的就是提升输出带载能力，同时三极管还引入了电压负反馈，起到稳定输出电压的作用。

图1.基本调整管稳压电路

当输入电压Vin增大或输出负载电阻增大，输出电压Vout会瞬间增加，三极管的射极电Ve压随之增大，如果基极电压Vb不变，则Vb-Ve就会减小，进而输出电流减小，Vout减小。上述基本调整管稳压电路存在两个问题：（1）输出电压不可调（2）输出电压Vout会受到Vbe电压波动的影响，稳定性较差。因此，目前LDO或线性稳压器通常会引入运算放大器，加深负反馈的同时提高输出电压稳定性。

图2. 通用LDO电路原理图

图2所示为通用LDO的原理结构图：在基本稳压管调整电路基础上增加了运算放大器A和分压电阻采样网络R1和R2。当输入电压Vin增大或输出负载电阻增大，输出电压Vout会瞬间增加，通过R1、R2分压采样得到的电压也增加，由于是反向端输入，运放A的输出会相应减小，则Vb-Ve就会减小，进而输出电流减小，Vout减小。下面介绍几种目前常用的LDO或线性稳压器结构……

反激变换器的RCD设计

当MOSFET关闭时，由于变压器的初级漏电感(Llk)和MOSFET的输出电容(COSS)之间的谐振，会在漏极引脚上出现一个高压尖峰。漏极上的过高电压可能导致雪崩击穿并最终损坏MOSFET。因此，有必要增加一个附加电路来箝位电压，该附加电路非拓扑需要，而是工程需求。

Lik1：初级绕组的漏感

Lik2：次级绕组的漏感

Coss：MOS的输出电容

Cj：次级整流二极管的寄生电容

当MOS关闭时，初级电流(id)在短时间内给MOS的Coss充电。当穿过Coss (Vds)的电压超过输入电压加上反射输出电压(Vin nVo)时，二次二极管打开，使穿过磁化电感(Lm) 的电压被箝位到nVo。

因此，Llk1与Coss存在高频高压浪涌的共振。在MOSFET上的过电压可能会导致MOS的雪崩击穿。

CCM时，次级二极管保持打开，直到MOSFET开通。当MOSFET接通时，次级二极管的反向恢复电流加到初级电流上，在接通瞬间初级电流会出现较大的浪涌。

DCM时，由于次级电流在一个开关周期结束前就为零了，所以在Lm和MOSFET的Coss谐振……

降压斩波电路（BUCK）、升压斩波电路（BOOST）

直流-直流变流电路（DC/DC Converter）包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路，也称斩波电路（DC Chopper），功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。间接直流变流电路，在直流变流电路中增加了交流环节，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为直—交—直电路。

降压斩波电路（BUCK）

demo5_1_1降压斩波电路(buck)

电路分析：使用一个全控型器件V，图中为IGBT，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。设置了续流二极管VD，在V关断时给负载中电感电流提供通道。主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中Em 所示。

工作原理：t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。t=t1 时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降，通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。

基本的数量关系：电流连续时，负载电压的平均值为：

式中，ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，α为导通占空比，简称占空比或导通比。负载电流平均值为……

LLC的原理与设计

LLC谐振变换器是目前广泛使用的一种拓扑结构，但工作中发现很多工程师对LLC的原理和设计不是很了解。所以开个帖子跟大家一起讨论下LLC这个拓扑的原理和设计。

要了解LLC，就要先了解软开关。对于普通的拓扑而言，在开关管开关时，MOS的D-S间的电压与电流产生交叠，因此产生开关损耗。如图所示：

为了减小开关时的交叠，人们提出了零电流开关（ZCS）和零电压开关（ZVS）两种软开关的方法。对于ZCS：使开关管的电流在开通时保持在零，在关断前使电流降到零。对于ZVS：使开关管的电压在开通前降到零，在关断时保持为零。

最早的软开关技术是采用有损缓冲电路来实现。从能量的角度来看，它是将开关损耗转移到缓冲电路中消耗掉，从而改善开关管的工作条件。这种方法对变换器的效率没有提高，甚至会使效率降低。目前所研究的软开关技术不再采用有损缓冲电路，这种技术真正减小了开关损耗，而不是损耗的转移，这就是谐振技术。而谐振变换器又分为全谐振变换器，准谐振变换器，零开关PWM变换器和零转换PWM变换器。全谐振变换器的谐振元件一直谐振工作，而准谐振变换器的谐振元件只参与能量变换的某一个阶段，不是全程参与。零开关PWM变换器是在准谐振的基础上加入一个辅助开关管，来控制谐振元件的谐振过程。零转换PWM变换器的辅助谐振电路只是在开关管开关时工作一段时间，其它时间则停止工作。

全谐振变换器主要由开关网络和谐振槽路组成，它使得流过开关管的电流变为正弦而不是方波，然后设法使开关管在某一时刻导通，实现零电压或零电流开关。

对于LLC而言，通常让开关管在电流为负时导通。在导通前，电流从开关管的体内二极管流过，开关管D-S之间电压被箝位在0V（忽略二极管压降），此时开通二极管，可以实现零电压开通；在关断前，由于D-S间的电容电压为0v而且不能突变，因此也近似于零电压关断。

从上面的分析可以看出，要实现零电压开关，开关管的电流必须滞后于电压。因此必须使谐振槽路始终工作在感性状态……

一个低压uc3843反激电源电路分解分析

我们来研究一个3843做的低压反激电源，我用低压主要是为了安全，而且方便测试。低压整明白后我们再玩高压。电路图如下：

为了更好的消化电路工作原理，我计划把电路分解，分别搭建并测试波形。

实验一

一、我把滤波电路、变压器部分全部去掉、mos的漏极悬空，看看启动情况：

1、我们来看看IC启动时的工作状态。我测IC的7脚（黄色）和4脚（青色），上电后得到下面4张波形。第1张图是10ms的，为整体波形；第2张1ms，是放大的局部波形；第3、4张50us，继续放大，此时第4脚震荡的始末看得清清楚楚。

我们知道UC3843的启动电压为8.5V＋，关闭电压为7.6V。30V的VCC经过R1给C8充电，电压逐步上升，达到8.5V后，3843开始工作。3843工作后，消耗C8的电量，电压下降，低于7.6V后IC停止工作。C8又开始充电，电压开始上升，再次达到8.5V，周而复始。

【新手坑】因为这个是IC的启动电路，本来就是让IC工作一会就行，因为启动后，变压器的辅助绕组会取代C8给IC供电。我当初特别不明白的是：所有的资料都强调3843的7脚启动电压，这个IC的7脚明明是和R5，R3并联的呀，电压肯定够呀？要那个C8干啥呀？去了C8还不启动，真奇怪。其实，3843要工作，需要一定的工作电流的，大概10mA左右。30V经过R1，电流直接被拉到3mA了，IC根本不能工作。其实C8的作用是存储和释放让3842能工作的电流更加确切……

开关电源隔离式和非隔离式拓扑介绍

非隔离式DC-DC拓扑介绍

1. Buck型拓扑变换器

Buck型变换器的拓扑结构如图所示，Buck型变换器也称降压型电源拓扑。在开关管S导通时，二极管VD负极电压高于正极反偏截止，此时电流经过电感L向电容和负载供电，同时电感L中储存了能量。在开关管S关断时，电感L中储存的能量不能立即释放，产生的感应电流通过负载、二极管VD形成续流通路，继续给负载供电。该二极管也因此称为续流二极管。在降压型电源拓扑中，当驱动开关管的PWM占空比为D时，输出与输入满足的关系为:

2. Boost型拓扑变换器

Boost变换器基本拓扑结构如图所示。Boost变换器也称为升压型电源拓扑。当开关管S导通时，二极管正极电压低于负极电压反偏关断，电源和电感形成通路，电感L流过电流储存能量，此时负载由电容提供能量。当开关管S断开时，此时二极管正向导通，电源和电感L储存的能量同时向电容、负载供电。在升压型变换器中，当驱动开关管的控制信号占空比为D时，输出与输入满足关系为:

3. Buck-Boost型拓扑变换器

Buck-Boost变换器基本拓扑结构如图所示，Buck-Boost变换器也称为升降压型开关电源拓扑，。在开关管S导通时，二极管负极电压高于正极电压反偏截止，电源和电感形成通路，电感L储存能量。当开关管S关断时，二极管正向导通，电感电流不会立即释放与负载、二极管形成续流通路。但是，此时负载电压与输入电压极性相反。在Buck-Boost变换器中，当驱动开关管的控制信号的占空比为D时，输出与输入满足的关系为:

隔离式DC-DC拓扑介绍

1. 正激式拓扑变换器

正激式变换器基本拓扑结构如图所示。将变压器放在降压型变换器的开关管和二极管之间就可以得到正激式的拓扑结构，变压器的原边和副边的隔离就使输入和输出隔离。正激时变换器因电路设计简单、经济便捷，在50W~400W的场合应用很广。但是由于变压器上所有线圈电流在开关管关断的时候，全部断开，为了保证变压器的磁芯不发生磁饱和现象，附加绕组W3的加入起到磁芯复位的功能……

BUCK | LLC

怎么选择BUCK降压电源的电感？

当今的消费电子产品越来越趋向于小型化、集成化，功能也越来越多，对于续航的要求自然越来越严格，BUCK电源以其高效率的优点是其必然的选择。

在设计BUCK电路时，如何选择电感是一个值得深入思考的问题。虽然IC商会有电感选型推荐，但在满足性能需求的基础上选择最合适的电感，是一个硬件工程师的基本素养，否则硬件工程师就会变成抄图工程师。

下面介绍如何选择DCDC BUCK降压电源的功率电感。

我们来分析电感选型的过程。

选型的分析是根据下面的公式，公式的推导过程非常简单。

a是电流纹波系数，或者纹波率。

上面的公式稍微变形就可以得到下面的公式

举个“栗子”：

假定BUCK的输入是10V输出是5V，负载是2A的电流需求，开关频率在2Khz，那么求电感值及其Isat参数……

超高效率 500W 无桥APFC LLC半桥谐振开关电源

作为一名电源工程师（自封），一直以来都在做一些简单的100W内的反激、BUCK、BUCK-BOOST……看电源网论坛高手都做几千瓦的大功率电源，心里痒痒。最近开始默默学习大师们的高超技术及写作文采，所以在此给自己定个任务——掌握无桥APFC及LLC半桥开关电源。

设计步骤：

1. 设定参数：输入85-265VAC，输出0-50V 0-10A 500W，隔离，符合CE认证标准，目标满载效率94%。

2. 预估尺寸

3. 寻找外壳

4. 画原理图

5. 画PCB

6. 列BOM清单

7. PCB打样，采购元器件

8. 调试

9. 总结调试中遇到的问题，总结此类电源设计注意事项

设计框图如下：

为什么要用没有桥堆的APFC？

一般APFC 半桥LLC两级架构开关电源效率为90%，则输出50V，10A的电源输入功率为：50V*10A/0.9=555.5W；

输入电压为85VAC时，PF假设为0.99，则输入电流为：555.5W/85V/0.9=6.6A；

一般桥堆内单个二极管的压降为1.2V，同时有两个在工作，则桥堆的功耗为：1.2V*6.6A*2=15.84W

可见桥堆损失的效率为：15.8W/555.5=2.85%

15.84W的功率和2.85%的效率损失对500W的中等功率电源来说关系不大，但对于几千瓦的电源桥堆的功耗就很大了。在这里以500W电源为案例，希望能与大家深入学习交流，并以此掌握无桥APFC设计经验，也请各位高手不吝赐教，万分感谢！

这是我之前买的480W服务器电源，拆机学习用的，不过他这是有桥堆的。

这个电源的拆机分析在我之前发的帖子里面有详细说明，大家可以去看看。 上电源网论坛搜索“【我是工程师第三季】 高清无码460W全桥相移服务器电源拆解 UCC3818D UCC3895DW ”就行。

希望能做到上面图中这么漂亮。

样机已经制作完成，看图： （做工不太好，大家不要见笑，准备下一版本优化）

下面我们开始聊聊无桥PFC线路……

BUCK | BOOST

Buck变换器的功率级小信号分析

Buck变换器从功率级小信号幅值特性可以看出，是一个典型的二阶低通滤波器，穿越频率为6.199kHz，但是低频DC增益太小，对稳态误差抑制效果不够好。所以需要进行补偿，将低频DC增益提高。

Buck变换器的相位特性如下，可以看到，在穿越频率处相位裕度只有19.891度（如果考虑信号回路的延时，可能就没有裕度了），不满足大于45度的标准，由于幅值在穿越0dB的时候是-2的斜率，所以相位损失比较大，需要对其进行补偿，在幅值穿越0dB的时候使其斜率变为-1。

……

Boost Buck升压和降压电路开环工作原理测试

1、Boost升压电路开环工作原理分析

工作原理：Boost升压电路由过压保护 滞环、驱动 或门、反相器、Boost主电路和主、辅、驱动源联合构成；过压保护 滞环电路实现输出电压保护，当输出电压高于一定值时MOSFET驱动电压为低、驱动关闭、输出电压下降，当输出电压低于一定值时MOSFET重新开始工作，保护电压值通过分压电阻设置和调节；MCU输出的驱动信号U9RE6占空比Duty越大输出电压越小，输出电压V(O1O)=VCCI1/Duty，所以通过调节U9RE6占空比改变输出电压值。

Boost测试电路——开环保护

Duty——MCU控制信号占空比，0.4(反馈保护起作用)、0.6、0.8；

Freq——MCU控制信号频率；

瞬态仿真设置：Duty=0.6

测试波形和数据如下图所示：等效输出电压高于49.181V时驱动关闭、输出电压V(O1O)降低，等效输出电压低于48.715V时驱动开启、输出电压V(O1O)恢复正常、约为40V=24/0.6，保护电压滞环范围约为466.591mV……

高频Boost变换器ZVZCS闭环设计

今天在这里分享一点小经验。开关电源现在向着高频化，高功率密度，小体积方向发展。这几天在家有些时间就在TI官网上搜索一些资料，找到了一款100kHz~2.2MHz频率的电源管理芯片，这里介绍的是LM5156，该芯片适合Boost，Flyback等变换器，同时TI也给出了仿真模型。

年前分享了Boost变换器（ZVZCS）设计与实现一文。最近有空就研究了一下Pspice模型，就在官网上找到了LM5156的模型，用来研究，在此基础上加以改进，实现了1MHz的Boost软开关的闭环仿真。

LM5156的内部结构

图1 内部结构

通过比较，相同的参数下仿真结果如图2、3所示，图3是Pspice的闭环仿真结果。

图2 PSIM开环仿真

图3 Pspice闭环仿真

经过图2、3仿真结果对比发现，PSIM开环仿真结果与Pspice闭环的仿真结果相同。相互验证了参数的合理性……

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