电力电子学概论 - 电源拓扑简介
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在本模块，我们 将深入 了解用于功率转换的 不同电力拓扑。 功率 转换器 是用于转换 电能的设备。 这些电路 主要分为四类： 直流 至直流转换， 交流至直流转换， 直流至交流转换， 交流至交流转换。 直流至直流转换 涉及将一个直流电压移至 一个较低或较高的直流电压。 线性稳压器 和降压转换器 都能将输入电压 降至较低的直流输出电压。 另一方面， 升压转换器 将输入电压升高 至较高的输出电压。 降压/升压稳压器， 顾名思义， 可生成高于和 低于输入电压的直流 电压。 交流至直流转换 用于交流输入 电压和直流输出电压。 这些应用通常 与交流主电源相连。 交流至直流配置中的 升压转换器 中途对交流主电源 整流并将产生的 电压提升至高于 交流峰值电压的水平。 功率因数校正电路 常常采用此方法。 反向还会半途 纠正交流主电源。 但是，反向 可降低 或提升输入电压。 反激式转换器 还采用变压器， 可提供隔离。 升压转换器 为非隔离式。 直流至交流转换 通常没有直流至直流 以及交流至 直流关系普遍； 但是，它的使用 变得更为频繁 以从产生直流电压的 太阳能板获取电力 并将其绑定至 交流电网的电能。 逆变器是将直流 变为交流的电路， 并且它可以将直流 电压分别提升或降低至 更高或更低的 交流峰值电压。 最后一款常用功率转换器 是交流至交流转换器。 这通常用于 执行以下操作之一。 升高峰值 或 RMS 交流电压， 降低峰值 或 RMS 交流电压， 以及/或者更改 交流电源的频率。 电网上 所用的变压器 可在发电厂提高 交流电压 或在变电站 降低电压， 此类转换器 就是很好的示例。 本模块将深入了解 三个直流至 直流转换器： 线性稳压器、 降压转换器和 升压控制器。 在探究 每个拓扑时， 最好能够了解 线性转换器 和开关转换器 之间的差异。 线性稳压器 用于生成调节的较低 输出电压，与降压 开关转换器类似。 下图将线性 稳压器的简化 表示显示为 可变电阻。 请注意，输入始终 经由传递元件 与输出相连。 传递元件， 可能是晶体管或 MOSFET， 将在线性区域中运行 并调节从来源 到负载的电流。 开关稳压器 不同于 线性稳压器， 开关稳压器 将电力从电源传递至 升压中的负载。 可将降压 转化器视为 最终由平均 滤波器平均的接地电压和 输入电压之间的 PW 脉冲交变。 电源并非 始终与负载相连。 与此相比，过往元件 通常会按 周期率开启或 关闭负载的电源， 通常每秒 数十万次。 现在，已识别线性和开关稳压器 之间的差异， 并可更仔细观察 线性稳压器 是否正常。 线性稳压器， 有时称作 LDO， 可作为输入和输出 电压之间的可变 电阻。 误差放大器 通过按需提高或降低 传递元件 电阻来 调节输出电压。 电阻传递 元件与输出电容 相结合可创建 低通滤波器， 且没有通常 与开关模式 电源有关的 开关噪音， 可实现极低的 低输出波纹。 传递元件可降至 极低的电阻， 这使得在输入和 输出之间能够产生 较小的电势差。 但是，如通常所指， 此压降 必须在 LDL 数据表中 进行验证。 线性稳压器的 另一大优势 是因输入始终与 输出相连而造成的 快速瞬态响应。 最后，易于使用、 成本低以及可忽略的电磁干扰问题 使线性稳压器的 优势得以圆满。 尽管其具备 众多优势， 在使用线性 稳压器时存在折衷。 最为重要的是， LDO 效率 由输出电压 除以输入电压定义。 当转换比 高时，效率差 且甚至在中至低 输出电流下 产生的 功率损失和热 极高。 这可以是系统中的 主要障碍， 其中，热预算 为主要问题。 最后，输出电压 必须高于 输出电压。 在线性稳压器中， 不可能将输入电压 提高至输出电压。 为进一步比较 开关和 LDO， 该快照展示了 在 6 瓦开关模式电源 和 2.5 瓦 LDO 之间的 电路板空间差异的 极端案例。 虽然 LDO 解决方案大小可以 接近小于 4 平方毫米的尺寸， 要求 LDO 耗散的电能 驱动了热求区域。 另一方面，开关具有 高得多的期待电能密度， 使其能够在单位 电路板面积上 提供更多输出电能。 我们接下来要研究的 首个开关模式电源拓扑 是降压转换器。 如前所述， 降压转换器 允许直流输入电压 能够有效转化为 较低的输出电压。 虽然，这一点也称不上是 个包罗万象的列表， 适合降压 转换器的常见应用 特别适用于 DDR 内存条、 CPU 电源、 ASIC 和 FPGA 以及服务器。 笔记本电脑包含 电池充电器和图形卡， 其中降压转换器 也很常用。 此处所列的是 降压转换器的 高级 概述。 操作会在控制开关 开始切换时开始， 且稳态操作 由以下两种 状态定义，控制开关 开启时， 或控制开关关闭时。 当控制开关开启时， 跨过电感器的电压为 输入电压 减去输出电压。 每个电压是输入电压 和输出电压的固定值。 电流经过 电感器将提升 V， 等于 LDI 除以 DT，如 模块二中所示。 其他状态是在 控制开关已关闭时。 电能持续 流入电感的输出， 然而，电感 中的电流 在此期间 将下降相同的 V 等于 LDI DT 公式。 输出电容器用于 过滤三角交流电流， 这使直流电流 能够流入负载。 为从书输入 推导为输出功能， 必须在模块二中 定义稳态电感器 主要参考。 有关一段时间内要学习的 电感器中的电流， 开关期中的 净电感电压必须为零。 换言之，必须均衡 跨电感器的 伏特秒数。 如果未实现 伏秒平衡， 电感器电流 将下降至零， 或上升至 核芯饱和。 查看降压转换器 操作的首个状态， 控制开关已关闭， 且电感器将使用 输入电压 V 减去 输出电压 V 的电压充电。 为简洁起见，假设 开关已关闭 D 乘以 T 秒， 其中 D 为占空比， 而 T 为开关期间。 右侧第二个状态 显示控制开关 开启且电流 将持续穿过电感器。 然而，在此 状态下，电感器 会在电压翻转 跨过电感器时放电， 且该电压值为负输出电压 V。 在此状态下所用时间 是 1 减去占空比 D， 再乘以总周期。 由于存在稳态 电感器原则， 跨电感器的 平均电压是 0。 由于电感器电压 有两个状态， 均具有稳定的电压， 平均值为输入电压 V 减去输出电压 V， 乘以 DT，加上负输出电压 V 乘以 1 减去 D 乘以 T， 除以 T，其等于 0， 可将其简化为 输入电压 V 乘 D，减去 输出电压 V 乘以 D，减去输出电压 V， 加上输出电压 V 乘以 D 等于 0。 最后，当以上 公式简化后， 输出电压等于 输入电压乘以占空比。 这是降压转换器的 输入至输出电压 表达式。 我们已讨论 降压转换器如何运行， 以及使用稳态电感器 原则推导占空比。 现在，我们回顾 一些常用电压 和电流波形图。 当控制开关开启时， 开关节点上的电压较高， 显示为蓝色。 开关电流， 呈红色， 跳至电感 电流的当前值。 当电感充电时， 开关电路将提升， 它相当于电感器 电流，呈绿色。 当控制开关 切换至低位时， 同步整流器 或二极管 将对电感器电流进行整流。 电感器放电直至 下一开关周期。 存在许多类型的 降压转换器电路， 我们将在此处详述 其中三个。 当整流元件 为二极管时， 降压转换器 已定义为非同步。 通常，这是成本更低的 实施方案， 适合较高的输入电压 和较低的输出 电流。 这在自动化 应用中非常普遍， 因为存在与 负载突降相关的 高峰值输入电压。 同步降压 转换器， 这是目前为止 最流行的降压转换器， 使用 MOSFET 替代 纠正性二极管。 整流 MOSFET 一般会 改善降压转换器的 总体效率。 但是，总成本 可略有提高， 因为需要 MOSFET 驱动器 驱动低端 FET。 最后，多相位 降压转换器， 也称作交错 降压转换器， 它具有多相 降压转换器， 在具有相同输出电压的 相同输入下运行。 将其视为使用两个、 三个、四个 或六个软管， 而非仅仅一个软管 装一桶水。 该配置在较高电流 应用中非常流行， 并且可 具有极快的 瞬态响应。 将出现在该模块中的 第二和最终开关 模式电源拓扑 是升压转换器。 如前所述， 升压转换器 允许直流输入电压 能够有效转化为 较高的输出电压。 一个常见应用 是 LED 背光， 它通常具有许多 需要高电压才能驱动的 系列 LED。 另一个常见应用是系统的 最后关头功能， 例如 SSD，它需要 在功率损失后的 短时间内 仍保留功能， 以按受控 方式关闭。 通过以高于总线电压的 更高电压存储滞留电能， 电容的 容量可最高 大幅削减 80%，极大 降低解决方案 尺寸和成本， 同时改善可靠性。 这些不过是 升压转换器 许多应用中的几种。 此处所列的 是升压转换器 操作的 高级概述。 操作会在控制 开关开始切换时 开始，并且 稳态运行 定义为 以下两种状态， 即控制开关开启或 控制开关关闭。 当控制开关开启时， 跨过电感器的电压为 输入电压。 电流经过 电感器将提升 V， 等于 L(di/dt)， 如模块二中所示。 其他状态是在 控制开关已关闭时。 电能已倒入 电感的输出， 且电感电流 在此期间下降， 下降幅度为与 L(di/dt) 等式相同的 V。 输出电容器用于 过滤电感器交流电流， 这使直流电流 能够流入负载。 可将升压 转换器看作是 持续将水倒入 较大水桶中的 小桶水。 升压转换器的 第一状态 是将控制开关关闭， 电感器将充电 且具有输入电压 V。 为简洁起见，假设 开关已关闭 D 乘以 T 秒， 其中 D 为占空比， 而 T 为开关期间。 右侧第二个状态 显示控制开关 开启且电流 将持续穿过 电感器，其现在 与负载相连。 然而，在此 状态下，电感器 会在电压翻转 跨过电感器时放电， 且该电压值为 输入电压 V 减去输出电压 V。 在此状态下所用时间 是 1 减去占空比 D， 再乘以总周期。 由于存在稳态 电感器原则， 跨电感器的 平均电压是 0。 由于电感器电压 有两个状态， 这两个状态均 具有稳定的电压， 平均值为 输入电压 V 乘以 DT， 加上输入电压 V 减去 输出电压 V，乘以 1 减去 D 乘以 T 除以 T， 这可简化为输入电压 V 乘以 D， 加上输入电压 V 减去输出电压 V， 减去输入电压 V 乘以 D，加上输出电压 V 乘以 D，其等于 0。 最后，输出电压 将变为 等于输入电压 除以 1 减占空比。 值得注意的是， 输出电压随着 占空比升高 而变得越来越高。 这忽略了电感器 在与输出相连上 所花时间越来 越少的事实。 我们已讨论 升压转换器如何运行， 以及使用稳态电感器 原则推导占空比。 现在，我们回顾一些 电压和电流波形。 当控制开关开启时， 开关节点上的电压为 0， 显示为红色。 开关电流， 呈紫褐色，将立即 跳至电感电流的 当前值。 当电感充电时， 开关电流将 上升，相当于 电感器电流。 当控制开关 关闭时， 同步整流器 或二极管 将对电感器电流进行整流。 电感器放电直至 下一开关周期。 存在三个主要的 升压转换器， 非同步升压、 同步升压， 以及多相， 也称作交错 升压。 非同步升压 是最常见的实施方案。 它使用整流二极管 引导电感器电能 进入输出线路。 二极管整流在升压 转换器中更为常见， 因为输出电压 通常高于 降压转换器。 在较低负载电流中的 较高输出电压下， 二极管损失的 重要性降低。 同步升压转换器会将 整流二极管替换为 整流开关。 这在负载电流 较高时特别有用， 并有助于降低 整流器中的 导通损耗。 驱动高侧整流器是一项 更富有挑战的任务， 因为 MOSFET 的 漏极或搜索端 均未接地。 最后一个升压转换器 是多项升压。 与多相位降压 转换器类似， 交错升压具有 输入和输出电压。 然而，它含有 两个或多个相位。 随着输出功率提升， 交错变得更为有用。
在本模块，我们 将深入 了解用于功率转换的 不同电力拓扑。 功率 转换器 是用于转换 电能的设备。 这些电路 主要分为四类： 直流 至直流转换， 交流至直流转换， 直流至交流转换， 交流至交流转换。 直流至直流转换 涉及将一个直流电压移至 一个较低或较高的直流电压。 线性稳压器 和降压转换器 都能将输入电压 降至较低的直流输出电压。 另一方面， 升压转换器 将输入电压升高 至较高的输出电压。 降压/升压稳压器， 顾名思义， 可生成高于和 低于输入电压的直流 电压。 交流至直流转换 用于交流输入 电压和直流输出电压。 这些应用通常 与交流主电源相连。 交流至直流配置中的 升压转换器 中途对交流主电源 整流并将产生的 电压提升至高于 交流峰值电压的水平。 功率因数校正电路 常常采用此方法。 反向还会半途 纠正交流主电源。 但是，反向 可降低 或提升输入电压。 反激式转换器 还采用变压器， 可提供隔离。 升压转换器 为非隔离式。 直流至交流转换 通常没有直流至直流 以及交流至 直流关系普遍； 但是，它的使用 变得更为频繁 以从产生直流电压的 太阳能板获取电力 并将其绑定至 交流电网的电能。 逆变器是将直流 变为交流的电路， 并且它可以将直流 电压分别提升或降低至 更高或更低的 交流峰值电压。 最后一款常用功率转换器 是交流至交流转换器。 这通常用于 执行以下操作之一。 升高峰值 或 RMS 交流电压， 降低峰值 或 RMS 交流电压， 以及/或者更改 交流电源的频率。 电网上 所用的变压器 可在发电厂提高 交流电压 或在变电站 降低电压， 此类转换器 就是很好的示例。 本模块将深入了解 三个直流至 直流转换器： 线性稳压器、 降压转换器和 升压控制器。 在探究 每个拓扑时， 最好能够了解 线性转换器 和开关转换器 之间的差异。 线性稳压器 用于生成调节的较低 输出电压，与降压 开关转换器类似。 下图将线性 稳压器的简化 表示显示为 可变电阻。 请注意，输入始终 经由传递元件 与输出相连。 传递元件， 可能是晶体管或 MOSFET， 将在线性区域中运行 并调节从来源 到负载的电流。 开关稳压器 不同于 线性稳压器， 开关稳压器 将电力从电源传递至 升压中的负载。 可将降压 转化器视为 最终由平均 滤波器平均的接地电压和 输入电压之间的 PW 脉冲交变。 电源并非 始终与负载相连。 与此相比，过往元件 通常会按 周期率开启或 关闭负载的电源， 通常每秒 数十万次。 现在，已识别线性和开关稳压器 之间的差异， 并可更仔细观察 线性稳压器 是否正常。 线性稳压器， 有时称作 LDO， 可作为输入和输出 电压之间的可变 电阻。 误差放大器 通过按需提高或降低 传递元件 电阻来 调节输出电压。 电阻传递 元件与输出电容 相结合可创建 低通滤波器， 且没有通常 与开关模式 电源有关的 开关噪音， 可实现极低的 低输出波纹。 传递元件可降至 极低的电阻， 这使得在输入和 输出之间能够产生 较小的电势差。 但是，如通常所指， 此压降 必须在 LDL 数据表中 进行验证。 线性稳压器的 另一大优势 是因输入始终与 输出相连而造成的 快速瞬态响应。 最后，易于使用、 成本低以及可忽略的电磁干扰问题 使线性稳压器的 优势得以圆满。 尽管其具备 众多优势， 在使用线性 稳压器时存在折衷。 最为重要的是， LDO 效率 由输出电压 除以输入电压定义。 当转换比 高时，效率差 且甚至在中至低 输出电流下 产生的 功率损失和热 极高。 这可以是系统中的 主要障碍， 其中，热预算 为主要问题。 最后，输出电压 必须高于 输出电压。 在线性稳压器中， 不可能将输入电压 提高至输出电压。 为进一步比较 开关和 LDO， 该快照展示了 在 6 瓦开关模式电源 和 2.5 瓦 LDO 之间的 电路板空间差异的 极端案例。 虽然 LDO 解决方案大小可以 接近小于 4 平方毫米的尺寸， 要求 LDO 耗散的电能 驱动了热求区域。 另一方面，开关具有 高得多的期待电能密度， 使其能够在单位 电路板面积上 提供更多输出电能。 我们接下来要研究的 首个开关模式电源拓扑 是降压转换器。 如前所述， 降压转换器 允许直流输入电压 能够有效转化为 较低的输出电压。 虽然，这一点也称不上是 个包罗万象的列表， 适合降压 转换器的常见应用 特别适用于 DDR 内存条、 CPU 电源、 ASIC 和 FPGA 以及服务器。 笔记本电脑包含 电池充电器和图形卡， 其中降压转换器 也很常用。 此处所列的是 降压转换器的 高级 概述。 操作会在控制开关 开始切换时开始， 且稳态操作 由以下两种 状态定义，控制开关 开启时， 或控制开关关闭时。 当控制开关开启时， 跨过电感器的电压为 输入电压 减去输出电压。 每个电压是输入电压 和输出电压的固定值。 电流经过 电感器将提升 V， 等于 LDI 除以 DT，如 模块二中所示。 其他状态是在 控制开关已关闭时。 电能持续 流入电感的输出， 然而，电感 中的电流 在此期间 将下降相同的 V 等于 LDI DT 公式。 输出电容器用于 过滤三角交流电流， 这使直流电流 能够流入负载。 为从书输入 推导为输出功能， 必须在模块二中 定义稳态电感器 主要参考。 有关一段时间内要学习的 电感器中的电流， 开关期中的 净电感电压必须为零。 换言之，必须均衡 跨电感器的 伏特秒数。 如果未实现 伏秒平衡， 电感器电流 将下降至零， 或上升至 核芯饱和。 查看降压转换器 操作的首个状态， 控制开关已关闭， 且电感器将使用 输入电压 V 减去 输出电压 V 的电压充电。 为简洁起见，假设 开关已关闭 D 乘以 T 秒， 其中 D 为占空比， 而 T 为开关期间。 右侧第二个状态 显示控制开关 开启且电流 将持续穿过电感器。 然而，在此 状态下，电感器 会在电压翻转 跨过电感器时放电， 且该电压值为负输出电压 V。 在此状态下所用时间 是 1 减去占空比 D， 再乘以总周期。 由于存在稳态 电感器原则， 跨电感器的 平均电压是 0。 由于电感器电压 有两个状态， 均具有稳定的电压， 平均值为输入电压 V 减去输出电压 V， 乘以 DT，加上负输出电压 V 乘以 1 减去 D 乘以 T， 除以 T，其等于 0， 可将其简化为 输入电压 V 乘 D，减去 输出电压 V 乘以 D，减去输出电压 V， 加上输出电压 V 乘以 D 等于 0。 最后，当以上 公式简化后， 输出电压等于 输入电压乘以占空比。 这是降压转换器的 输入至输出电压 表达式。 我们已讨论 降压转换器如何运行， 以及使用稳态电感器 原则推导占空比。 现在，我们回顾 一些常用电压 和电流波形图。 当控制开关开启时， 开关节点上的电压较高， 显示为蓝色。 开关电流， 呈红色， 跳至电感 电流的当前值。 当电感充电时， 开关电路将提升， 它相当于电感器 电流，呈绿色。 当控制开关 切换至低位时， 同步整流器 或二极管 将对电感器电流进行整流。 电感器放电直至 下一开关周期。 存在许多类型的 降压转换器电路， 我们将在此处详述 其中三个。 当整流元件 为二极管时， 降压转换器 已定义为非同步。 通常，这是成本更低的 实施方案， 适合较高的输入电压 和较低的输出 电流。 这在自动化 应用中非常普遍， 因为存在与 负载突降相关的 高峰值输入电压。 同步降压 转换器， 这是目前为止 最流行的降压转换器， 使用 MOSFET 替代 纠正性二极管。 整流 MOSFET 一般会 改善降压转换器的 总体效率。 但是，总成本 可略有提高， 因为需要 MOSFET 驱动器 驱动低端 FET。 最后，多相位 降压转换器， 也称作交错 降压转换器， 它具有多相 降压转换器， 在具有相同输出电压的 相同输入下运行。 将其视为使用两个、 三个、四个 或六个软管， 而非仅仅一个软管 装一桶水。 该配置在较高电流 应用中非常流行， 并且可 具有极快的 瞬态响应。 将出现在该模块中的 第二和最终开关 模式电源拓扑 是升压转换器。 如前所述， 升压转换器 允许直流输入电压 能够有效转化为 较高的输出电压。 一个常见应用 是 LED 背光， 它通常具有许多 需要高电压才能驱动的 系列 LED。 另一个常见应用是系统的 最后关头功能， 例如 SSD，它需要 在功率损失后的 短时间内 仍保留功能， 以按受控 方式关闭。 通过以高于总线电压的 更高电压存储滞留电能， 电容的 容量可最高 大幅削减 80%，极大 降低解决方案 尺寸和成本， 同时改善可靠性。 这些不过是 升压转换器 许多应用中的几种。 此处所列的 是升压转换器 操作的 高级概述。 操作会在控制 开关开始切换时 开始，并且 稳态运行 定义为 以下两种状态， 即控制开关开启或 控制开关关闭。 当控制开关开启时， 跨过电感器的电压为 输入电压。 电流经过 电感器将提升 V， 等于 L(di/dt)， 如模块二中所示。 其他状态是在 控制开关已关闭时。 电能已倒入 电感的输出， 且电感电流 在此期间下降， 下降幅度为与 L(di/dt) 等式相同的 V。 输出电容器用于 过滤电感器交流电流， 这使直流电流 能够流入负载。 可将升压 转换器看作是 持续将水倒入 较大水桶中的 小桶水。 升压转换器的 第一状态 是将控制开关关闭， 电感器将充电 且具有输入电压 V。 为简洁起见，假设 开关已关闭 D 乘以 T 秒， 其中 D 为占空比， 而 T 为开关期间。 右侧第二个状态 显示控制开关 开启且电流 将持续穿过 电感器，其现在 与负载相连。 然而，在此 状态下，电感器 会在电压翻转 跨过电感器时放电， 且该电压值为 输入电压 V 减去输出电压 V。 在此状态下所用时间 是 1 减去占空比 D， 再乘以总周期。 由于存在稳态 电感器原则， 跨电感器的 平均电压是 0。 由于电感器电压 有两个状态， 这两个状态均 具有稳定的电压， 平均值为 输入电压 V 乘以 DT， 加上输入电压 V 减去 输出电压 V，乘以 1 减去 D 乘以 T 除以 T， 这可简化为输入电压 V 乘以 D， 加上输入电压 V 减去输出电压 V， 减去输入电压 V 乘以 D，加上输出电压 V 乘以 D，其等于 0。 最后，输出电压 将变为 等于输入电压 除以 1 减占空比。 值得注意的是， 输出电压随着 占空比升高 而变得越来越高。 这忽略了电感器 在与输出相连上 所花时间越来 越少的事实。 我们已讨论 升压转换器如何运行， 以及使用稳态电感器 原则推导占空比。 现在，我们回顾一些 电压和电流波形。 当控制开关开启时， 开关节点上的电压为 0， 显示为红色。 开关电流， 呈紫褐色，将立即 跳至电感电流的 当前值。 当电感充电时， 开关电流将 上升，相当于 电感器电流。 当控制开关 关闭时， 同步整流器 或二极管 将对电感器电流进行整流。 电感器放电直至 下一开关周期。 存在三个主要的 升压转换器， 非同步升压、 同步升压， 以及多相， 也称作交错 升压。 非同步升压 是最常见的实施方案。 它使用整流二极管 引导电感器电能 进入输出线路。 二极管整流在升压 转换器中更为常见， 因为输出电压 通常高于 降压转换器。 在较低负载电流中的 较高输出电压下， 二极管损失的 重要性降低。 同步升压转换器会将 整流二极管替换为 整流开关。 这在负载电流 较高时特别有用， 并有助于降低 整流器中的 导通损耗。 驱动高侧整流器是一项 更富有挑战的任务， 因为 MOSFET 的 漏极或搜索端 均未接地。 最后一个升压转换器 是多项升压。 与多相位降压 转换器类似， 交错升压具有 输入和输出电压。 然而，它含有 两个或多个相位。 随着输出功率提升， 交错变得更为有用。
在本模块，我们 将深入
了解用于功率转换的 不同电力拓扑。
功率 转换器
是用于转换 电能的设备。
这些电路 主要分为四类： 直流
至直流转换， 交流至直流转换，
直流至交流转换， 交流至交流转换。
直流至直流转换 涉及将一个直流电压移至
一个较低或较高的直流电压。
线性稳压器 和降压转换器
都能将输入电压 降至较低的直流输出电压。
另一方面， 升压转换器
将输入电压升高 至较高的输出电压。
降压/升压稳压器， 顾名思义，
可生成高于和 低于输入电压的直流
电压。
交流至直流转换 用于交流输入
电压和直流输出电压。
这些应用通常 与交流主电源相连。
交流至直流配置中的 升压转换器
中途对交流主电源 整流并将产生的
电压提升至高于 交流峰值电压的水平。
功率因数校正电路 常常采用此方法。
反向还会半途 纠正交流主电源。
但是，反向 可降低
或提升输入电压。
反激式转换器 还采用变压器，
可提供隔离。
升压转换器 为非隔离式。
直流至交流转换 通常没有直流至直流
以及交流至 直流关系普遍；
但是，它的使用 变得更为频繁
以从产生直流电压的 太阳能板获取电力
并将其绑定至 交流电网的电能。
逆变器是将直流 变为交流的电路，
并且它可以将直流 电压分别提升或降低至
更高或更低的 交流峰值电压。
最后一款常用功率转换器 是交流至交流转换器。
这通常用于 执行以下操作之一。
升高峰值 或 RMS 交流电压，
降低峰值 或 RMS 交流电压，
以及/或者更改 交流电源的频率。
电网上 所用的变压器
可在发电厂提高 交流电压
或在变电站 降低电压，
此类转换器 就是很好的示例。
本模块将深入了解 三个直流至
直流转换器： 线性稳压器、
降压转换器和 升压控制器。
在探究 每个拓扑时，
最好能够了解 线性转换器
和开关转换器 之间的差异。
线性稳压器 用于生成调节的较低
输出电压，与降压 开关转换器类似。
下图将线性 稳压器的简化
表示显示为 可变电阻。
请注意，输入始终 经由传递元件
与输出相连。
传递元件， 可能是晶体管或 MOSFET，
将在线性区域中运行 并调节从来源
到负载的电流。
开关稳压器 不同于
线性稳压器， 开关稳压器
将电力从电源传递至 升压中的负载。
可将降压 转化器视为
最终由平均 滤波器平均的接地电压和
输入电压之间的 PW 脉冲交变。
电源并非 始终与负载相连。
与此相比，过往元件 通常会按
周期率开启或 关闭负载的电源，
通常每秒 数十万次。
现在，已识别线性和开关稳压器 之间的差异，
并可更仔细观察 线性稳压器
是否正常。
线性稳压器， 有时称作 LDO，
可作为输入和输出 电压之间的可变
电阻。
误差放大器 通过按需提高或降低
传递元件 电阻来
调节输出电压。
电阻传递 元件与输出电容
相结合可创建 低通滤波器，
且没有通常 与开关模式
电源有关的 开关噪音，
可实现极低的 低输出波纹。
传递元件可降至 极低的电阻，
这使得在输入和 输出之间能够产生
较小的电势差。
但是，如通常所指， 此压降
必须在 LDL 数据表中 进行验证。
线性稳压器的 另一大优势
是因输入始终与 输出相连而造成的
快速瞬态响应。
最后，易于使用、 成本低以及可忽略的电磁干扰问题
使线性稳压器的 优势得以圆满。
尽管其具备 众多优势，
在使用线性 稳压器时存在折衷。
最为重要的是， LDO 效率
由输出电压 除以输入电压定义。
当转换比 高时，效率差
且甚至在中至低 输出电流下
产生的 功率损失和热
极高。
这可以是系统中的 主要障碍，
其中，热预算 为主要问题。
最后，输出电压 必须高于
输出电压。
在线性稳压器中， 不可能将输入电压
提高至输出电压。
为进一步比较 开关和 LDO，
该快照展示了 在 6 瓦开关模式电源
和 2.5 瓦 LDO 之间的 电路板空间差异的
极端案例。
虽然 LDO 解决方案大小可以
接近小于 4 平方毫米的尺寸，
要求 LDO 耗散的电能
驱动了热求区域。
另一方面，开关具有 高得多的期待电能密度，
使其能够在单位 电路板面积上
提供更多输出电能。
我们接下来要研究的 首个开关模式电源拓扑
是降压转换器。
如前所述， 降压转换器
允许直流输入电压 能够有效转化为
较低的输出电压。
虽然，这一点也称不上是 个包罗万象的列表，
适合降压 转换器的常见应用
特别适用于 DDR 内存条、 CPU 电源、
ASIC 和 FPGA 以及服务器。
笔记本电脑包含 电池充电器和图形卡，
其中降压转换器 也很常用。
此处所列的是 降压转换器的
高级 概述。
操作会在控制开关 开始切换时开始，
且稳态操作 由以下两种
状态定义，控制开关 开启时，
或控制开关关闭时。
当控制开关开启时， 跨过电感器的电压为
输入电压 减去输出电压。
每个电压是输入电压 和输出电压的固定值。
电流经过 电感器将提升 V，
等于 LDI 除以 DT，如 模块二中所示。
其他状态是在 控制开关已关闭时。
电能持续 流入电感的输出，
然而，电感 中的电流
在此期间 将下降相同的 V 等于 LDI DT
公式。
输出电容器用于 过滤三角交流电流，
这使直流电流 能够流入负载。
为从书输入 推导为输出功能，
必须在模块二中 定义稳态电感器
主要参考。
有关一段时间内要学习的 电感器中的电流，
开关期中的 净电感电压必须为零。
换言之，必须均衡 跨电感器的
伏特秒数。
如果未实现 伏秒平衡，
电感器电流 将下降至零，
或上升至 核芯饱和。
查看降压转换器 操作的首个状态，
控制开关已关闭， 且电感器将使用
输入电压 V 减去 输出电压 V 的电压充电。
为简洁起见，假设 开关已关闭
D 乘以 T 秒， 其中 D 为占空比，
而 T 为开关期间。
右侧第二个状态 显示控制开关
开启且电流 将持续穿过电感器。
然而，在此 状态下，电感器
会在电压翻转 跨过电感器时放电，
且该电压值为负输出电压 V。
在此状态下所用时间 是 1 减去占空比 D，
再乘以总周期。
由于存在稳态 电感器原则，
跨电感器的 平均电压是 0。
由于电感器电压 有两个状态，
均具有稳定的电压， 平均值为输入电压 V 减去输出电压 V，
乘以 DT，加上负输出电压 V 乘以 1 减去 D 乘以 T，
除以 T，其等于 0， 可将其简化为
输入电压 V 乘 D，减去 输出电压 V 乘以 D，减去输出电压 V，
加上输出电压 V 乘以 D 等于 0。
最后，当以上 公式简化后，
输出电压等于 输入电压乘以占空比。
这是降压转换器的 输入至输出电压
表达式。
我们已讨论 降压转换器如何运行，
以及使用稳态电感器 原则推导占空比。
现在，我们回顾 一些常用电压
和电流波形图。
当控制开关开启时， 开关节点上的电压较高，
显示为蓝色。
开关电流， 呈红色，
跳至电感 电流的当前值。
当电感充电时， 开关电路将提升，
它相当于电感器 电流，呈绿色。
当控制开关 切换至低位时，
同步整流器 或二极管
将对电感器电流进行整流。
电感器放电直至 下一开关周期。
存在许多类型的 降压转换器电路，
我们将在此处详述 其中三个。
当整流元件 为二极管时，
降压转换器 已定义为非同步。
通常，这是成本更低的 实施方案，
适合较高的输入电压 和较低的输出
电流。
这在自动化 应用中非常普遍，
因为存在与 负载突降相关的
高峰值输入电压。
同步降压 转换器，
这是目前为止 最流行的降压转换器，
使用 MOSFET 替代 纠正性二极管。
整流 MOSFET 一般会 改善降压转换器的
总体效率。
但是，总成本 可略有提高，
因为需要 MOSFET 驱动器 驱动低端 FET。
最后，多相位 降压转换器，
也称作交错 降压转换器，
它具有多相 降压转换器，
在具有相同输出电压的 相同输入下运行。
将其视为使用两个、 三个、四个
或六个软管， 而非仅仅一个软管
装一桶水。
该配置在较高电流 应用中非常流行，
并且可 具有极快的
瞬态响应。
将出现在该模块中的 第二和最终开关
模式电源拓扑 是升压转换器。
如前所述， 升压转换器
允许直流输入电压 能够有效转化为
较高的输出电压。
一个常见应用 是 LED 背光，
它通常具有许多 需要高电压才能驱动的
系列 LED。
另一个常见应用是系统的 最后关头功能，
例如 SSD，它需要 在功率损失后的
短时间内 仍保留功能，
以按受控 方式关闭。
通过以高于总线电压的 更高电压存储滞留电能，
电容的 容量可最高
大幅削减 80%，极大
降低解决方案 尺寸和成本，
同时改善可靠性。
这些不过是 升压转换器
许多应用中的几种。
此处所列的 是升压转换器
操作的 高级概述。
操作会在控制 开关开始切换时
开始，并且 稳态运行
定义为 以下两种状态，
即控制开关开启或 控制开关关闭。
当控制开关开启时， 跨过电感器的电压为
输入电压。
电流经过 电感器将提升 V，
等于 L(di/dt)， 如模块二中所示。
其他状态是在 控制开关已关闭时。
电能已倒入 电感的输出，
且电感电流 在此期间下降，
下降幅度为与 L(di/dt) 等式相同的 V。
输出电容器用于 过滤电感器交流电流，
这使直流电流 能够流入负载。
可将升压 转换器看作是
持续将水倒入 较大水桶中的
小桶水。
升压转换器的 第一状态
是将控制开关关闭， 电感器将充电
且具有输入电压 V。
为简洁起见，假设 开关已关闭
D 乘以 T 秒， 其中 D 为占空比，
而 T 为开关期间。
右侧第二个状态 显示控制开关
开启且电流 将持续穿过
电感器，其现在 与负载相连。
然而，在此 状态下，电感器
会在电压翻转 跨过电感器时放电，
且该电压值为 输入电压 V 减去输出电压 V。
在此状态下所用时间 是 1 减去占空比 D，
再乘以总周期。
由于存在稳态 电感器原则，
跨电感器的 平均电压是 0。
由于电感器电压 有两个状态，
这两个状态均 具有稳定的电压，
平均值为 输入电压 V 乘以 DT，
加上输入电压 V 减去 输出电压 V，乘以 1 减去 D 乘以 T 除以 T，
这可简化为输入电压 V 乘以 D， 加上输入电压 V 减去输出电压 V，
减去输入电压 V 乘以 D，加上输出电压 V 乘以 D，其等于 0。
最后，输出电压 将变为
等于输入电压 除以 1 减占空比。
值得注意的是， 输出电压随着
占空比升高 而变得越来越高。
这忽略了电感器 在与输出相连上
所花时间越来 越少的事实。
我们已讨论 升压转换器如何运行，
以及使用稳态电感器 原则推导占空比。
现在，我们回顾一些 电压和电流波形。
当控制开关开启时， 开关节点上的电压为 0，
显示为红色。
开关电流， 呈紫褐色，将立即
跳至电感电流的 当前值。
当电感充电时， 开关电流将
上升，相当于 电感器电流。
当控制开关 关闭时，
同步整流器 或二极管
将对电感器电流进行整流。
电感器放电直至 下一开关周期。
存在三个主要的 升压转换器，
非同步升压、 同步升压，
以及多相， 也称作交错
升压。
非同步升压 是最常见的实施方案。
它使用整流二极管 引导电感器电能
进入输出线路。
二极管整流在升压 转换器中更为常见，
因为输出电压 通常高于
降压转换器。
在较低负载电流中的 较高输出电压下，
二极管损失的 重要性降低。
同步升压转换器会将 整流二极管替换为
整流开关。
这在负载电流 较高时特别有用，
并有助于降低 整流器中的
导通损耗。
驱动高侧整流器是一项 更富有挑战的任务，
因为 MOSFET 的 漏极或搜索端
均未接地。
最后一个升压转换器 是多项升压。
与多相位降压 转换器类似，
交错升压具有 输入和输出电压。
然而，它含有 两个或多个相位。
随着输出功率提升， 交错变得更为有用。
在本模块，我们 将深入 了解用于功率转换的 不同电力拓扑。 功率 转换器 是用于转换 电能的设备。 这些电路 主要分为四类： 直流 至直流转换， 交流至直流转换， 直流至交流转换， 交流至交流转换。 直流至直流转换 涉及将一个直流电压移至 一个较低或较高的直流电压。 线性稳压器 和降压转换器 都能将输入电压 降至较低的直流输出电压。 另一方面， 升压转换器 将输入电压升高 至较高的输出电压。 降压/升压稳压器， 顾名思义， 可生成高于和 低于输入电压的直流 电压。 交流至直流转换 用于交流输入 电压和直流输出电压。 这些应用通常 与交流主电源相连。 交流至直流配置中的 升压转换器 中途对交流主电源 整流并将产生的 电压提升至高于 交流峰值电压的水平。 功率因数校正电路 常常采用此方法。 反向还会半途 纠正交流主电源。 但是，反向 可降低 或提升输入电压。 反激式转换器 还采用变压器， 可提供隔离。 升压转换器 为非隔离式。 直流至交流转换 通常没有直流至直流 以及交流至 直流关系普遍； 但是，它的使用 变得更为频繁 以从产生直流电压的 太阳能板获取电力 并将其绑定至 交流电网的电能。 逆变器是将直流 变为交流的电路， 并且它可以将直流 电压分别提升或降低至 更高或更低的 交流峰值电压。 最后一款常用功率转换器 是交流至交流转换器。 这通常用于 执行以下操作之一。 升高峰值 或 RMS 交流电压， 降低峰值 或 RMS 交流电压， 以及/或者更改 交流电源的频率。 电网上 所用的变压器 可在发电厂提高 交流电压 或在变电站 降低电压， 此类转换器 就是很好的示例。 本模块将深入了解 三个直流至 直流转换器： 线性稳压器、 降压转换器和 升压控制器。 在探究 每个拓扑时， 最好能够了解 线性转换器 和开关转换器 之间的差异。 线性稳压器 用于生成调节的较低 输出电压，与降压 开关转换器类似。 下图将线性 稳压器的简化 表示显示为 可变电阻。 请注意，输入始终 经由传递元件 与输出相连。 传递元件， 可能是晶体管或 MOSFET， 将在线性区域中运行 并调节从来源 到负载的电流。 开关稳压器 不同于 线性稳压器， 开关稳压器 将电力从电源传递至 升压中的负载。 可将降压 转化器视为 最终由平均 滤波器平均的接地电压和 输入电压之间的 PW 脉冲交变。 电源并非 始终与负载相连。 与此相比，过往元件 通常会按 周期率开启或 关闭负载的电源， 通常每秒 数十万次。 现在，已识别线性和开关稳压器 之间的差异， 并可更仔细观察 线性稳压器 是否正常。 线性稳压器， 有时称作 LDO， 可作为输入和输出 电压之间的可变 电阻。 误差放大器 通过按需提高或降低 传递元件 电阻来 调节输出电压。 电阻传递 元件与输出电容 相结合可创建 低通滤波器， 且没有通常 与开关模式 电源有关的 开关噪音， 可实现极低的 低输出波纹。 传递元件可降至 极低的电阻， 这使得在输入和 输出之间能够产生 较小的电势差。 但是，如通常所指， 此压降 必须在 LDL 数据表中 进行验证。 线性稳压器的 另一大优势 是因输入始终与 输出相连而造成的 快速瞬态响应。 最后，易于使用、 成本低以及可忽略的电磁干扰问题 使线性稳压器的 优势得以圆满。 尽管其具备 众多优势， 在使用线性 稳压器时存在折衷。 最为重要的是， LDO 效率 由输出电压 除以输入电压定义。 当转换比 高时，效率差 且甚至在中至低 输出电流下 产生的 功率损失和热 极高。 这可以是系统中的 主要障碍， 其中，热预算 为主要问题。 最后，输出电压 必须高于 输出电压。 在线性稳压器中， 不可能将输入电压 提高至输出电压。 为进一步比较 开关和 LDO， 该快照展示了 在 6 瓦开关模式电源 和 2.5 瓦 LDO 之间的 电路板空间差异的 极端案例。 虽然 LDO 解决方案大小可以 接近小于 4 平方毫米的尺寸， 要求 LDO 耗散的电能 驱动了热求区域。 另一方面，开关具有 高得多的期待电能密度， 使其能够在单位 电路板面积上 提供更多输出电能。 我们接下来要研究的 首个开关模式电源拓扑 是降压转换器。 如前所述， 降压转换器 允许直流输入电压 能够有效转化为 较低的输出电压。 虽然，这一点也称不上是 个包罗万象的列表， 适合降压 转换器的常见应用 特别适用于 DDR 内存条、 CPU 电源、 ASIC 和 FPGA 以及服务器。 笔记本电脑包含 电池充电器和图形卡， 其中降压转换器 也很常用。 此处所列的是 降压转换器的 高级 概述。 操作会在控制开关 开始切换时开始， 且稳态操作 由以下两种 状态定义，控制开关 开启时， 或控制开关关闭时。 当控制开关开启时， 跨过电感器的电压为 输入电压 减去输出电压。 每个电压是输入电压 和输出电压的固定值。 电流经过 电感器将提升 V， 等于 LDI 除以 DT，如 模块二中所示。 其他状态是在 控制开关已关闭时。 电能持续 流入电感的输出， 然而，电感 中的电流 在此期间 将下降相同的 V 等于 LDI DT 公式。 输出电容器用于 过滤三角交流电流， 这使直流电流 能够流入负载。 为从书输入 推导为输出功能， 必须在模块二中 定义稳态电感器 主要参考。 有关一段时间内要学习的 电感器中的电流， 开关期中的 净电感电压必须为零。 换言之，必须均衡 跨电感器的 伏特秒数。 如果未实现 伏秒平衡， 电感器电流 将下降至零， 或上升至 核芯饱和。 查看降压转换器 操作的首个状态， 控制开关已关闭， 且电感器将使用 输入电压 V 减去 输出电压 V 的电压充电。 为简洁起见，假设 开关已关闭 D 乘以 T 秒， 其中 D 为占空比， 而 T 为开关期间。 右侧第二个状态 显示控制开关 开启且电流 将持续穿过电感器。 然而，在此 状态下，电感器 会在电压翻转 跨过电感器时放电， 且该电压值为负输出电压 V。 在此状态下所用时间 是 1 减去占空比 D， 再乘以总周期。 由于存在稳态 电感器原则， 跨电感器的 平均电压是 0。 由于电感器电压 有两个状态， 均具有稳定的电压， 平均值为输入电压 V 减去输出电压 V， 乘以 DT，加上负输出电压 V 乘以 1 减去 D 乘以 T， 除以 T，其等于 0， 可将其简化为 输入电压 V 乘 D，减去 输出电压 V 乘以 D，减去输出电压 V， 加上输出电压 V 乘以 D 等于 0。 最后，当以上 公式简化后， 输出电压等于 输入电压乘以占空比。 这是降压转换器的 输入至输出电压 表达式。 我们已讨论 降压转换器如何运行， 以及使用稳态电感器 原则推导占空比。 现在，我们回顾 一些常用电压 和电流波形图。 当控制开关开启时， 开关节点上的电压较高， 显示为蓝色。 开关电流， 呈红色， 跳至电感 电流的当前值。 当电感充电时， 开关电路将提升， 它相当于电感器 电流，呈绿色。 当控制开关 切换至低位时， 同步整流器 或二极管 将对电感器电流进行整流。 电感器放电直至 下一开关周期。 存在许多类型的 降压转换器电路， 我们将在此处详述 其中三个。 当整流元件 为二极管时， 降压转换器 已定义为非同步。 通常，这是成本更低的 实施方案， 适合较高的输入电压 和较低的输出 电流。 这在自动化 应用中非常普遍， 因为存在与 负载突降相关的 高峰值输入电压。 同步降压 转换器， 这是目前为止 最流行的降压转换器， 使用 MOSFET 替代 纠正性二极管。 整流 MOSFET 一般会 改善降压转换器的 总体效率。 但是，总成本 可略有提高， 因为需要 MOSFET 驱动器 驱动低端 FET。 最后，多相位 降压转换器， 也称作交错 降压转换器， 它具有多相 降压转换器， 在具有相同输出电压的 相同输入下运行。 将其视为使用两个、 三个、四个 或六个软管， 而非仅仅一个软管 装一桶水。 该配置在较高电流 应用中非常流行， 并且可 具有极快的 瞬态响应。 将出现在该模块中的 第二和最终开关 模式电源拓扑 是升压转换器。 如前所述， 升压转换器 允许直流输入电压 能够有效转化为 较高的输出电压。 一个常见应用 是 LED 背光， 它通常具有许多 需要高电压才能驱动的 系列 LED。 另一个常见应用是系统的 最后关头功能， 例如 SSD，它需要 在功率损失后的 短时间内 仍保留功能， 以按受控 方式关闭。 通过以高于总线电压的 更高电压存储滞留电能， 电容的 容量可最高 大幅削减 80%，极大 降低解决方案 尺寸和成本， 同时改善可靠性。 这些不过是 升压转换器 许多应用中的几种。 此处所列的 是升压转换器 操作的 高级概述。 操作会在控制 开关开始切换时 开始，并且 稳态运行 定义为 以下两种状态， 即控制开关开启或 控制开关关闭。 当控制开关开启时， 跨过电感器的电压为 输入电压。 电流经过 电感器将提升 V， 等于 L(di/dt)， 如模块二中所示。 其他状态是在 控制开关已关闭时。 电能已倒入 电感的输出， 且电感电流 在此期间下降， 下降幅度为与 L(di/dt) 等式相同的 V。 输出电容器用于 过滤电感器交流电流， 这使直流电流 能够流入负载。 可将升压 转换器看作是 持续将水倒入 较大水桶中的 小桶水。 升压转换器的 第一状态 是将控制开关关闭， 电感器将充电 且具有输入电压 V。 为简洁起见，假设 开关已关闭 D 乘以 T 秒， 其中 D 为占空比， 而 T 为开关期间。 右侧第二个状态 显示控制开关 开启且电流 将持续穿过 电感器，其现在 与负载相连。 然而，在此 状态下，电感器 会在电压翻转 跨过电感器时放电， 且该电压值为 输入电压 V 减去输出电压 V。 在此状态下所用时间 是 1 减去占空比 D， 再乘以总周期。 由于存在稳态 电感器原则， 跨电感器的 平均电压是 0。 由于电感器电压 有两个状态， 这两个状态均 具有稳定的电压， 平均值为 输入电压 V 乘以 DT， 加上输入电压 V 减去 输出电压 V，乘以 1 减去 D 乘以 T 除以 T， 这可简化为输入电压 V 乘以 D， 加上输入电压 V 减去输出电压 V， 减去输入电压 V 乘以 D，加上输出电压 V 乘以 D，其等于 0。 最后，输出电压 将变为 等于输入电压 除以 1 减占空比。 值得注意的是， 输出电压随着 占空比升高 而变得越来越高。 这忽略了电感器 在与输出相连上 所花时间越来 越少的事实。 我们已讨论 升压转换器如何运行， 以及使用稳态电感器 原则推导占空比。 现在，我们回顾一些 电压和电流波形。 当控制开关开启时， 开关节点上的电压为 0， 显示为红色。 开关电流， 呈紫褐色，将立即 跳至电感电流的 当前值。 当电感充电时， 开关电流将 上升，相当于 电感器电流。 当控制开关 关闭时， 同步整流器 或二极管 将对电感器电流进行整流。 电感器放电直至 下一开关周期。 存在三个主要的 升压转换器， 非同步升压、 同步升压， 以及多相， 也称作交错 升压。 非同步升压 是最常见的实施方案。 它使用整流二极管 引导电感器电能 进入输出线路。 二极管整流在升压 转换器中更为常见， 因为输出电压 通常高于 降压转换器。 在较低负载电流中的 较高输出电压下， 二极管损失的 重要性降低。 同步升压转换器会将 整流二极管替换为 整流开关。 这在负载电流 较高时特别有用， 并有助于降低 整流器中的 导通损耗。 驱动高侧整流器是一项 更富有挑战的任务， 因为 MOSFET 的 漏极或搜索端 均未接地。 最后一个升压转换器 是多项升压。 与多相位降压 转换器类似， 交错升压具有 输入和输出电压。 然而，它含有 两个或多个相位。 随着输出功率提升， 交错变得更为有用。
在本模块，我们 将深入
了解用于功率转换的 不同电力拓扑。
功率 转换器
是用于转换 电能的设备。
这些电路 主要分为四类： 直流
至直流转换， 交流至直流转换，
直流至交流转换， 交流至交流转换。
直流至直流转换 涉及将一个直流电压移至
一个较低或较高的直流电压。
线性稳压器 和降压转换器
都能将输入电压 降至较低的直流输出电压。
另一方面， 升压转换器
将输入电压升高 至较高的输出电压。
降压/升压稳压器， 顾名思义，
可生成高于和 低于输入电压的直流
电压。
交流至直流转换 用于交流输入
电压和直流输出电压。
这些应用通常 与交流主电源相连。
交流至直流配置中的 升压转换器
中途对交流主电源 整流并将产生的
电压提升至高于 交流峰值电压的水平。
功率因数校正电路 常常采用此方法。
反向还会半途 纠正交流主电源。
但是，反向 可降低
或提升输入电压。
反激式转换器 还采用变压器，
可提供隔离。
升压转换器 为非隔离式。
直流至交流转换 通常没有直流至直流
以及交流至 直流关系普遍；
但是，它的使用 变得更为频繁
以从产生直流电压的 太阳能板获取电力
并将其绑定至 交流电网的电能。
逆变器是将直流 变为交流的电路，
并且它可以将直流 电压分别提升或降低至
更高或更低的 交流峰值电压。
最后一款常用功率转换器 是交流至交流转换器。
这通常用于 执行以下操作之一。
升高峰值 或 RMS 交流电压，
降低峰值 或 RMS 交流电压，
以及/或者更改 交流电源的频率。
电网上 所用的变压器
可在发电厂提高 交流电压
或在变电站 降低电压，
此类转换器 就是很好的示例。
本模块将深入了解 三个直流至
直流转换器： 线性稳压器、
降压转换器和 升压控制器。
在探究 每个拓扑时，
最好能够了解 线性转换器
和开关转换器 之间的差异。
线性稳压器 用于生成调节的较低
输出电压，与降压 开关转换器类似。
下图将线性 稳压器的简化
表示显示为 可变电阻。
请注意，输入始终 经由传递元件
与输出相连。
传递元件， 可能是晶体管或 MOSFET，
将在线性区域中运行 并调节从来源
到负载的电流。
开关稳压器 不同于
线性稳压器， 开关稳压器
将电力从电源传递至 升压中的负载。
可将降压 转化器视为
最终由平均 滤波器平均的接地电压和
输入电压之间的 PW 脉冲交变。
电源并非 始终与负载相连。
与此相比，过往元件 通常会按
周期率开启或 关闭负载的电源，
通常每秒 数十万次。
现在，已识别线性和开关稳压器 之间的差异，
并可更仔细观察 线性稳压器
是否正常。
线性稳压器， 有时称作 LDO，
可作为输入和输出 电压之间的可变
电阻。
误差放大器 通过按需提高或降低
传递元件 电阻来
调节输出电压。
电阻传递 元件与输出电容
相结合可创建 低通滤波器，
且没有通常 与开关模式
电源有关的 开关噪音，
可实现极低的 低输出波纹。
传递元件可降至 极低的电阻，
这使得在输入和 输出之间能够产生
较小的电势差。
但是，如通常所指， 此压降
必须在 LDL 数据表中 进行验证。
线性稳压器的 另一大优势
是因输入始终与 输出相连而造成的
快速瞬态响应。
最后，易于使用、 成本低以及可忽略的电磁干扰问题
使线性稳压器的 优势得以圆满。
尽管其具备 众多优势，
在使用线性 稳压器时存在折衷。
最为重要的是， LDO 效率
由输出电压 除以输入电压定义。
当转换比 高时，效率差
且甚至在中至低 输出电流下
产生的 功率损失和热
极高。
这可以是系统中的 主要障碍，
其中，热预算 为主要问题。
最后，输出电压 必须高于
输出电压。
在线性稳压器中， 不可能将输入电压
提高至输出电压。
为进一步比较 开关和 LDO，
该快照展示了 在 6 瓦开关模式电源
和 2.5 瓦 LDO 之间的 电路板空间差异的
极端案例。
虽然 LDO 解决方案大小可以
接近小于 4 平方毫米的尺寸，
要求 LDO 耗散的电能
驱动了热求区域。
另一方面，开关具有 高得多的期待电能密度，
使其能够在单位 电路板面积上
提供更多输出电能。
我们接下来要研究的 首个开关模式电源拓扑
是降压转换器。
如前所述， 降压转换器
允许直流输入电压 能够有效转化为
较低的输出电压。
虽然，这一点也称不上是 个包罗万象的列表，
适合降压 转换器的常见应用
特别适用于 DDR 内存条、 CPU 电源、
ASIC 和 FPGA 以及服务器。
笔记本电脑包含 电池充电器和图形卡，
其中降压转换器 也很常用。
此处所列的是 降压转换器的
高级 概述。
操作会在控制开关 开始切换时开始，
且稳态操作 由以下两种
状态定义，控制开关 开启时，
或控制开关关闭时。
当控制开关开启时， 跨过电感器的电压为
输入电压 减去输出电压。
每个电压是输入电压 和输出电压的固定值。
电流经过 电感器将提升 V，
等于 LDI 除以 DT，如 模块二中所示。
其他状态是在 控制开关已关闭时。
电能持续 流入电感的输出，
然而，电感 中的电流
在此期间 将下降相同的 V 等于 LDI DT
公式。
输出电容器用于 过滤三角交流电流，
这使直流电流 能够流入负载。
为从书输入 推导为输出功能，
必须在模块二中 定义稳态电感器
主要参考。
有关一段时间内要学习的 电感器中的电流，
开关期中的 净电感电压必须为零。
换言之，必须均衡 跨电感器的
伏特秒数。
如果未实现 伏秒平衡，
电感器电流 将下降至零，
或上升至 核芯饱和。
查看降压转换器 操作的首个状态，
控制开关已关闭， 且电感器将使用
输入电压 V 减去 输出电压 V 的电压充电。
为简洁起见，假设 开关已关闭
D 乘以 T 秒， 其中 D 为占空比，
而 T 为开关期间。
右侧第二个状态 显示控制开关
开启且电流 将持续穿过电感器。
然而，在此 状态下，电感器
会在电压翻转 跨过电感器时放电，
且该电压值为负输出电压 V。
在此状态下所用时间 是 1 减去占空比 D，
再乘以总周期。
由于存在稳态 电感器原则，
跨电感器的 平均电压是 0。
由于电感器电压 有两个状态，
均具有稳定的电压， 平均值为输入电压 V 减去输出电压 V，
乘以 DT，加上负输出电压 V 乘以 1 减去 D 乘以 T，
除以 T，其等于 0， 可将其简化为
输入电压 V 乘 D，减去 输出电压 V 乘以 D，减去输出电压 V，
加上输出电压 V 乘以 D 等于 0。
最后，当以上 公式简化后，
输出电压等于 输入电压乘以占空比。
这是降压转换器的 输入至输出电压
表达式。
我们已讨论 降压转换器如何运行，
以及使用稳态电感器 原则推导占空比。
现在，我们回顾 一些常用电压
和电流波形图。
当控制开关开启时， 开关节点上的电压较高，
显示为蓝色。
开关电流， 呈红色，
跳至电感 电流的当前值。
当电感充电时， 开关电路将提升，
它相当于电感器 电流，呈绿色。
当控制开关 切换至低位时，
同步整流器 或二极管
将对电感器电流进行整流。
电感器放电直至 下一开关周期。
存在许多类型的 降压转换器电路，
我们将在此处详述 其中三个。
当整流元件 为二极管时，
降压转换器 已定义为非同步。
通常，这是成本更低的 实施方案，
适合较高的输入电压 和较低的输出
电流。
这在自动化 应用中非常普遍，
因为存在与 负载突降相关的
高峰值输入电压。
同步降压 转换器，
这是目前为止 最流行的降压转换器，
使用 MOSFET 替代 纠正性二极管。
整流 MOSFET 一般会 改善降压转换器的
总体效率。
但是，总成本 可略有提高，
因为需要 MOSFET 驱动器 驱动低端 FET。
最后，多相位 降压转换器，
也称作交错 降压转换器，
它具有多相 降压转换器，
在具有相同输出电压的 相同输入下运行。
将其视为使用两个、 三个、四个
或六个软管， 而非仅仅一个软管
装一桶水。
该配置在较高电流 应用中非常流行，
并且可 具有极快的
瞬态响应。
将出现在该模块中的 第二和最终开关
模式电源拓扑 是升压转换器。
如前所述， 升压转换器
允许直流输入电压 能够有效转化为
较高的输出电压。
一个常见应用 是 LED 背光，
它通常具有许多 需要高电压才能驱动的
系列 LED。
另一个常见应用是系统的 最后关头功能，
例如 SSD，它需要 在功率损失后的
短时间内 仍保留功能，
以按受控 方式关闭。
通过以高于总线电压的 更高电压存储滞留电能，
电容的 容量可最高
大幅削减 80%，极大
降低解决方案 尺寸和成本，
同时改善可靠性。
这些不过是 升压转换器
许多应用中的几种。
此处所列的 是升压转换器
操作的 高级概述。
操作会在控制 开关开始切换时
开始，并且 稳态运行
定义为 以下两种状态，
即控制开关开启或 控制开关关闭。
当控制开关开启时， 跨过电感器的电压为
输入电压。
电流经过 电感器将提升 V，
等于 L(di/dt)， 如模块二中所示。
其他状态是在 控制开关已关闭时。
电能已倒入 电感的输出，
且电感电流 在此期间下降，
下降幅度为与 L(di/dt) 等式相同的 V。
输出电容器用于 过滤电感器交流电流，
这使直流电流 能够流入负载。
可将升压 转换器看作是
持续将水倒入 较大水桶中的
小桶水。
升压转换器的 第一状态
是将控制开关关闭， 电感器将充电
且具有输入电压 V。
为简洁起见，假设 开关已关闭
D 乘以 T 秒， 其中 D 为占空比，
而 T 为开关期间。
右侧第二个状态 显示控制开关
开启且电流 将持续穿过
电感器，其现在 与负载相连。
然而，在此 状态下，电感器
会在电压翻转 跨过电感器时放电，
且该电压值为 输入电压 V 减去输出电压 V。
在此状态下所用时间 是 1 减去占空比 D，
再乘以总周期。
由于存在稳态 电感器原则，
跨电感器的 平均电压是 0。
由于电感器电压 有两个状态，
这两个状态均 具有稳定的电压，
平均值为 输入电压 V 乘以 DT，
加上输入电压 V 减去 输出电压 V，乘以 1 减去 D 乘以 T 除以 T，
这可简化为输入电压 V 乘以 D， 加上输入电压 V 减去输出电压 V，
减去输入电压 V 乘以 D，加上输出电压 V 乘以 D，其等于 0。
最后，输出电压 将变为
等于输入电压 除以 1 减占空比。
值得注意的是， 输出电压随着
占空比升高 而变得越来越高。
这忽略了电感器 在与输出相连上
所花时间越来 越少的事实。
我们已讨论 升压转换器如何运行，
以及使用稳态电感器 原则推导占空比。
现在，我们回顾一些 电压和电流波形。
当控制开关开启时， 开关节点上的电压为 0，
显示为红色。
开关电流， 呈紫褐色，将立即
跳至电感电流的 当前值。
当电感充电时， 开关电流将
上升，相当于 电感器电流。
当控制开关 关闭时，
同步整流器 或二极管
将对电感器电流进行整流。
电感器放电直至 下一开关周期。
存在三个主要的 升压转换器，
非同步升压、 同步升压，
以及多相， 也称作交错
升压。
非同步升压 是最常见的实施方案。
它使用整流二极管 引导电感器电能
进入输出线路。
二极管整流在升压 转换器中更为常见，
因为输出电压 通常高于
降压转换器。
在较低负载电流中的 较高输出电压下，
二极管损失的 重要性降低。
同步升压转换器会将 整流二极管替换为
整流开关。
这在负载电流 较高时特别有用，
并有助于降低 整流器中的
导通损耗。
驱动高侧整流器是一项 更富有挑战的任务，
因为 MOSFET 的 漏极或搜索端
均未接地。
最后一个升压转换器 是多项升压。
与多相位降压 转换器类似，
交错升压具有 输入和输出电压。
然而，它含有 两个或多个相位。
随着输出功率提升， 交错变得更为有用。
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视频简介
电力电子学概论 - 电源拓扑简介
所属课程：电力电子学概论
发布时间：2019.03.11
视频集数：4
本节视频时长：00:15:04
This power overview presentation introduces three popular power converter circuits: the linear regulator, the buck converter and the boost converter. Common applications for each topology are included as well as a compare and contrast of linear versus switching regulators. Several slides discuss the duty-cycle derivation of the buck and boost converter’s duty cycle. Non-synchronous, synchronous and multiphase orientations are also defined.
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