?DCDC降壓電源的工作原理?基于開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，主要通過(guò)開(kāi)關(guān)器件(如MOSFET)的導(dǎo)通和截止來(lái)控制輸入電源的電流，從而實(shí)現(xiàn)將高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓。DCDC降壓電源的核心組件包括開(kāi)關(guān)管、電感、續(xù)流二極管和濾波電容等。

工作原理

?開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通?：當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電源Vin的電流通過(guò)開(kāi)關(guān)管流向負(fù)載RL，同時(shí)給電感L和電容C充電。此時(shí)，電感兩端的電壓保持不變，電流呈線性上升?12。

?開(kāi)關(guān)管截止?：當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，電感通過(guò)續(xù)流二極管繼續(xù)導(dǎo)電，電流通過(guò)二極管流向負(fù)載RL，同時(shí)電感放電。此時(shí)，電感兩端的電壓反向，電流呈線性下降?12。

?周期性開(kāi)關(guān)?：開(kāi)關(guān)管周期性地導(dǎo)通和截止，電感在充電和放電過(guò)程中儲(chǔ)存和釋放能量，從而在負(fù)載RL上產(chǎn)生所需的低壓直流電。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間(占空比)，可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小?12。

關(guān)鍵組件及其作用

?開(kāi)關(guān)管?：控制電流的通斷，實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換。

?電感?：儲(chǔ)存和釋放能量，抑制電流變化。

?續(xù)流二極管?：在開(kāi)關(guān)管截止時(shí)提供電流回路，保證電感放電。

?濾波電容?：平滑輸出電壓，提供穩(wěn)定的直流電。

應(yīng)用場(chǎng)景

DCDC降壓電源廣泛應(yīng)用于各種需要電壓轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合，如：

?汽車(chē)電子?：將汽車(chē)電瓶的12V直流電轉(zhuǎn)換為5V或3.3V等低電壓，為車(chē)載電子設(shè)備供電。

?通信設(shè)備?：在移動(dòng)通信設(shè)備中，將外部電源的電壓轉(zhuǎn)換為適合內(nèi)部電路工作的電壓。

?工業(yè)控制?：在工業(yè)控制系統(tǒng)中，提供穩(wěn)定的直流電源，確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行?3。

1.雙開(kāi)關(guān)型升-降壓

升-降壓型一般有兩種拓?fù)洌弘p開(kāi)關(guān)型(圖5-1)和四開(kāi)關(guān)型(圖5-2)，從雙開(kāi)關(guān)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以看到，其和反相型DC-DC結(jié)構(gòu)一樣。這主要涉及到理解方式：當(dāng)不關(guān)注反相這個(gè)屬性時(shí)(負(fù)電壓)，取Vout絕對(duì)值：

當(dāng)D=0.5時(shí)，Vout=Vin;當(dāng)D<0.5時(shí)，Vout0.5時(shí)，Vout>Vin，這樣既可以實(shí)現(xiàn)升壓也可以實(shí)現(xiàn)降壓。在這種拓?fù)渲?，輸入電流和輸出電流都已被?zhí)行“斬波”，也就是說(shuō)這些電流之間是不連續(xù)的，而且轉(zhuǎn)換時(shí)間非常短(電容補(bǔ)充電流)。相關(guān)波形回看DC-DC-4：反相型的工作原理，相比普通升壓轉(zhuǎn)換器，生成的輸出電壓中所含的電壓尖峰可能會(huì)更多。對(duì)于這些問(wèn)題，可以通過(guò)適當(dāng)大小的輸出電容器或后置穩(wěn)壓濾波器來(lái)解決。

圖5-1：雙開(kāi)關(guān)型升-降壓拓?fù)?

開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，S2截止，電感器儲(chǔ)能，電流回路為：輸入VIN--->S1--->電感器L

開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，S2導(dǎo)通，電感器釋能，電流回路為：電感器L--->電容Cout--->負(fù)載RL--->S2

2.四開(kāi)關(guān)型升-降壓

四開(kāi)關(guān)型就是純粹升壓和降壓型的縫合體，當(dāng)S2保持關(guān)閉不導(dǎo)通時(shí)，就變?yōu)榻祲和負(fù)?DC-DC-2：降壓型的工作原理)，此時(shí)S1為上管;當(dāng)S1保持打開(kāi)導(dǎo)通時(shí)，就變?yōu)樯龎和負(fù)?DC-DC-3：升壓型的工作原理)，此時(shí)S2變?yōu)橄鹿堋?肖特基二極管做續(xù)流元件已經(jīng)屬于比較落后的技術(shù)，后面的模型以及講解均以MOS來(lái)作續(xù)流元件，即同步模式)

圖5-2：四開(kāi)關(guān)型升-降壓拓?fù)?

當(dāng)轉(zhuǎn)換器在輸入電壓處于輸出電壓范圍內(nèi)的傳輸區(qū)域中工作時(shí)，處理這些情況有兩種方式：或是降壓和升壓級(jí)同時(shí)有效，或是開(kāi)關(guān)循環(huán)在降壓和升壓級(jí)之間交替，每個(gè)通常以正常開(kāi)關(guān)頻率的一半運(yùn)行。交替方式可以在輸出端引起次諧波噪聲，而與常規(guī)降壓或升壓工作相比，輸出電壓精度可能不那么精確，但與同時(shí)有效方式相比，因?yàn)闇p少了開(kāi)關(guān)損耗，轉(zhuǎn)換器將更加有效。

根據(jù)輸入電壓和設(shè)置輸出的電阻值，器件可以在降壓模式、降壓-升壓模式和升壓模式之間平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。當(dāng)輸入電壓大于輸出電壓時(shí)，工作在降壓模式，當(dāng)輸入電壓小于輸出電壓時(shí)工作在升壓模式。當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓時(shí)，交替地以一周期降壓和一周期升壓模式操作。開(kāi)關(guān)頻率一般由外部電阻器設(shè)置。為了減少高功率條件下的開(kāi)關(guān)功率損耗，建議將開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置在500kHz以下。如果系統(tǒng)需要高于500kHz的較高開(kāi)關(guān)頻率，建議設(shè)置較低的開(kāi)關(guān)電流限制，以獲得更好的熱性能。

降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在輸入和輸出端都有脈沖電流，因?yàn)槿我环较蚨紱](méi)有LC濾波器。對(duì)于降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，可以分別使用降壓和升壓功率級(jí)計(jì)算。具有兩個(gè)開(kāi)關(guān)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器適用于50W至100W之間的功率范圍(雙開(kāi)關(guān)型)，同步整流功率可達(dá)400W(四開(kāi)關(guān)型)。建議使用與未組合降壓和升壓功率級(jí)相同的電流限制的同步整流器。另外需要為升壓級(jí)設(shè)計(jì)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)镽HPZ(右半平面零點(diǎn)問(wèn)題)會(huì)限制穩(wěn)壓器帶寬。

圖5-3：切換成降壓模式工作圖

CDC直流電源或直流-直流轉(zhuǎn)換器是這一領(lǐng)域的關(guān)鍵組件之一。DCDC直流電源在將直流電(DC)從一個(gè)電壓電平轉(zhuǎn)換到另一個(gè)電壓電平的過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，使航空航天電子、電信和可再生能源系統(tǒng)的各種應(yīng)用成為可能。

一、什么是DCDC直流電源?

DCDC直流電源是一種電子設(shè)備，旨在將一種直流電壓轉(zhuǎn)換為另一種直流電壓。這一過(guò)程對(duì)于為需要特定電壓水平才能正常工作的各種元件供電至關(guān)重要。轉(zhuǎn)換的結(jié)果可以是更高的電壓(升壓)、更低的電壓(降壓)或兩者兼有(降壓-升壓)。隨著電子系統(tǒng)日益復(fù)雜，DCDC直流-直流轉(zhuǎn)換器已成為有效電源管理不可或缺的設(shè)備。

二、DCDC直流電源的關(guān)鍵組件

DCDC電源通常由幾個(gè)關(guān)鍵元件組成，它們共同作用促進(jìn)電壓轉(zhuǎn)換：

1. DCDC直流電源的輸入級(jí)： 這是連接DCDC直流電源輸入直流電壓的地方。直流電壓可能來(lái)自各種來(lái)源，如工業(yè)用電、電池或太陽(yáng)能電池板。

2. DCDC直流電源的開(kāi)關(guān)元件： 這通常是一個(gè)晶體管，可快速開(kāi)啟和關(guān)閉，控制電路中的能量流。開(kāi)關(guān)頻率對(duì)效率和性能至關(guān)重要。

3. DCDC直流電源的儲(chǔ)能元件： 電感器和電容器通常用于在開(kāi)關(guān)過(guò)程中儲(chǔ)存能量。電感器在降壓和升壓轉(zhuǎn)換器中尤為重要，因?yàn)樗鼈冇兄谡{(diào)節(jié)電流。

4. DCDC直流電源的輸出級(jí)： 能量轉(zhuǎn)換后，輸出級(jí)將調(diào)節(jié)后的電壓輸送到負(fù)載。它通常包括濾波器，以消除輸出電壓中的任何波紋。