DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理及其設(shè)計(jì)

DC/DC轉(zhuǎn)換器是開關(guān)電源芯片，指利用電容、電感的儲(chǔ)能的特性，通過可控開關(guān)(MOSFET等)進(jìn)行高頻開關(guān)的動(dòng)作，將輸入的電能儲(chǔ)存在電容(感)里，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電能再釋放給負(fù)載，提供能量。其輸出的功率或電壓的能力與占空比(由開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間與整個(gè)開關(guān)的周期的比值)有關(guān)。開關(guān)電源可以用于升壓和降壓。

輸出電壓通過分壓電阻與基準(zhǔn)電壓作比較，從而形成一個(gè)反饋。當(dāng)輸出電壓減小并低于基準(zhǔn)電壓，比較器輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)并觸發(fā)振蕩電路開始工作。振蕩電路輸出一個(gè)固定時(shí)間的脈沖，用于控制MOS管的導(dǎo)通。反之則MOS管將被截止。其中導(dǎo)通由振蕩器控制，而截止時(shí)間取決于負(fù)載。按這樣的方法，即可控制輸出電壓。

電荷泵為容性儲(chǔ)能DC-DC產(chǎn)品，可以進(jìn)行升壓，也可以作為降壓使用，還可以進(jìn)行反壓輸出。電荷泵消除了電感器和變壓器所帶有的磁場(chǎng)和電磁干擾。

工作原理

電荷泵是通過外部一個(gè)快速充電電容(Flying Capacitor)，內(nèi)部以一定的頻率進(jìn)行開關(guān)，對(duì)電容進(jìn)行充電，并且和輸入電壓一起，進(jìn)行升壓(或者降壓)轉(zhuǎn)換。最后以恒壓輸出。在芯片內(nèi)部有負(fù)反饋電路，以保證輸出電壓的穩(wěn)定，如上圖Vout ，經(jīng)R1,R2分壓得到電壓V2，與基準(zhǔn)電壓VREF做比較，經(jīng)過誤差放大器A，來控制充電電容的充電時(shí)間和充電電壓，從而達(dá)到穩(wěn)定值。電荷泵可以依據(jù)電池電壓輸入不斷改變其輸出電壓。例如，它在1.5X或1X的模式下都可以運(yùn)行。當(dāng)電池的輸入電壓較低時(shí)，電荷泵可以產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)于輸入電壓的1.5倍的輸出電壓。而當(dāng)電池的電壓較高時(shí)，電荷泵則在1X模式下運(yùn)行，此時(shí)負(fù)載電荷泵僅僅是將輸入電壓傳輸?shù)截?fù)載中。這樣就在輸入電壓較高的時(shí)候降低了輸入電流和功率損耗。

降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理

降壓轉(zhuǎn)換器是一種輸出電壓低于輸入電壓的開關(guān)轉(zhuǎn)換器。也稱為降壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器。降壓轉(zhuǎn)換器只有四個(gè)主要部件。它們分別是開關(guān)管(下圖中的Q1)、二極管(下圖中的D1)、電感器(下圖中的L1)和電容濾波器(下圖中的C1)。輸入電壓 VIN 必須高于輸出電壓 VOUT 才能成為降壓轉(zhuǎn)換器。

降壓轉(zhuǎn)換器充當(dāng)電壓調(diào)節(jié)器，但利用 BJT、MOSFET 或 IGBT 等半導(dǎo)體部件的開關(guān)動(dòng)作。 Q1將不斷地開關(guān)，D1充當(dāng)續(xù)流二極管，L1將充放電能量，而C1將存儲(chǔ)能量。降壓穩(wěn)壓器是一種低損耗穩(wěn)壓器，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，效率可達(dá) 90% 以上。

降壓轉(zhuǎn)換器的電路原理

上圖顯示了一個(gè)非?；镜慕祲恨D(zhuǎn)換器電路。要了解降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理，我將把電路分為兩種情況。晶體管導(dǎo)通時(shí)的第一個(gè)條件，晶體管關(guān)閉時(shí)的下一個(gè)條件。

1、晶體管開啟狀態(tài)

在這種情況下，我們可以看到二極管處于開路狀態(tài)，因?yàn)樗幱诜聪蚱脿顟B(tài)。在這種情況下，一些初始電流將開始流過負(fù)載，但電流受到電感器的限制，因此電感器也開始逐漸充電。(關(guān)注不迷路-電路一點(diǎn)通)因此，在電路導(dǎo)通期間，電容器會(huì)逐個(gè)周期地建立充電，并且該電壓會(huì)反映在負(fù)載上。

2、晶體管關(guān)閉狀態(tài)

當(dāng)晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，存儲(chǔ)在電感器 L1 中的能量會(huì)崩潰并通過二極管 D1 流回，如帶箭頭的電路所示。在這種情況下，電感兩端的電壓極性相反，因此二極管處于正向偏置狀態(tài)?，F(xiàn)在，由于電感器的磁場(chǎng)坍塌，電流繼續(xù)流過負(fù)載，直到電感器電量耗盡。所有這些都發(fā)生在晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)。

在電感幾乎耗盡存儲(chǔ)能量的一段時(shí)間后，負(fù)載電壓再次開始下降，在這種情況下，電容器C1成為主要電流源，電容器在那里保持電流流動(dòng)，直到下一個(gè)周期開始再次。

現(xiàn)在通過改變開關(guān)頻率和開關(guān)時(shí)間，我們可以從降壓轉(zhuǎn)換器獲得從 0 到 Vin 的任何輸出。

降壓轉(zhuǎn)換器的工作模式

降壓轉(zhuǎn)換器可以在兩種不同的模式下運(yùn)行。連續(xù)模式或間斷模式。

1、降壓轉(zhuǎn)換器的連續(xù)模式

在連續(xù)模式下，電感器永遠(yuǎn)不會(huì)完全放電，充電周期在電感器部分放電時(shí)開始。

在上圖中，我們可以看到，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電感電流 (iI) 線性增加，然后當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電感開始減小，但開關(guān)再次導(dǎo)通，同時(shí)電感部分放電。這是連續(xù)操作模式。

2、降壓轉(zhuǎn)換器不連續(xù)模式

不連續(xù)模式與連續(xù)模式略有不同。在斷續(xù)模式下，電感器在開始新的充電周期之前完全放電。在開關(guān)打開之前，電感器將完全放電至零。

在間斷模式下，如上圖所示，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電感電流 (il) 線性增加，然后當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電感開始減小，但開關(guān)僅在電感電流之后才導(dǎo)通。完全放電，電感電流完全為零。這是不連續(xù)操作模式。在此操作中，流過電感器的電流不連續(xù)。

降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理

?降壓轉(zhuǎn)換器(Buck Converter)是一種電力電子設(shè)備，主要用于將高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓。其工作原理基于電感和開關(guān)管的工作機(jī)制，通過控制開關(guān)管的通斷，使電感儲(chǔ)存能量，然后通過電容器將能量輸出，實(shí)現(xiàn)電壓的降低??12。

降壓轉(zhuǎn)換器的基本組成

降壓轉(zhuǎn)換器通常包含以下四個(gè)主要部件：

?開關(guān)管?：負(fù)責(zé)控制電路的通斷。

?二極管?：作為續(xù)流二極管，確保電流在開關(guān)管關(guān)閉時(shí)能夠繼續(xù)流動(dòng)。

?電感器?：用于儲(chǔ)存和釋放能量。

?電容濾波器?：用于平滑輸出電壓，減少電壓波動(dòng)?12。

工作原理的詳細(xì)解釋

降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理可以分為兩個(gè)主要階段：

?開關(guān)管導(dǎo)通階段?：當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，二極管處于開路狀態(tài)，電感開始充電，電流通過電感流向負(fù)載。此時(shí)，電感儲(chǔ)存能量?12。

?開關(guān)管關(guān)斷階段?：當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉時(shí)，電感中的能量通過二極管釋放，繼續(xù)為負(fù)載供電。此時(shí)，電感中的電流逐漸減小，電容則提供額外的平滑作用?12。

實(shí)際應(yīng)用中的降壓轉(zhuǎn)換器

降壓轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括電子設(shè)備、通信設(shè)備、汽車電子和工業(yè)自動(dòng)化等。其核心在于通過控制開關(guān)管的通斷，實(shí)現(xiàn)輸入電壓到輸出電壓的有效轉(zhuǎn)換。降壓轉(zhuǎn)換器具有低損耗、高效率的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)那闆r下，效率可達(dá)90%以上?12。

一、降壓式變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

降壓式變換器，也被稱為Buck變換器，其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括一個(gè)開關(guān)管、一個(gè)電感、一個(gè)電容以及輸出負(fù)載。通過控制開關(guān)管的通斷，可以實(shí)現(xiàn)輸入電壓到輸出電壓的降壓轉(zhuǎn)換。這種變換器廣泛應(yīng)用于各種電力電子系統(tǒng)中，如電源適配器、電池充電電路等。其核心在于開關(guān)管的控制策略，直接影響到輸出電壓的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率。

降壓式DC/DC變換器，也被稱為Buck變換器，是DC/DC變換器中應(yīng)用最為廣泛的一種。它能夠?qū)⒏咧绷麟妷河行У剞D(zhuǎn)換為低直流電壓，例如將24V電壓降低至12V或5V。這種變換器具有低損耗、高效率的特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。

其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括直流輸入電壓U1、功率開關(guān)管VT、續(xù)流二極管VD、輸出濾波電感L、輸出濾波電容C以及直流輸出電壓Uo和外部負(fù)載電阻RL。脈寬調(diào)制器(PWM)負(fù)責(zé)控制功率開關(guān)管VT的通斷，是變換器的核心控制部件。

降壓式DC/DC變換器的工作原理

基于功率開關(guān)管VT在PWM信號(hào)的作用下，高速且交替地導(dǎo)通與關(guān)斷。這一過程類似于一個(gè)機(jī)械開關(guān)的快速閉合與斷開，從而實(shí)現(xiàn)了輸入電壓到輸出電壓的降壓轉(zhuǎn)換。

當(dāng)功率開關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，如圖(a)所示，續(xù)流二極管VD處于截止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，輸入電壓U1被施加到儲(chǔ)能電感L的左端，導(dǎo)致電感上產(chǎn)生(U1-Uo)的電壓。這一電壓使得通過電感的電流線性增加，同時(shí)電感儲(chǔ)存的能量也在不斷積累。在此期間，輸入電流(即電感電流IL)不僅為負(fù)載提供所需的電力，還會(huì)為濾波電容C充電。因此，電感電流IL等于電容充電電流I1與負(fù)載電流Io之和。

當(dāng)VT關(guān)斷時(shí)，如圖(b)所示，電感L與輸入電壓U1斷開連接。由于電感電流不能發(fā)生突變，因此在電感上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電壓，其極性為左“-”右“+”，旨在維持電感電流IL的穩(wěn)定。此時(shí)，續(xù)流二極管VD開始導(dǎo)通，電感中儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量被轉(zhuǎn)化為電能，并通過VD形成的回路繼續(xù)為負(fù)載供電。在此過程中，電感電流IL線性減小。同時(shí)，濾波電容C產(chǎn)生放電電流I2，與電感電流IL共同為負(fù)載供電，因此負(fù)載電流Io是電感電流和電容放電電流之和。

降壓式變換器在功率開關(guān)管導(dǎo)通期間向負(fù)載傳輸能量

因此屬于正激型變換器。其電壓及電流波形如圖所示，其中PWM表示脈寬調(diào)制波形，tON和tOFF分別代表功率開關(guān)管VT的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，而T則是開關(guān)周期，等于tON與tOFF之和。此外，tON與T的比值被稱為占空比，用“D”表示，即D=tON/T。

Ue為功率開關(guān)管VT的發(fā)射極電壓波形，Ic為VT的集電極電流波形。IF為續(xù)流二極管VD的電流波形，而IL則為濾波電感的電流波形。從圖中可以觀察到，當(dāng)功率開關(guān)管VT處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，其發(fā)射極電壓Ue與輸入電壓U1相等;而在VT關(guān)斷時(shí)，Ue則降為零。此外，電感電流IL在VT導(dǎo)通期間線性增加，而在VT關(guān)斷時(shí)則線性減小。值得注意的是，電感電流IL是由VT的集電極電流Ic與續(xù)流二極管VD的電流IF共同作用形成的。

對(duì)于DC/DC變換器而言，其輸出電流Io是濾波電感電流IL的平均值。同時(shí)，電感電流波形中的峰值與谷值之差代表了電感的紋波電流。為減小輸出電流的紋波，需要選擇足夠大的電感L，以確保DC/DC變換器能夠工作在連續(xù)模式。通常，紋波電流應(yīng)控制在額定輸出電流的20%左右。

降壓式DC/DC變換器具有以下關(guān)鍵特點(diǎn)：

輸出電壓Uo小于輸入電壓U1，因此得名降壓式變換器。輸出電壓Uo與輸入電壓U1的關(guān)系由占空比D決定，即Uo=DU1，通過調(diào)整占空比D可以改變輸出電壓。

輸出電壓Uo與輸入電壓U1的極性保持一致。

功率開關(guān)管VT所承受的最大電壓為UCE，其值為輸入電壓U1。

功率開關(guān)管VT集電極的最大電流Ic等于輸出電流Io。

續(xù)流二極管VD的平均電流IF為(1-D)Io。

續(xù)流二極管VD所承受的反向電壓UR等于輸入電壓U1。

降壓式DC/DC變換器既可以由分立元件和PWM控制器組合而成，也可以選擇使用集成電路產(chǎn)品，如LM2576、1M2596、L4960等。其中，LM2576的外圍電路設(shè)計(jì)最為簡(jiǎn)潔。

降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理

降壓轉(zhuǎn)換器是一種輸出電壓低于輸入電壓的開關(guān)轉(zhuǎn)換器。也稱為降壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器。降壓轉(zhuǎn)換器只有四個(gè)主要部件。它們分別是開關(guān)管(下圖中的Q1)、二極管(下圖中的D1)、電感器(下圖中的L1)和電容濾波器(下圖中的C1)。輸入電壓 VIN 必須高于輸出電壓 VOUT 才能成為降壓轉(zhuǎn)換器。

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降壓轉(zhuǎn)換器充當(dāng)電壓調(diào)節(jié)器，但利用 BJT、MOSFET 或 IGBT 等半導(dǎo)體部件的開關(guān)動(dòng)作。 Q1將不斷地開關(guān)，D1充當(dāng)續(xù)流二極管，L1將充放電能量，而C1將存儲(chǔ)能量。降壓穩(wěn)壓器是一種低損耗穩(wěn)壓器，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，效率可達(dá) 90% 以上。

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降壓轉(zhuǎn)換器的電路原理

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上圖顯示了一個(gè)非常基本的降壓轉(zhuǎn)換器電路。要了解降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理，我將把電路分為兩種情況。晶體管導(dǎo)通時(shí)的第一個(gè)條件，晶體管關(guān)閉時(shí)的下一個(gè)條件。

1、晶體管開啟狀態(tài)

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在這種情況下，我們可以看到二極管處于開路狀態(tài)，因?yàn)樗幱诜聪蚱脿顟B(tài)。在這種情況下，一些初始電流將開始流過負(fù)載，但電流受到電感器的限制，因此電感器也開始逐漸充電。(關(guān)注不迷路-電路一點(diǎn)通)因此，在電路導(dǎo)通期間，電容器會(huì)逐個(gè)周期地建立充電，并且該電壓會(huì)反映在負(fù)載上。

2、晶體管關(guān)閉狀態(tài)

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當(dāng)晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，存儲(chǔ)在電感器 L1 中的能量會(huì)崩潰并通過二極管 D1 流回，如帶箭頭的電路所示。在這種情況下，電感兩端的電壓極性相反，因此二極管處于正向偏置狀態(tài)?，F(xiàn)在，由于電感器的磁場(chǎng)坍塌，電流繼續(xù)流過負(fù)載，直到電感器電量耗盡。所有這些都發(fā)生在晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)。

在電感幾乎耗盡存儲(chǔ)能量的一段時(shí)間后，負(fù)載電壓再次開始下降，在這種情況下，電容器C1成為主要電流源，電容器在那里保持電流流動(dòng)，直到下一個(gè)周期開始再次。

現(xiàn)在通過改變開關(guān)頻率和開關(guān)時(shí)間，我們可以從降壓轉(zhuǎn)換器獲得從 0 到 Vin 的任何輸出。

降壓轉(zhuǎn)換器的工作模式

降壓轉(zhuǎn)換器可以在兩種不同的模式下運(yùn)行。連續(xù)模式或間斷模式。

1、降壓轉(zhuǎn)換器的連續(xù)模式

在連續(xù)模式下，電感器永遠(yuǎn)不會(huì)完全放電，充電周期在電感器部分放電時(shí)開始。

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在上圖中，我們可以看到，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電感電流 (iI) 線性增加，然后當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電感開始減小，但開關(guān)再次導(dǎo)通，同時(shí)電感部分放電。這是連續(xù)操作模式。

2、降壓轉(zhuǎn)換器不連續(xù)模式

不連續(xù)模式與連續(xù)模式略有不同。在斷續(xù)模式下，電感器在開始新的充電周期之前完全放電。在開關(guān)打開之前，電感器將完全放電至零。

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在間斷模式下，如上圖所示，當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電感電流 (il) 線性增加，然后當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電感開始減小，但開關(guān)僅在電感電流之后才導(dǎo)通。完全放電，電感電流完全為零。這是不連續(xù)操作模式。在此操作中，流過電感器的電流不連續(xù)。