?本文章基于兆易創新GD32 MCU所提供的2.2.4版本庫函數開發

? ? ? ?向上代碼兼容GD32F450ZGT6中使用

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? ? ? ?電機驅動開發可以跳轉：

GD32F103RCT6/GD32F303RCT6-實戰項目-無刷電機驅動（1）_gd32f103rct6例程-CSDN博客

? ? ? ?BMS電源系統開發可以跳轉：暫未放鏈接

介紹

開關電源電路拓撲指的是開關電源中功率電子元件（如晶體管、二極管和電感）的布局和連接方式。并且通過控制功率開關器件（通常是MOSFET或IGBT）的高速開關動作來調節輸出電壓和電流，從而實現從輸入電源到負載的有效能量傳輸。

開關電源的拓撲可以根據不同的標準進行分類

1. 按功能分類：

   • 降壓（Buck）：將較高的輸入電壓轉換為較低的輸出電壓。
   • 升壓（Boost）：將較低的輸入電壓轉換為較高的輸出電壓。
   • 降壓-升壓（Buck-Boost）：可以將輸入電壓轉換為高于或低于輸入的任意輸出電壓。
   • 反激（Flyback）：用于隔離式轉換，常用于低功率應用。
   • 正激（Forward）：也是隔離式轉換的一種，通常用于較高功率的應用。
   • 推挽（Push-Pull）：兩個開關交替工作，用于隔離式轉換。
   • 半橋（Half-Bridge）：使用兩個開關形成橋式結構的一半，用于隔離式轉換。
   • 全橋（Full-Bridge）：四個開關組成橋式結構，用于高功率和需要隔離的應用。

2. 按輸入電源類型分類：

   • AC-DC轉換器：將交流電轉換為直流電。
   • DC-DC轉換器：將直流電轉換為另一等級的直流電。

3. 按工作方式分類：

   • 單端開關電源：只有一個開關管，適用于低功率應用。
   • 多端開關電源：使用多個開關管，適用于更高功率應用。

工作原理

本結我們詳細講解BOOST電路中，升壓的具體實現辦法。

這是電路的拓撲圖，當工作在BOOST電路下時，輸出電壓Vo大于輸入電壓Vin，其中，L為BOOST電感，Q2為開關管，其在電路中以特定頻率導通，D1為續流二極管，C為輸出的濾波電容，R為電路中的負載電阻。

我們一般根據開關管Q2的工作狀態，將BOOST劃分為兩種工作模式。

電感充電階段

當開關管Q2開啟時，等效電路圖如下：

其一為：
?

輸入直流電壓通過Q2給到電感L兩端，使得電感L兩端的電壓值等于輸入電壓值Vin，并且電感電流IL（t）呈現增加趨勢。

其二為：

此階段因為開關管Q2被開啟，續流二極管的正極點位被開關管鉗住到GND，二極管右側電壓大于左側電壓，D1反向截止，此時負載電阻由電容C供電。

電感放電階段

當開關管Q2關閉時，等效電路圖如下：

由于電感L兩端不能突變的原理，其兩端電壓依舊保持上一階段的電壓方向：

因為兩個電源方向一致（這里將該時刻的電感也等效成電源），所以兩個電源會疊加，使得輸出的電壓大于一開始的電源電壓，完成升壓的步驟！這個時候輸出的波形為：

但是這個時候，因為右側負載+電容的阻抗大于原先開關管開啟的時候的對地阻抗，所以電感會迅速放電，電感電流迅速減小。

總結：

因此，在放電階段后，我們需要緊跟著開啟開關管Q2，對電感進行儲能，電感電流迅速增大（對應電感所儲存能量值的迅速增大）

這個時候，在電源對電感進行二次充電的時候，電感會保持之前的狀態，其方向為：

其方向和輸入電壓方向相反，故這個時候，實際到達續流二極管D左側的電壓值是Vin-VL，此時二極管截止，電容中儲存的電只允許給負載供電：

那么這不就又回到了第一個階段了嗎？

哈哈，那么接下來的事情就是循環往復了，其波形為（前提是電容的容量不能太小，否則在第二次給電容充電前，電容的電就已經被耗光了，導致輸出電壓波形的空缺）：

如果我們不等負載的電壓降下去，開關管又斷開了，開始對電容進行新一輪的充電，以此往復，我們就完成了升壓這個操作：

（這里每個周期的波形應該是周期一樣的，只不過我沒用尺子畫，看起來有點不一樣）

最后它的平均電壓就能接近一個固定的值，即我們升壓最后需要的電壓了！

在BOOST電路工作中，其電流波形為：

電路占空比確定：

根據電感電壓在一個開關周期內平衡的定理。我們可以得到：

簡化后，我們就會獲得可用于占空比調制的公式了！

那么假設此時我們的輸入電壓為5V，如果想得到12V的一個輸出電壓，那么占空比D就應該為7/12了！（即在一個周期為12的情況下，需要這種7個閉合5個斷開，才能升壓到12V）

負載得到的電流

但是升壓電路中，我們通過BOOST電路，只是能夠做到將電壓升到我們想要的值，對應的電流就會被降低，因為功率為P=I*U是一定的。如果我們輸入5V2A，在不考慮損耗的情況下，我們得到的最后最大應該是12V0.83A的輸出！

同步BOOST

講完原理上常用的BOOST拓撲以后，讓我們再來討論一下，在實際使用中，我們會了減小續流二極管的壓降損耗，采用的同步BOOST的方案，其電路原理圖為：

使用開關管Q1去代替原本的續流二極管D，并且使得Q1的開關邏輯符合我們之前講解的兩種工作模式，那么此時我們得到的，就會是損耗減少的同步BOOST電路了！

其工作波形如下圖所示：

電路實現

在我們本實戰項目中，我們搭建的雙向BUCK-BOOST如下:

損耗來源

1.電感的等效電阻

2.續流二極管壓降（更換成開關管以后變成開關管內部PN結損耗）

3.電容的等效電阻

4.開關管的導通電阻

其中損耗加起來小于10%

這也是為什么，開關電源效率高的原因了，但是噪音卻是來源于開關管高速開關引入的噪音，這點只能通過濾波器去減小，沒有不存在噪音的電壓，有的只是你的示波器分辨率不夠，讀不出來！