本文章基于兆易创新GD32 MCU所提供的2.2.4版本库函数开发

       向上代码兼容GD32F450ZGT6中使用

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介绍

开关电源电路拓扑指的是开关电源中功率电子元件（如晶体管、二极管和电感）的布局和连接方式。并且通过控制功率开关器件（通常是MOSFET或IGBT）的高速开关动作来调节输出电压和电流，从而实现从输入电源到负载的有效能量传输。

开关电源的拓扑可以根据不同的标准进行分类

1. 按功能分类：

   • 降压（Buck）：将较高的输入电压转换为较低的输出电压。
   • 升压（Boost）：将较低的输入电压转换为较高的输出电压。
   • 降压-升压（Buck-Boost）：可以将输入电压转换为高于或低于输入的任意输出电压。
   • 反激（Flyback）：用于隔离式转换，常用于低功率应用。
   • 正激（Forward）：也是隔离式转换的一种，通常用于较高功率的应用。
   • 推挽（Push-Pull）：两个开关交替工作，用于隔离式转换。
   • 半桥（Half-Bridge）：使用两个开关形成桥式结构的一半，用于隔离式转换。
   • 全桥（Full-Bridge）：四个开关组成桥式结构，用于高功率和需要隔离的应用。

2. 按输入电源类型分类：

   • AC-DC转换器：将交流电转换为直流电。
   • DC-DC转换器：将直流电转换为另一等级的直流电。

3. 按工作方式分类：

   • 单端开关电源：只有一个开关管，适用于低功率应用。
   • 多端开关电源：使用多个开关管，适用于更高功率应用。

工作原理

本结我们详细讲解BOOST电路中，升压的具体实现办法。

这是电路的拓扑图，当工作在BOOST电路下时，输出电压Vo大于输入电压Vin，其中，L为BOOST电感，Q2为开关管，其在电路中以特定频率导通，D1为续流二极管，C为输出的滤波电容，R为电路中的负载电阻。

我们一般根据开关管Q2的工作状态，将BOOST划分为两种工作模式。

电感充电阶段

当开关管Q2开启时，等效电路图如下：

其一为：
 

输入直流电压通过Q2给到电感L两端，使得电感L两端的电压值等于输入电压值Vin，并且电感电流IL（t）呈现增加趋势。

其二为：

此阶段因为开关管Q2被开启，续流二极管的正极点位被开关管钳住到GND，二极管右侧电压大于左侧电压，D1反向截止，此时负载电阻由电容C供电。

电感放电阶段

当开关管Q2关闭时，等效电路图如下：

由于电感L两端不能突变的原理，其两端电压依旧保持上一阶段的电压方向：

因为两个电源方向一致（这里将该时刻的电感也等效成电源），所以两个电源会叠加，使得输出的电压大于一开始的电源电压，完成升压的步骤！这个时候输出的波形为：

但是这个时候，因为右侧负载+电容的阻抗大于原先开关管开启的时候的对地阻抗，所以电感会迅速放电，电感电流迅速减小。

总结：

因此，在放电阶段后，我们需要紧跟着开启开关管Q2，对电感进行储能，电感电流迅速增大（对应电感所储存能量值的迅速增大）

这个时候，在电源对电感进行二次充电的时候，电感会保持之前的状态，其方向为：

其方向和输入电压方向相反，故这个时候，实际到达续流二极管D左侧的电压值是Vin-VL，此时二极管截止，电容中储存的电只允许给负载供电：

那么这不就又回到了第一个阶段了吗？

哈哈，那么接下来的事情就是循环往复了，其波形为（前提是电容的容量不能太小，否则在第二次给电容充电前，电容的电就已经被耗光了，导致输出电压波形的空缺）：

如果我们不等负载的电压降下去，开关管又断开了，开始对电容进行新一轮的充电，以此往复，我们就完成了升压这个操作：

（这里每个周期的波形应该是周期一样的，只不过我没用尺子画，看起来有点不一样）

最后它的平均电压就能接近一个固定的值，即我们升压最后需要的电压了！

在BOOST电路工作中，其电流波形为：

电路占空比确定：

根据电感电压在一个开关周期内平衡的定理。我们可以得到：

简化后，我们就会获得可用于占空比调制的公式了！

那么假设此时我们的输入电压为5V，如果想得到12V的一个输出电压，那么占空比D就应该为7/12了！（即在一个周期为12的情况下，需要这种7个闭合5个断开，才能升压到12V）

负载得到的电流

但是升压电路中，我们通过BOOST电路，只是能够做到将电压升到我们想要的值，对应的电流就会被降低，因为功率为P=I*U是一定的。如果我们输入5V2A，在不考虑损耗的情况下，我们得到的最后最大应该是12V0.83A的输出！

同步BOOST

讲完原理上常用的BOOST拓扑以后，让我们再来讨论一下，在实际使用中，我们会了减小续流二极管的压降损耗，采用的同步BOOST的方案，其电路原理图为：

使用开关管Q1去代替原本的续流二极管D，并且使得Q1的开关逻辑符合我们之前讲解的两种工作模式，那么此时我们得到的，就会是损耗减少的同步BOOST电路了！

其工作波形如下图所示：

电路实现

在我们本实战项目中，我们搭建的双向BUCK-BOOST如下:

损耗来源

1.电感的等效电阻

2.续流二极管压降（更换成开关管以后变成开关管内部PN结损耗）

3.电容的等效电阻

4.开关管的导通电阻

其中损耗加起来小于10%

这也是为什么，开关电源效率高的原因了，但是噪音却是来源于开关管高速开关引入的噪音，这点只能通过滤波器去减小，没有不存在噪音的电压，有的只是你的示波器分辨率不够，读不出来！