1. 引言
开关电源的应用背景：开关电源作为现代电子设备中的核心组件，广泛应用于通信、计算机、消费电子等领域。在通信设备中，其高效的能量转换能力为基站、路由器等设备提供稳定的电能支持；在计算机领域，开关电源确保了服务器和个人电脑的可靠运行；而在消费电子领域，如智能手机、平板电脑等便携式设备中，开关电源以其小型化和高效能的特点满足了对电源管理的严格要求[4][5]。这些应用不仅体现了开关电源在提供稳定电能方面的重要性，也凸显了其在推动技术进步中的关键作用。
效率优化的重要性：效率优化是开关电源设计中的核心目标之一，其重要性体现在多个方面。首先，高效率的开关电源能够显著降低能耗，符合全球节能减排的发展趋势。其次，通过减少能量损耗，可以有效降低电源模块的热损耗，从而提升设备的整体性能与可靠性。此外，效率优化还有助于延长电子设备的使用寿命，特别是在对电源稳定性要求较高的场景中，如医疗设备和航空航天领域[3][7]。因此，针对Buck/Boost拓扑的改进与纹波抑制研究显得尤为必要，这不仅能够进一步提升开关电源的效率，还能满足不同应用场景对电源性能的多样化需求。
2. Buck/Boost拓扑基本原理
2.1 Buck拓扑工作过程
Buck拓扑作为一种降压型开关电源，其核心工作原理依赖于开关管的周期性导通与关断。当开关管导通时，输入电压通过开关管施加于电感，此时电感电流线性上升并储存能量，同时输出电容为负载提供能量以维持输出电压稳定；当开关管关断时，由于电感电流的连续性，电感通过续流二极管向负载释放能量，并同时对输出电容充电，从而实现电压转换[1]。这一过程中，电感和电容共同作用，确保输出电压低于输入电压且保持相对稳定。此外，通过调节开关管的占空比，可以有效控制输出电压的大小，满足不同应用场景的需求[5]。
2.2 Boost拓扑工作过程
Boost拓扑则是一种升压型开关电源，其工作过程与Buck拓扑截然不同。在开关管导通阶段，输入电压直接加在电感上，电感电流逐渐增加并储存能量，此时输出电容为负载提供能量以维持输出电压；当开关管关断时，电感中的能量通过二极管传递至输出端，与输入电压叠加后共同为负载供电，从而实现升压功能[2]。值得注意的是，Boost拓扑的输出电压始终高于输入电压，且输出电压的大小同样可以通过调节开关管的占空比进行控制。这种特性使其在需要提升电压的应用场景中具有重要价值[6]。
2.3 Buck/Boost拓扑特点总结
Buck/Boost拓扑结合了Buck和Boost拓扑的优点，能够在宽范围内实现电压变换，同时保持输入输出同极性。其显著特点包括：首先，该拓扑能够根据输入电压的变化灵活调整工作模式，既可实现降压也可实现升压，适用于复杂的输入电压环境；其次，由于输入输出同极性，其在某些特定应用中能够简化电路设计并提高系统可靠性[2]。然而，Buck/Boost拓扑也存在一定的局限性，例如在模式切换过程中可能引入额外的损耗，影响整体效率。因此，针对这些特点进行优化设计，对于提升开关电源的性能具有重要意义[10]。
3. Buck/Boost拓扑改进措施
3.1 元件选型优化
在Buck/Boost拓扑中，元件选型对效率提升具有显著影响。功率管作为核心开关元件，其导通电阻直接决定了开关损耗的大小。例如，采用低导通电阻的NMOS功率管相较于传统PMOS功率管，能够大幅降低导通损耗，从而提升系统转换效率[3]。此外，电感的选择也至关重要，高饱和电流和低直流电阻（DCR）的电感能够减少磁芯损耗和铜损，进而提高能量传输效率。电容方面，选用低等效串联电阻（ESR）的电容可以有效抑制纹波并降低热损耗。参考文献[9]提出了一种基于自适应死区时间控制的整流管驱动方案，该方案通过优化功率管的选择和驱动方式，进一步降低了体二极管导通损耗，验证了元件选型优化在效率提升中的重要作用。
3.2 电路参数调整
电路参数的合理调整是优化Buck/Boost拓扑效率的关键手段之一。电感值的选择直接影响电流纹波和开关损耗，较大的电感值虽然能够减小电流纹波，但会增加磁芯损耗；而较小的电感值则可能导致电流纹波过大，从而增加开关管的应力[4]。电容值的优化同样重要，适当的输出电容能够改善电压纹波，但过大的电容值会增加成本和体积。开关频率的调整则需要权衡开关损耗与磁性元件尺寸之间的关系，较高的开关频率可以减小磁性元件体积，但会增大开关损耗[8]。通过理论计算和仿真验证，可以在不同工作条件下找到最优的电路参数组合，从而实现效率的最大化。例如，文献[8]提出了一种调频调宽模式的Buck电路设计，通过优化电感电流峰值和开关频率，显著提高了转换效率。
3.3 控制策略优化
控制策略的优化是提升Buck/Boost拓扑效率的重要途径。脉宽调制（PWM）技术通过调节开关管的占空比来控制输出电压，其优点是控制精度高且易于实现，但在轻载条件下效率较低[2]。滞环控制则通过设置输出电压的上限和下限，动态调整开关频率，能够在宽负载范围内保持较高的效率，但可能存在频率不稳定的问题[10]。近年来，多模式控制策略逐渐成为研究热点，该策略根据输入电压和负载条件自动切换工作模式，从而实现效率的优化。例如，文献[2]提出了一种基于“双沿调制”的多模式控制策略，通过增加直接功率传输阶段和减小电感电流纹波，显著提升了变换器的整体效率。此外，先进的控制算法如比例-积分-微分（PID）控制器和模糊逻辑控制器也被应用于Buck/Boost拓扑中，以进一步优化控制效果[4]。
4. 纹波抑制方法
4.1 纹波产生原因分析
开关电源中纹波的产生主要源于开关动作、寄生参数以及输入电压波动等多方面因素。首先，开关动作是导致纹波的核心原因之一。在Buck或Boost拓扑中，开关管的周期性导通与关断会引发电流和电压的快速变化，从而在输出侧形成高频脉动成分[13]。其次，寄生参数如电感寄生电阻、电容等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）也会对纹波产生显著影响。这些寄生参数会在开关过程中引入额外的能量损耗和电压波动，进而加剧纹波现象[14]。此外，输入电压的波动同样不可忽视。当输入电压不稳定时，开关电源难以维持恒定的输出电压，从而导致输出纹波的增加。因此，深入理解纹波产生的机制对于设计高效的纹波抑制策略具有重要意义。从理论角度分析，纹波的产生可以归结为开关电源内部能量传递的不连续性。在开关管导通期间，输入能量通过电感传递至负载；而在开关管关断期间，能量则由输出电容提供。这种能量传递的间歇性会导致输出电压出现周期性波动，形成纹波[13]。同时，寄生参数的存在会进一步放大这种波动。例如，电感的寄生电阻会在电流变化时产生压降，而电容的ESR则会在高频条件下限制其对纹波的滤波能力[14]。因此，为了有效抑制纹波，必须综合考虑开关动作、寄生参数以及输入电压波动等因素，并采取针对性的设计措施。
4.2 滤波电路设计
滤波电路是抑制开关电源纹波的关键手段之一，常见的滤波电路包括LC滤波和π型滤波等。LC滤波电路由电感（L）和电容（C）组成，其基本原理是利用电感对高频信号的阻抗特性以及电容对低频信号的旁路作用，从而实现对纹波的有效抑制[5]。具体而言，当高频纹波信号通过LC滤波电路时，电感会将大部分纹波能量反射回源端，而电容则将其旁路至地，从而显著降低输出端的纹波幅值[14]。
π型滤波电路则是一种更为复杂的滤波结构，它由两个电容和一个电感组成，通常用于对纹波要求较高的应用场景。与LC滤波电路相比，π型滤波电路具有更高的滤波效能，尤其是在高频段表现更为优异。其工作原理是通过两级滤波作用，进一步削弱纹波信号的幅值。例如，在第一级滤波中，输入纹波首先被第一个电容旁路至地；随后，剩余的低幅值纹波信号经过电感和第二个电容的进一步滤波，从而实现更优的纹波抑制效果[5]。
在实际设计中，滤波电路参数的合理选择对纹波抑制效果至关重要。以LC滤波电路为例，电感的感值（L）和电容的容值（C）需要根据开关频率、负载电流以及纹波要求等因素进行精确计算。一般而言，较大的电感值和电容值有助于提高滤波效果，但同时也会增加电路的成本和体积[14]。此外，电容的ESR和ESL参数同样需要仔细考虑，因为它们会直接影响滤波电路的高频性能。例如，选择低ESR的电容可以显著提升对高频纹波的滤波能力，但也会增加成本。因此，在设计滤波电路时，必须在性能、成本和体积之间寻求平衡。
4.3 软开关技术应用
软开关技术是一种通过优化开关过程来降低开关损耗和纹波的有效手段。传统的硬开关技术在开关管导通或关断过程中，电压和电流往往存在重叠区域，导致较大的开关损耗和电磁干扰（EMI）。而软开关技术则通过引入谐振元件或辅助电路，使开关管在零电压（ZVS）或零电流（ZCS）条件下完成切换，从而显著减小开关损耗和纹波[7]。例如，在零电压转换脉冲宽度调制（ZVT-PWM）电路中，通过引入辅助谐振网络，可以在开关管导通前将其电压降至零，从而避免电压和电流的重叠，降低开关损耗[11]。
具体而言，软开关技术的优势体现在以下几个方面：首先，它能够显著降低开关过程中的电压和电流应力，从而减少开关损耗和热量的产生。这不仅提高了开关电源的效率，还延长了开关管的使用寿命[7]。其次，软开关技术可以有效抑制开关过程中产生的电磁干扰，从而提高电源的稳定性和可靠性。例如，在ZVT-PWM电路中，通过优化谐振网络的设计，可以将电感电流应力从25A降低至6A，显著改善了电路的整体性能[11]。此外，软开关技术还能够在一定程度上减小输出纹波，因为其开关过程的平滑性减少了高频噪声的产生。
然而，软开关技术的应用也面临一些挑战。例如，引入谐振元件或辅助电路会增加电路的复杂性和成本。此外，软开关技术的实现需要对电路参数进行精确设计和优化，这对设计者的技术水平提出了较高要求[7]。尽管如此，随着半导体技术和控制算法的不断进步，软开关技术在开关电源中的应用前景依然广阔，特别是在对效率和纹波要求较高的场合，其优势尤为突出[11]。
5. 优化设计的实际应用考量
5.1 不同功率等级下的适用性
在不同功率等级的开关电源中，Buck/Boost拓扑改进与纹波抑制方法表现出显著的应用差异。对于低功率等级（如小于100W）的开关电源，采用优化控制策略如变频控制或滞环控制能够显著提升效率，同时减小纹波幅值。这是因为低功率场景下，开关频率的调整对整体性能影响较大，且电路寄生参数的影响相对较小[6]。然而，在高功率等级（大于1kW）的应用中，元件选型优化和控制策略的调整则需要更加谨慎。例如，高功率场景下电感值和电容值的选择需综合考虑电流纹波与热损耗之间的平衡，以避免因元件过热而导致系统可靠性下降[10]。此外，软开关技术在高功率等级中的应用更具优势，因为其能够有效降低开关过程中的电压电流重叠，从而减少开关损耗与纹波。总体而言，不同功率等级下的优化设计需根据具体应用场景进行权衡，以实现最佳性能。
5.2 不同工作环境下的适应性
环境因素对开关电源优化设计的效果具有重要影响。温度变化会显著影响功率管、电感、电容等元件的工作特性。例如，在高温环境下，功率管的导通电阻可能增加，导致开关损耗上升；而电感的磁芯损耗也会随温度升高而加剧，从而降低系统效率[4]。湿度则可能引起电路板绝缘性能下降，增加寄生电容效应，进而影响纹波抑制效果。此外，电磁干扰（EMI）是另一个不可忽视的因素，尤其是在工业环境中，强电磁场可能导致控制信号失真，影响控制策略的实施效果[15]。为应对不同工作环境，可采取以下措施：在高温环境中，选择耐高温材料并优化散热设计；在高湿度环境中，采用防潮涂层或密封封装技术；在强电磁干扰环境中，则需加强屏蔽设计与滤波电路优化。通过这些措施，可以显著提升开关电源在各种复杂工作环境中的适应性与可靠性。
6. 未来展望
6.1 新型材料应用
随着科学技术的不断进步，新型半导体材料和磁性材料在开关电源领域的应用潜力日益凸显。例如，宽禁带半导体材料如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）因其高击穿电压、低导通电阻以及优异的热稳定性，逐渐成为传统硅基功率器件的理想替代品[3]。这些材料能够在高频条件下显著降低开关损耗，从而提升整体效率。此外，新型磁性材料如纳米晶合金和铁氧体复合材料，因其高饱和磁感应强度和低磁滞损耗特性，在电感器和变压器设计中展现出巨大优势[7]。通过采用这些材料，不仅可以减小磁性元件的体积和重量，还能进一步优化能量传输效率。因此，新型材料的应用有望为开关电源的效率优化带来革命性突破。
6.2 先进控制算法发展
在未来，先进控制算法的发展将成为开关电源效率优化的重要方向之一。人工智能控制技术，如深度学习和强化学习，能够通过实时监测和分析系统运行状态，动态调整控制参数以实现最优性能[4]。例如，基于神经网络的控制器可以快速响应负载变化，并自动优化开关频率和占空比，从而最大限度地减少能量损耗。此外，自适应控制算法通过结合模糊逻辑和预测控制技术，能够在复杂工况下保持系统的高效运行[10]。这种算法不仅能够应对输入电压波动和负载突变等挑战，还可以显著提高系统的稳定性和可靠性。因此，先进控制算法的应用前景广阔，将为开关电源的效率优化提供全新的解决方案。
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作者简介：常艳周（1990—），男，汉族，河南商水人，本科，研究方向为电子信息工程。
