如何將微小型PCB線圈用做電感式傳感器元件？

什么是拓撲呢？所謂電路拓撲就是功率器件和電磁元件在電路中的連接方式，而磁性元件設計，閉環補償電路設計及其他所有電路元件設計都取決于拓撲。最基本的拓撲是Buck(降壓式)、Boost(升壓式)和Buck/Boost(升/降壓)，單端反激(隔離反激)，正激、推挽、半橋和全橋變化器。

(資料圖)

開關電源的拓撲結構，常見拓撲大約有14種，每種都有自身的特點和適用場合。選擇原則是要看是大功率還是小功率，高壓輸出還是低壓輸出，以及是否要求器件盡量少等。

因此，要恰當選擇拓撲，熟悉各種不同拓撲的優缺點及適用范圍是非常重要的。錯誤的選擇會使電源設計一開始就注定失敗。下面編者為大家整理匯總了開關電源20種基本拓撲，幫助系統掌握每種電路結構的工作原理與基本特性。

20種開關電源拓撲對比

常見的基本拓撲結構：■Buck 降壓 ■Boost 升壓 ■Buck-Boost 降壓-升壓 ■Flyback 反激 ■Forward 正激 ■Two-Transistor Forward 雙晶體管正激 ■Push-Pull 推挽 ■Half Bridge 半橋 ■Full Bridge 全橋 ■SEPIC ■C’uk

1、基本的脈沖寬度調制波形

這些拓撲結構都與開關式電路有關，基本的脈沖寬度調制波形定義如下：

2、Buck 降壓

特點： ■把輸入降至一個較低的電壓 ■可能是最簡單的電路 ■電感/電容濾波器濾平開關后的方波 ■輸出總是小于或等于輸入 ■輸入電流不連續 (斬波) ■輸出電流平滑

3、Boost 升壓

特點： ■把輸入升至一個較高的電壓 ■與降壓一樣，但重新安排了電感、開關和二極管■輸出總是比大于或等于輸入(忽略二極管的正向壓降) ■輸入電流平滑 ■輸出電流不連續 (斬波)

4、Buck-Boost 降壓-升壓

特點： ■電感、開關和二極管的另一種安排方法 ■結合了降壓和升壓電路的缺點 ■輸入電流不連續 (斬波) ■輸出電流也不連續 (斬波) ■輸出總是與輸入反向 (注意電容的極性)，但是幅度可以小于或大于輸入 ■“反激”變換器實際是降壓-升壓電路隔離（變壓器耦合）形式。

5、Flyback 反激

特點： ■如降壓-升壓電路一樣工作，但是電感有兩個繞組，同時作為變壓器和電感 ■輸出可以為正或為負，由線圈和二極管的極性決定。 ■輸出電壓可以大于或小于輸入電壓，由變壓器的匝數比決定。 ■這是隔離拓撲結構中最簡單的 ■增加次級繞組和電路可以得到多個輸出

6、Forward 正激

特點： ■降壓電路的變壓器耦合形式。 ■不連續的輸入電流，平滑的輸出電流。 ■因為采用變壓器，輸出可以大于或小于輸入，可以是任何極性。 ■增加次級繞組和電路可以獲得多個輸出。 ■在每個開關周期中必須對變壓器磁芯去磁。常用的做法是增加一個與初級繞組匝數相同的繞組。 ■在開關接通階段存儲在初級電感中的能量，在開關斷開階段通過另外的繞組和二極管釋放。

7、Two-Transistor Forward雙晶體管正激

特點： ■兩個開關同時工作。 ■開關斷開時，存儲在變壓器中的能量使初級的極性反向，使二極管導通。 主要優點： ■每個開關上的電壓永遠不會超過輸入電壓。 ■無需對繞組磁道復位。

8、Push-Pull 推挽

特點： ■開關（FET）的驅動不同相，進行脈沖寬度調制（PWM）以調節輸出電壓。 ■良好的變壓器磁芯利用率---在兩個半周期中都傳輸功率。 ■全波拓撲結構,所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。 ■施加在FET上的電壓是輸入電壓的兩倍。

9、Half-Bridge 半橋

特點： ■較高功率變換器極為常用的拓撲結構。 ■開關（FET）的驅動不同相，進行脈沖寬度調制（PWM）以調節輸出電壓。 ■良好的變壓器磁芯利用率---在兩個半周期中都傳輸功率。而且初級繞組的利用率優于推挽電路。 ■全波拓撲結構,所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。 ■施加在FET上的電壓與輸入電壓相等。

10、Full-Bridge 全橋

特點： ■較高功率變換器最為常用的拓撲結構。 ■開關（FET）以對角對的形式驅動，進行脈沖寬度調制（PWM）以調節輸出電壓。 ■良好的變壓器磁芯利用率---在兩個半周期中都傳輸功率。 ■全波拓撲結構，所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。 ■施加在FETs上的電壓與輸入電壓相等。 ■在給定的功率下，初級電流是半橋的一半。

11、SEPIC 單端初級電感變換器

特點： ■輸出電壓可以大于或小于輸入電壓。 ■與升壓電路一樣，輸入電流平滑，但是輸出電流不連續。 ■能量通過電容從輸入傳輸至輸出。 ■需要兩個電感。

12、C"uk(Slobodan C"uk 的專利)

特點： ■輸出反相 ■輸出電壓的幅度可以大于或小于輸入。 ■輸入電流和輸出電流都是平滑的。 ■能量通過電容從輸入傳輸至輸出。 ■需要兩個電感。 ■電感可以耦合獲得零紋波電感電流。

13、電路工作的細節

下面講解幾種拓撲結構的工作細節： ■降壓調整器：連續導電、臨界導電、不連續導電 ■升壓調整器 (連續導電) ■變壓器工作 ■反激變壓器 ■正激變壓器

14、Buck-降壓調整器-連續導電

特點： ■電感電流連續。 ■ Vout是其輸入電壓 (V1)的均值。 ■輸出電壓為輸入電壓乘以開關的負荷比 (D)。 ■接通時，電感電流從電池流出。 ■開關斷開時電流流過二極管。 ■忽略開關和電感中的損耗, D 與負載電流無關。 ■降壓調整器和其派生電路的特征是： 輸入電流不連續 (斬波), 輸出電流連續 (平滑)。

15、Buck-降壓調整器-臨界導電

■電感電流仍然是連續的，只是當開關再次接通時 “達到”零，這被稱為 “臨界導電”。輸出電壓仍等于輸入電壓乘以 D。

16、Buck-降壓調整器-不連續導電

■在這種情況下，電感中的電流在每個周期的一段時間中為零。 ■輸出電壓仍然 (始終)是 v1 的平均值。 ■輸出電壓不是輸入電壓乘以開關的負荷比 (D)。 ■當負載電流低于臨界值時,D 隨著負載電流而變化(而 Vout 保持不變)。

17、Boost 升壓調整器

■輸出電壓始終大于（或等于）輸入電壓。 ■輸入電流連續，輸出電流不連續（與降壓調整器相反）。 ■輸出電壓與負荷比（D）之間的關系不如在降壓調整器中那么簡單。在連續導電的情況下：

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

18、變壓器工作（包括初級電感的作用）

■變壓器看作理想變壓器，它的初級（磁化）電感與初級并聯。

19、反激變壓器

■此處初級電感很低，用于確定峰值電流和存儲的能量。當初級開關斷開時，能量傳送到次級。

20、Forward 正激變換變壓器

■初級電感很高，因為無需存儲能量。 ■磁化電流 (i1) 流入 “磁化電感”，使磁芯在初級開關斷開后去磁 (電壓反向)。

總結

■此處回顧了目前開關式電源轉換中最常見的電路拓撲結構。 ■還有許多拓撲結構，但大多是此處所述拓撲的組合或變形。 ■每種拓撲結構包含獨特的設計權衡： 1）施加在開關上的電壓 2）斬波和平滑輸入輸出電流 3）繞組的利用率 ■選擇最佳的拓撲結構需要研究： 1）輸入和輸出電壓范圍 2）電流范圍 3）成本和性能、大小和重量之比

編輯：黃飛