電路拓撲結構的案例
【經驗分享】開關電源，設計電路時該如何選型元器件？
Buck電路分析
Buck變換器是一種降壓式非隔離開關電源，當開關管導通時，輸入電源通過電感給輸出供電，同時電感存儲能量；當開關管關斷時，電感通過續流二極管給輸出供電；如此反復即可維持輸出產生一個恒定的電壓。其Buck電路拓撲結構以及電路分析計算見圖1所示。
圖1 Buck電路分析
Boost電路分析
Boost變換器是一種降壓式非隔離開關電源，當開關管導通時，輸入電源通過電感給電感充電，電感存儲能量；當開關管關斷時，輸入電源和電感能量通過續流二極管給輸出供電；如此反復即可維持輸出產生一個恒定的電壓。其Boost電路拓撲結構以及電路分析計算見圖2所示。
圖2 Boost電路分析
Buck-Boost電路分析
Buck-Boost變換器是一種升降壓式非隔離開關電源，當開關管導通時，輸入電源通過電感給電感充電，電感存儲能量；當開關管關斷時，電感能量通過續流二極管給輸出供電；如此反復即可維持輸出產生一個恒定的負電壓。其Buck-Boost電路拓撲結構以及電路分析計算見圖3所示。
展開 盤點 | 11種開關電源的拓撲結構特點
結 語
本文回顧了目前開關式電源轉換中最常見的電路拓撲結構。除此之外還有許多拓撲結構，但大多是這些拓撲的組合或變形。
每種拓撲結構包含獨特的設計權衡：施加在開關上的電壓，斬波和平滑輸入輸出電流，繞組的利用率。
選擇最佳的拓撲結構需要研究：輸入和輸出電壓范圍，電流范圍，成本和性能、大小和重量之比。
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開關電源中11種拓撲結構
21、總結
■此處回顧了目前開關式電源轉換中最常見的電路拓撲結構。
■還有許多拓撲結構，但大多是此處所述拓撲的組合或變形。
■每種拓撲結構包含獨特的設計權衡：
施加在開關上的電壓
斬波和平滑輸入輸出電流
繞組的利用率
■選擇最佳的拓撲結構需要研究：
輸入和輸出電壓范圍
電流范圍
成本和性能、大小和重量之比
來源：ITTBANK
干貨 | 開關電源中11種拓撲結構，這樣選能事半功倍
21、總結
■此處回顧了目前開關式電源轉換中最常見的電路拓撲結構。
■還有許多拓撲結構，但大多是此處所述拓撲的組合或變形。
■每種拓撲結構包含獨特的設計權衡：
施加在開關上的電壓
斬波和平滑輸入輸出電流
繞組的利用率
■選擇最佳的拓撲結構需要研究：
輸入和輸出電壓范圍
電流范圍
成本和性能、大小和重量之比
干貨｜一文讀懂二十種開關電源拓撲結構
什么是拓撲呢？所謂電路拓撲就是功率器件和電磁元件在電路中的連接方式，而磁性元件設計，閉環補償電路設計及其他所有電路元件設計都取決于拓撲。最基本的拓撲是Buck(降壓式)、Boost(升壓式)和Buck/Boost(升/降壓)，單端反激(隔離反激)，正激、推挽、半橋和全橋變化器。
開關電源的拓撲結構，常見拓撲大約有14種，每種都有自身的特點和適用場合。選擇原則是要看是大功率還是小功率，高壓輸出還是低壓輸出，以及是否要求器件盡量少等。
因此，要恰當選擇拓撲，熟悉各種不同拓撲的優缺點及適用范圍是非常重要的。錯誤的選擇會使電源設計一開始就注定失敗。下面為大家整理匯總了開關電源20種基本拓撲，幫助系統掌握每種電路結構的工作原理與基本特性。
展開 詳解3種經典拓撲（附電路圖、計算公式）
圖15：雙開關降壓-升壓轉換器原理圖
降壓-升壓拓撲結構很實用，因為輸入電壓可以比輸出電壓更小、更大或相同，而需要輸出功率大于50W。
對于小于50W的輸出功率，單端初級電感轉換器（SEPIC）是一種更具成本效益的選擇，因為它使用較少的組件。
當輸入電壓大于輸出電壓時，降壓-升壓轉換器以降壓模式工作；輸入電壓小于輸出電壓時，在升壓模式下工作。
當轉換器在輸入電壓處于輸出電壓范圍內的傳輸區域中工作時，處理這些情況有兩個概念：或是降壓和升壓級同時有效，或是開關循環在降壓和升壓級之間交替，每個通常以正常開關頻率的一半運行。
第二個概念可以在輸出端引起次諧波噪聲，而與常規降壓或升壓工作相比，輸出電壓精度可能不那么精確，但與第一個概念相比，轉換器將更加有效。
降壓-升壓拓撲結構在輸入和輸出端都有脈沖電流，因為任一方向都沒有LC濾波器。
對于降壓-升壓轉換器，可以分別使用降壓和升壓功率級計算。
具有兩個開關的降壓-升壓轉換器適用于50W至100W之間的功率范圍（如LM5118），同步整流功率可達400W（與LM5175相同）。建議使用與未組合降壓和升壓功率級相同的電流限制的同步整流器。
您需要為升壓級設計降壓-升壓轉換器的補償網絡，因為RHPZ會限制穩壓器帶寬。
展開 干貨 | 詳解3種經典拓撲（附電路圖、計算公式）
圖15：雙開關降壓-升壓轉換器原理圖
降壓-升壓拓撲結構很實用，因為輸入電壓可以比輸出電壓更小、更大或相同，而需要輸出功率大于50W。
對于小于50W的輸出功率，單端初級電感轉換器（SEPIC）是一種更具成本效益的選擇，因為它使用較少的組件。
當輸入電壓大于輸出電壓時，降壓-升壓轉換器以降壓模式工作；輸入電壓小于輸出電壓時，在升壓模式下工作。
當轉換器在輸入電壓處于輸出電壓范圍內的傳輸區域中工作時，處理這些情況有兩個概念：或是降壓和升壓級同時有效，或是開關循環在降壓和升壓級之間交替，每個通常以正常開關頻率的一半運行。
第二個概念可以在輸出端引起次諧波噪聲，而與常規降壓或升壓工作相比，輸出電壓精度可能不那么精確，但與第一個概念相比，轉換器將更加有效。
降壓-升壓拓撲結構在輸入和輸出端都有脈沖電流，因為任一方向都沒有LC濾波器。
對于降壓-升壓轉換器，可以分別使用降壓和升壓功率級計算。
具有兩個開關的降壓-升壓轉換器適用于50W至100W之間的功率范圍（如LM5118），同步整流功率可達400W（與LM5175相同）。建議使用與未組合降壓和升壓功率級相同的電流限制的同步整流器。
您需要為升壓級設計降壓-升壓轉換器的補償網絡，因為RHPZ會限制穩壓器帶寬。
展開 支持同步整流和異步整流電路拓撲，選擇合適架構的LED驅動控制器-SS8102
由工采電子代理的SS8102是一款專用于燈光照明及投影儀上的LED調光驅動芯片，采用同步降壓整流拓撲結構，具有出色的調光性能，可實現0.01%的PWM調光精度，有效解決低灰度調光閃爍和低亮度調光深度不足的問題。針對低灰度調光特性進行系統運算優化，實現低灰調光無抖動及閃爍問題，使LED有更好的線性度調光特性。PWM及線性調光雙重控制并存，可執行獨立調光電流控制。
SS8102是一款高效率、恒定電流、降壓型同步半橋DC驅動芯片，較大輸出電流能力達25A，PWM調光分辨率超過100K：1；支持8V-65V的輸入電壓范圍，恒流誤差控制在4%以內；通過DIM管腳輸入PWM信號，可靈活實現對LED的調光控制。
SS8102采用遲滯式恒定關斷時間的工作模式，無需外部補償設計。較大簡化外部器件，其輸出電流能力既可以通過不同阻值的外接電阻（Rcs）調整，也可以通過調節模擬調光控制引腳IADJ上的電壓來實現。電流能力可達25A。通過DIM管腳輸入PWM信號來靈活實現對LED的調光控制。
SS8102有同步模式和異步模式兩種工作模式可供選擇，客戶可以根據自己的需求來靈活設計。SS8102具有良好的線性度和穩定的恒流特性，可以精確調光并在惡劣供電條件下穩定工作。
SS8102還具備一系列保護功能，包括欠壓鎖定保護、過熱保護、LED開路與短路保護、輸出欠壓保護等，確保系統在各種惡劣條件下穩定工作，保證系統在大電流運行時的穩定性。
負載開路保護：當LED開路時，SS8102的輸出電壓被鉗制在VIN電壓，可以很好的保護芯片不被損壞。
采樣回路開路保護及短路保護：
開路保護：當VINA電壓高過UVLO閾值后，芯片被使能之前，RCS電阻開路保護檢測電路開啟并檢測RCS電阻是否開路，如果電阻開路，芯片將被關機。
展開 車身結構局部拓撲指導結構設計實例
4.定義目標
體積分數最小
5.優化結果
經過迭代，查看優化結果在門檻后段出現支撐結構。可以對此處進行方案設計
6.結果解讀
在對應位置增加加強板，扭轉剛度增加1153 Nm/°，拓撲優化有效指導了扭轉剛度方案。
超結MOS在全橋電路上的應用-REASUNOS瑞森半導體
全橋電路MOS管選型推薦超結MOS系列
全橋電路作為一種常見的電路拓撲結構，具有良好的電流/電壓控制能力。針對全橋電路不同的應用場景，瑞森半導體提供整體功率半導體解決方案。
Ansys Workbench中拓撲優化后結構力學特性之可視化 | 結構優化新功能
產品概念設計初期，單純的憑借經驗以及想象對零部件進行設計往往是不夠的，在適當約束條件下，如果能充分利用“拓撲優化技術”進行分析，并結合豐富的產品設計經驗，可以設計出更能滿足產品結構技術方案、工藝要求以及更質輕質優的產品。
拓撲優化（topology optimization）是一種根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區域內對材料分布進行優化的數學方法，將區域離散成足夠多的子區域，借助FEM分析技術按照指定的優化策略、約束準則、目標等從這些區域中刪除一定數量單元，用保留下來的單元描述結構的最優拓撲，發揮系統材料最大利用率。拓撲優化后，通常需要對其產生的結果模型進行設計驗證，完全復制拓撲優化前的邊界條件進行仿真計算。
以往版本需要在WorkBench中添加后續分析模塊去驗證優化后的模型。拓撲優化后的仿真計算設計驗證過程如下圖所示。先在拓撲結果中生成光順平滑的 STL 模型后，再在 Workbench 中通過“Transfer to Design Validation System”將優化結果傳遞至驗證系統，系統自動生成位于拓撲優化系統上游的相同類型的Mechanical系統，并繼承之前的全部計算載荷和約束。創建該驗證工作流程，分為四步，在創建的驗證系統中去劃分網格運行計算及查看設計結果。
前面版本雖然可以比較方便地把優化后的模型導入到新的靜力學結構仿真中，進行優化模型的驗證，但2022R1版本新增擁有了更便捷的功能，可以直接在結構優化系統中查看優化后的力學特性，即允許用戶直觀可視化最終設計的結果（變形、應力、特征值模態等），更方便快速檢查和驗證力學行為。
展開 
結構優化新功能 | 拓撲優化后結構力學特性之可視化
下面我們以基底拓撲的例子來示意說明：基底底部為帶四個沉孔的長方體塊，四個沉孔上環面及柱面固定支持，兩耳板內孔受500 N·m扭矩，如下圖一所示，模型網格劃分如圖二所示。求解后，查看等效應力結果，最大等效應力為112.6MPa。
圖一 邊界與載荷/圖二 網格劃分/圖三 等效應力云圖
拓撲優化以柔度最小化為目標，保留25%的質量，四個沉孔處圓柱體及兩耳板不做拓撲優化，如圖四所示。
圖四 拓撲條件
為了可視化拓撲優化后結構力學特性，我們需要設置Analysis Settings里的Output Controls的屬性：
? Export Design Properties:當上游靜態結構或模態分析系統時，此屬性可用于結構優化分析，可以在與上游分析相對應的結構優化分析中創建變形、應力、應變等結果，能夠檢查優化設計的機械行為，在這里我們選用All Accepted Iterations。
? Export Design Properties File Format:當指定導出Export Design Properties時顯示此屬性。選項包括 HDF5 文件（默認）和 VTK 文件（需要外部Reader），在這里我們選用推薦的HDF5 File，如圖五所示。
圖五 輸出控制
運行求解結構優化模型，完成后，可在Topology Density中查看優化后密度分布模型，如圖六所示。
圖六 拓撲密度
右擊Solution > Insert > Stress > Equivalent (Von-Mises)，快速輸出設計驗證值，查看拓撲優化后結構力學特征。
展開 OptiStruct端板結構拓撲優化
OptiStruct在結構優化方面擁有較強的能力，可以進行靜力學分析優化、疲勞分析優化、動力學分析優化等等。具體的優化方法包括拓撲優化、自由尺寸優化、形貌優化、尺寸（參數）優化、形狀優化、自由形狀優化。各方法定義如下：
拓撲優化：在滿足給定約束的前提下，針對目標函數在給定設計空間尋找最優材料布局。
自由尺寸優化：給定殼單元，在滿足約束的前提下，針對目標函數為每一個單元尋找一個最有厚度。
形貌優化：給定殼單元，在滿足給定約束的前提下，針對目標函數尋找最佳拉延筋布局。
尺寸（參數）優化：給定結構和用戶自定義的形狀變量，在滿足給定約束的前提下，針對目標函數尋找參數。
形狀優化：給定結構和用戶自定義的形狀變量，在滿足給定約束的前提下，針對目標函數尋找各個形狀的最佳變形比例。
自由形狀優化：針對給定結構修改邊界節點，在滿足給定約束的前提下，針對目標函數尋找各個節點的最佳位置。
一般把拓撲優化、自由尺寸優化、形貌優化稱為概念設計優化，尺寸（參數）優化、形狀優化、自由形狀優化稱為詳細設計優化。
下面用OptiStruct對端板做一個拓撲優化，包括分析設置、優化設置、后處理以及生成step格式文件。
圖 端板幾何模型
端板如圖所示，保存為step格式文件，導入到hypermesh中。對其進行4面體網格劃分，并將其分為非優化區域和優化區域，同時非優化區域和優化區域也需要單獨設置屬性，因為在拓撲優化時是依據屬性進行區分的。
展開 案例59-印刷電路板的熱結構分析
該示例問題演示了如何使用獨立于網格的增強單元來執行印刷電路板（PCB）的熱結構分析。
重點介紹了以下特性和功能：
• 使用離散和涂抹的加固單元進行建模。
• 熱分析后進行下游結構分析。
介紹
印刷電路板（PCB）在電子設備和其他相關應用中無處不在。一般來說，PCB是由多層層壓材料和多層樹脂粘合而成的。這些層嵌入有導電金屬部件和垂直穿過這些層的金屬通孔。
在有限元分析（FEA）中，將PCB中的主體和跡線建模為單元通常使用具有耦合或接觸的實體、殼和梁單元。然而，由于PCB的每個樹脂層中所涉及的嵌入體數量巨大，該方法通常是困難和耗時的
網格獨立增強單元技術通過使用MESH200單元定義嵌入區域的拓撲并無縫創建嵌入增強單元，為PCB建模和網格化提供了更好的選擇。不涉及復雜的接觸建模、耦合或困難的網格劃分技術。
問題描述：
分析分為兩部分：
步驟1. 求解熱邊界條件引起的熱分析。
步驟2. 解決熱載荷引起的下游結構分析。
由于運行載荷而在一些嵌入式金屬跡線上產生的熱量會導致整個PCB的溫度梯度。梯度會導致PCB在操作期間變形，并引起熱應力和應變。
建模
用于穩態熱分析的模型使用ANSYS Mechanical創建，生成初始網格的單元：
• 表示小銅通孔的線體用LINK33劃分網格。
• 代表樹脂中嵌入銅和較大通孔的其他表面體用SHELL131劃分。
• 使用SOLID70對層壓板和樹脂實體進行網格化。SOLID70單元進行了修改（EMODIF），以創建SOLID278單元，以支持增強單元的生成。
每個固體層壓板和樹脂體在內表面處彼此默認接合接觸，從而形成六個接合接觸對。
展開 印刷電路板的熱結構分析
前言
印刷電路板通常由 多層層壓材料和 起加強結構強度的樹脂材料粘合而成，類似于層合板結構， 層間鋪設金屬線路，以及有垂直穿過這些層的 金屬通孔，作為電路板外接口。
這樣一個印刷電路板熱結構分析問題，傳統的方法是對這些層合板（實體單元）、導電線路（殼單元）、外接金屬通孔（殼單元）進行 一 一建模，這其中涉及到復雜的耦合和接觸問題，而且電路板中包含大量 導電線路、
外接
金
屬
通
孔，如下圖示，這樣的建模分析方法費力耗時。
本文基于 獨立網格增強單元技術( Mesh-independent reinforcing element technology)，并通過使用mesh200單元無縫的創建了印刷電路板中的鋪設線路&導電通孔，這其中不涉及復雜的接觸和耦合的復雜性。因此 ，獨立網格增強單元技術為含這種內嵌入的結構的模型建立和網格劃分提供了一個很好的選擇。
在芷行說公眾號中的《汽車充氣輪胎的路面滾動模擬》一文中也利用了增強單元技術來建立輪胎內部的起結構加強的鋼絲。
為了讀者更容易理解獨立網格增強單元技術，芷行會在下期文章中進行詳細的講解和案例分析，敬請期待。
這樣的一個印刷電路板的熱結構分析包含：1.由電子器件產熱流在結構中傳遞；2.由于熱不均勻性導致的電路板結構變形。因此主要分析有：
求解由熱邊界條件引起的熱分析
解決溫度負載引起的結構分析
關鍵仿真模擬技術特征：
獨立網格增強單元技術
含嵌入式增強單元模型的建立（如電路板中的銅線結構、輪胎中的鋼絲結構）
計算結果
計算結果最重要的是溫度分布結果，如下。
展開 