這一個專題準備寫一些技術性稍微強一點的東西。首先，把開關電源中常用的拓撲結構及其主要應用做一個概要的介紹；然后，就我個人工作中最熟悉也是電子產品中應用最廣泛的一類拓撲結構-BUCK的工作原理做一個詳細的分析，最后簡單的引入控制和補償的概念，用以完整的講述整個開關電源系統的原理。但這一專題重點依然在介紹拓撲及其原理，控制和補償以后會再開一個專題介紹。這一篇，就先說說開關電源中各種常見的拓撲（個人總結而已，沒有什么創新的觀點，哈哈）。
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目錄：
- 開關電源常用拓撲簡介
- BUCK拓撲工作原理介紹
- BOOST、BUCK-BOOST拓撲工作原理介紹
- LDO結構及工作原理介紹
開關電源發展了這么多年，其拓撲結構也越來越繁雜，下面圖中所示是TI（德州儀器）公司發布的一個電源設計工具中列出的一些常用拓撲結構：
圖1. 常用電源拓撲結構
從上到下依次來看，有：BUCK、Synchronous BUCK、Series Cap BUCK、Boost、Inverting BUCK-BOOST、CUK、Sepic、Zeta…有沒有很多？是不是聽名字都覺得暈了，確實如此，理論上講，可以有幾十上百種拓撲可以被用到開關電源中，而目前常用的拓撲就是上述這些。為了看起來調理些，可以將上述拓撲分為隔離拓撲和非隔離拓撲兩大類，而非隔離拓撲中的BUCK、BOOST、BUCK-BOOST這三種拓撲又是所有拓撲中的基礎，其他的所有復雜拓撲都是由這三種拓撲演變而來的。所以，下面先介紹這三類拓撲的結構，特點、基本工作原理（定性）和應用：
- BUCK拓撲
圖2. BUCK拓撲結構
如圖2所示，是BUCK拓撲的結構。當開關管導通時，輸入電壓通過開關管Q1、電感L1對負載提供能量，同時為L1、Co進行儲能;當開關管關斷時，L1、Co對負載提供能量，二極管D1為儲能電感提供續流泄放路徑，Ci作為輸入電容，起到抑制輸入紋波電壓的作用。其輸入輸出傳遞函數如下：
Vo=D*Vin
(D是Q1開通時間和周期之比，即占空比)
可以看到，這種拓撲只可以實現降壓，輸入電流斬波，輸出電流連續，結構簡單，是所有拓撲中最基礎的，但卻也是應用最廣泛的一類：多用于低壓大電流場合的POL電源，如PC、服務器主板、交換機等計算機通信領域。
2. BOOST拓撲
圖3. BOOST拓撲結構
如圖3所示，是BOOST拓撲的結構。當開關管Q1導通時，輸入電壓對電感L1提供能量進行儲能，同時負載由電容Co來提供能量；當開關關斷時，輸入電壓與電感L1通過二極管D1共同為負載提供能量，同時電容Co充電以補充在開關管導通期間損耗掉的能量。
輸入輸出傳遞函數如下：
Vo=Vin /(1-D)
(D是Q1開通時間和周期之比，即占空比)
可以看到，這種拓撲只可以實現升壓，輸入電流連續，輸出電流斬波，結構簡單，是BUCK拓撲的重新組合，可以簡單理解為BUCK的反向應用，它也是應用非常廣泛的一類拓撲：如中大功率AC-DC中的PFC電路、一些小功率備電應用。
3. BUCK-BOOST拓撲
圖4. BUCK-BOOST拓撲結構
如圖4所示，是BUCK-BOOST拓撲的結構。當開關管Q1導通時，輸入電壓對電感L1提供能量進行儲能，同時負載由電容Co來提供能量；當開關關斷時，電感L1通過二極管D1逆時針續流，同時為負載提供能量，電容Co充電以補充在開關管導通期間損耗掉的能量。
輸入輸出傳遞函數如下：
Vo=-Vin*D /(1-D)
(D是Q1開通時間和周期之比，即占空比)
可以看到，這種拓撲可以實現升壓和降壓，但輸出和輸入極性相反，輸入電流和輸出電流均斬波，是BUCK拓撲的另一種組合，這一類拓撲目前應用不如前面兩種廣泛，但它的隔離變形衍生出的一種拓撲卻得到了廣泛應用。
以上就是非隔離型電源的基本拓撲，下面介紹隔離型的幾種主要拓撲：
4. Flyback拓撲
圖5. Flyback拓撲結構
如圖5所示，是Flyback拓撲的結構。當開關管Q1導通時，輸入電壓對變壓器提供能量進行儲能，同時負載由電容Co來提供能量，二級管D1反向偏置；當開關關斷時，變壓器通過二極管D1為負載提供能量，同時電容Co充電以補充在開關管導通期間損耗掉的能量。
輸入輸出傳遞函數如下：
Vo=D*Vin /[n*(1-D)]
(D即占空比；n為原副邊匝數比，n=np/ns)
可以看到，這種拓撲可以實現升壓、降壓，輸出電壓極性也可正可負。應用時，通過改變變壓器繞組匝數比來實現電壓變換比，可通過變壓器繞組極性調整輸出極性，還可以通過增加次級繞組實現多路輸出，使用非常靈活且結構簡單。因此，這種拓撲算是目前應用范圍最廣的一類隔離型拓撲之一，如：筆記本適配器、手機充電器、PoE等應用，但功率一般小于60W。
5. Forward拓撲
圖6. Forward拓撲結構
如圖6所示，是Forward拓撲的結構。當開關管導通時，同名端相對于異名端為正，二極管D1正偏，二極管D2反偏，輸入功率通過變壓器經過D1、L1給負載提供能量，同時給電容Co儲存能量;當開關管關斷時，輸入能量傳遞不到副邊，電感L1里面存儲的能量通過D2續流后傳送到負載。
輸入輸出傳遞函數如下：
Vo=D*Vin /n
(D即占空比；n為原副邊匝數比，n=np/ns)
可以看到，這種拓撲可以實現升壓、降壓，輸出電壓極性可正可負（一般為正）。應用時，通過改變變壓器繞組匝數比來實現電壓變換比，可通過變壓器繞組極性調整輸出極性，還可以通過增加次級繞組實現多路輸出，輸入電流為斬波，輸出電流連續；需要磁芯復位電路。相比于Flyback，Forward拓撲一般應用稍大功率的應用，如：POE供電、ATX電源等，功率一般在300W以內。
6. Push-Pull拓撲
圖7. Push-Pull拓撲結構
如圖7所示，是Push-Pull拓撲的結構。Push-Pull變換器可以理解為由兩路正激電路并聯構成。由于Push-Pull變換器原邊有兩個相差180度相位的繞組交換傳遞能量到副邊輸出級，所以副邊采用帶中間抽頭的雙繞組，并采用全波整流，可以去除在正激變換器中開關管關閉時，由儲能電感對外提供能量的周期，整個開關周期都有能量從原邊傳遞到副邊。
由于不需要儲能電感的續流功能，所以續流二極管也可以省略。即原邊輸入級采用兩路正激變換器的輸入級交錯并聯，副邊合理的節省部分整流、濾波電路后，即派生出典型的推挽式開關電源變換器。
輸入輸出傳遞函數如下：
Vo=D*Vin /n
(D即占空比；n為原副邊匝數比，n=np1/ns1= np2/ns2)
可以看到，對于推挽式開關電源變換器，整個開關周期都有能量從輸入側傳遞到輸出測，沒有儲能電感續流供電過程，采用全波或橋式整流后，其輸出電壓的脈動系數和電流的脈動系數都很小，因此只需要很小的輸出濾波電感、電容，就可以得到電壓紋波與電流紋波都很小的輸出電壓，其輸出電壓特性非常好。這種拓撲被應用于一些200W左右的低輸入電壓中小功率AC/DC及DC/AC電源模塊中。
7.Half-Bridge拓撲
圖8. Half-Bridge拓撲結構
如圖8所示，是Half-Bridge拓撲的結構。當開關管Q2導通時，副邊線圈Ns1感應到電壓，二極管D1正偏，二極管D2反偏，輸入功率通過變壓器經過D1、L1給負載提供能量，同時給電容Co儲存能量；當Q2、Q1開關管關斷時，輸入能量傳遞不到副邊，電感L1里面存儲的能量通過D1、D2續流后傳送到負載；當Q1導通，Q2關斷，副邊線圈Ns2感應到電壓，二極管D2正偏，二極管D1反偏，輸入功率通過變壓器經過D2、L1給負載提供能量，同時給電容Co儲存能量。
輸入輸出傳遞函數如下：
Vo=D*Vin /（2*n）
(D即占空比；n為原副邊匝數比，n=np/ns1= np/ns2)
可以看到，這種拓撲中兩個開關Q1、Q2的驅動不同相，交錯調制輸出PWM控制信號；其開關管承受電壓為推挽式拓撲的一半（Vin），電壓應力較小，且繞組利用率優于推挽式變換器。 半橋變換器適用于輸入電壓較高且中大輸出功率供電的場合，如：100~500W左右的AC/DC或DC/DC模塊電源。
8. Full-Bridge拓撲
圖9. Full-Bridge拓撲結構
如圖9所示，是Full-Bridge拓撲的結構。與Half-Bridge工作模式類似，只不過將分隔電容C1、C2替換為了開關管Q3、Q4。
輸入輸出傳遞函數如下：
Vo=D*Vin /n
(D即占空比；n為原副邊匝數比，n=np/ns1= np/ns2)
可以看到，這種拓撲中兩個開關Q1、Q3為一組，Q2、Q4為一組，控制器對兩組開關管分別進行對角交錯驅動，輸出PWM調制信號；其開關管承受電壓為推挽式拓撲的一半（Vin），電壓應力較小；全波拓撲結構，因此紋波頻率是變壓器頻率的兩倍，且繞組利用率優于推挽式變換器；另外，給定功率下，初級電流為半橋式拓撲的一半。 這種拓撲采用四個開關管，因此成本較高，適合用在大功率（大于500W）的AC/DC或DC/DC電源模塊中。
以上就是目前常見的一些開關電源拓撲結構，主要以介紹總結為主，沒有詳細的定量運算，因為就拓撲本身而言，其實是特別理論化的一個東西，想達到精通每一種拓撲也并非易事。對于工程師來說最重要的還是利用這些已經成熟的拓撲去為項目服務，應用在項目中，以后的工作中慢慢積累豐富。能結合自己的專業，工作中精通其中三個主要拓撲已經是很厲害了，特別是電源這類模擬電路，能寫在紙面上的內容僅僅是冰山一角而已，更多的更寶貴的還是項目經驗和解決問題的思路。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行啊！