?DCDC降壓電源的工作原理?基于開關(guān)電源技術(shù)，主要通過開關(guān)器件(如MOSFET)的導(dǎo)通和截止來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關(guān)管、電感、續(xù)流二極管和濾波電容等。

工作原理

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

?開關(guān)管截止?：當(dāng)開關(guān)管截止時，電感通過續(xù)流二極管繼續(xù)導(dǎo)電，電流通過二極管流向負(fù)載RL，同時電感放電。此時，電感兩端的電壓反向，電流呈線性下降?12。

?周期性開關(guān)?：開關(guān)管周期性地導(dǎo)通和截止，電感在充電和放電過程中儲存和釋放能量，從而在負(fù)載RL上產(chǎn)生所需的低壓直流電。通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通時間(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

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

?電感?：儲存和釋放能量，抑制電流變化。

?續(xù)流二極管?：在開關(guān)管截止時提供電流回路，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)用場景

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

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

?通信設(shè)備?：在移動通信設(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.雙開關(guān)型升-降壓

升-降壓型一般有兩種拓?fù)洌弘p開關(guān)型(圖5-1)和四開關(guān)型(圖5-2)，從雙開關(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)注反相這個屬性時(負(fù)電壓)，取Vout絕對值：

當(dāng)D=0.5時，Vout=Vin;當(dāng)D<0.5時，Vout0.5時，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)渲校斎腚娏骱洼敵鲭娏鞫家驯粓?zhí)行“斬波”，也就是說這些電流之間是不連續(xù)的，而且轉(zhuǎn)換時間非常短(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更多。對于這些問題，可以通過適當(dāng)大小的輸出電容器或后置穩(wěn)壓濾波器來解決。

圖5-1：雙開關(guān)型升-降壓拓?fù)?

開關(guān)管導(dǎo)通，S2截止，電感器儲能，電流回路為：輸入VIN--->S1--->電感器L

開關(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

2.四開關(guān)型升-降壓

四開關(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，就變?yōu)榻祲和負(fù)?DC-DC-2：降壓型的工作原理)，此時S1為上管;當(dāng)S1保持打開導(dǎo)通時，就變?yōu)樯龎和負(fù)?DC-DC-3：升壓型的工作原理)，此時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來作續(xù)流元件，即同步模式)

圖5-2：四開關(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，處理這些情況有兩種方式：或是降壓和升壓級同時有效，或是開關(guān)循環(huán)在降壓和升壓級之間交替，每個通常以正常開關(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，但與同時有效方式相比，因?yàn)闇p少了開關(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，工作在降壓模式，當(dāng)輸入電壓小于輸出電壓時工作在升壓模式。當(dāng)輸入電壓接近輸出電壓時，交替地以一周期降壓和一周期升壓模式操作。開關(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關(guān)功率損耗，建議將開關(guān)頻率設(shè)置在500kHz以下。如果系統(tǒng)需要高于500kHz的較高開關(guān)頻率，建議設(shè)置較低的開關(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]有LC濾波器。對于降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，可以分別使用降壓和升壓功率級計(jì)算。具有兩個開關(guān)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器適用于50W至100W之間的功率范圍(雙開關(guān)型)，同步整流功率可達(dá)400W(四開關(guān)型)。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。另外需要為升壓級設(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)問題)會限制穩(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)從一個電壓電平轉(zhuǎn)換到另一個電壓電平的過程中發(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。這一過程對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： 這是連接DCDC直流電源輸入直流電壓的地方。直流電壓可能來自各種來源，如工業(yè)用電、電池或太陽能電池板。

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

3. DCDC直流電源的儲能元件： 電感器和電容器通常用于在開關(guān)過程中儲存能量。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： 能量轉(zhuǎn)換后，輸出級將調(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。