關于DC-DC的那些事兒

1前言

直流變直流電路(DC-DC Converter)，也叫斬波電路(DC Chopper)。能將一種直流電源變換成另一種具有不同輸出特性的直流電源的電路，是開關電源的核心。跟交交變換一樣，直流變直流也分為直接直流變流電路和間接直流變流電路。我們一般按照電路拓撲的不同，將其分為不帶隔離變壓器的和帶隔離變壓器的DC-DC變換器。分類如下：

不帶隔離變壓器的：降壓(Buck)變換器、升壓(Boost)變換器、升降壓(Buck-Boost)變換器和丘克(Cuk)變換器等。

帶隔離變壓器的：反激式(Flyback)變換器、正激式(Forward)變換器、推挽式(Push-Pull)變換器和橋式(Bridge)等。

其中，Buck電路和Boost電路是DC-DC變換器最基本的兩種拓撲形式。 DC-DC變換器的主要功能是變換直流電壓等級，隔離變壓器則根據實際情況進行選取，其基本作用是輸入輸出之間的隔離，也可以進行變壓用。無論哪一種DC-DC變換器，主回路使用的元器件都是功率半導體、電感、電容。目前使用的開關器件主要有MOSFET、IGBT以及二極管等。電感和電容則是存儲和傳遞電能的元件。

DC-DC變換器的基本手段是通過控制開關器件的通斷，使帶有濾波器的負載和直流電源一會兒接通，一會兒斷開，從而在負載上得到另一個等級的電壓。

其具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、電路形式多樣等優(yōu)點，在信息、航天、家電、軍事、交通等各個領域得到普遍應用。可以說DC-DC變換器無處不在了。

接下來，我們就一起慢慢地聊一聊DC-DC的那些事兒~

2降壓(Buck)

降壓電路，顧名思義，就是將一個原本比較高的電壓轉換成電壓較低的電路，即輸出電壓小于等于輸入電壓的單管非隔離直流變換電路。

基本電路拓撲如下：

Buck電路的主電路是由開關管T、二極管D、輸出濾波電感L和輸出濾波電容C構成的，電源是電壓源性質，負載則為電流源性質。

為了便于我們分析，這里我們設定了幾個前提：

①開關管、二極管均認為是理想器件，即在導通時沒有導通壓降，截止時沒有漏電流(當然，實際情況中，有必要考慮這些因素的);

②電感、電容也認為是理想器件。電感工作在線性區(qū)并且未飽和，寄生電阻為零，電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)也為零;

③輸出電壓中的紋波電壓和輸出電壓的比值很小，可以忽略。

首先，我們定義一個比較重要的參數(shù)，占空比。即開關管導通時間ton和開關周期Ts的比值，用Dc表示。

Dc=ton/Ts

根據電感電流是否連續(xù)，Buck變換器有三種工作模式——連續(xù)導電模式(CCM)、不連續(xù)導電模式(DCM)和臨界狀態(tài)(BCM)。電感電流連續(xù)是指輸出濾波電感L的電流總大于零，電感電流斷續(xù)是指在開關管關斷期間有一段時間流過電感的電流為零。在這兩種工作模式之間便是電感電流臨界連續(xù)狀態(tài)，即在開關管關斷期末，濾波電感的電流剛好降為零。

Buck變換器連續(xù)導電模式

(1)

當開關管T導通時，續(xù)流二極管反向偏置截止，電容開始重電，直流電壓源Us通過電感L向負載傳遞能量。此時，電感電流iL線性增長，存儲的磁場能量也逐步增加。負載R流過電流Io，兩端輸出電壓Uo上正下負。在一個開關周期Ts內開關管T導通的時間為ton。

(2)

當開關管T關斷時，由于電感電流iL不能突變，所以iL通過二極管D續(xù)流，電感電流隨之逐漸減小，電感上的能量逐步消耗在負載上，iL降低，L上儲存的能量減小。電感電流減小時，電感兩端的電壓UL改變極性，二極管D承受正向偏壓而導通，構成了續(xù)流回路，負載R兩端的電壓仍保持上正下負。當iL

在穩(wěn)態(tài)分析中，假定輸出端濾波電容很大，我們可以認為輸出電壓是平直的。同樣，由于穩(wěn)態(tài)時，電容的平均電流為零，是因為Buck變換器中電感平均電流等于平均輸出電流Io。在連續(xù)導電模式下，電感電流不會減小到0，前一個周期結束時刻和下一個周期開始時刻電流是連續(xù)的。

工作波形如下圖所示

穩(wěn)態(tài)工作的情況下，我們可以得出輸入與輸出的關系。開關管T導通時，電源電壓通過T加到二極管D兩端，二極管反向截止。電流流過電感，穩(wěn)態(tài)時輸入輸出電壓保持不變，則電感兩端電壓極性為左正右負，忽略管壓降，則有uL=Us-Uo。由于儲能電感的時間常數(shù)遠大于開關周期Ts，所以在該電壓作用下輸出濾波電感中的電流iL可以近似認為是線性增長，知道t1時刻，iL達到最大值ILmax。電感電流線性上升的增量為：