DC-DC-1---DCDC的原理及構成

1.什么是DC-DC

開關穩壓器，英文(regulatior)，有人叫它調節器、穩壓源。實現穩壓，就是需要控制系統(負反饋)，從自動控制理論中我們知道，當電壓上升的時候通過負反饋把它降低，當電壓下降的時候就把它升上去，這樣形成了一個控制環路,圖1-1是降壓型DCDC的結構。控制單元主要有PWM(脈寬控制方式)，PFM(頻率控制方式)、移相控制方式等。儲能元件常用為電感和電容(電荷泵)。

圖1-1：降壓型DCDC的內部結構

當開關元件導通時，輸入能量從輸入電容Cin，通過開關元件--->儲能元件--->輸出電容Cout--->負載RLOAD，此時儲能元件同時也在儲存能量，可以得到加在電感上的電壓為：Vin-Vout=L*di/dton。

當開關元件關閉時，Vin不再提供能量，能量通過續流回路補充，從儲能元件L存儲的能量--->輸出電容Cout--->負載RLOAD--->續流元件。此時可得式：L*di/dtoff= Vout，最后我們可以得出Vout/Vin=D，而Vout 永遠是小于Vin 的，因為占空比D≤1，圖1-2顯示了占空比對Vout大小的影響。如下是各個器件的功能：

圖1-2：占空比對Vout的大小影響

1、輸入電容(Cin) 用于使輸入電壓平穩;

2、輸出電容(Cout) 負責使輸出電壓平穩(平滑);

3、箝位二極管(D1) 在開關開路時為電感器提供一條電流通路;

4、電感器(L1) 用于存儲即將傳送至負載的能量。

2.DC-DC的類型和拓撲

1.降壓型DC-DC

圖1-3：降壓型

2.升壓型DC-DC

圖1-4：升壓型

3.反相型DC-DC

圖1-5：反相型

4.升-降壓型DC-DC

圖1-6：升-降壓型

3.伏秒定律

無論是哪一種DC-DC，最核心的工作原理是伏秒定律，也叫伏秒原則，伏秒平衡。在穩態工作的開關電源中電感兩端的正伏秒值等于負伏秒值。伏秒數也稱為伏秒積，即電感兩端的電壓V和開關動作時間T二者的乘積。

當開關電源電路處于穩態工作時，一個開關周期內電感的電流變化量最終為零(電流穩定)，即開關導通時通過電感的電流增加量和開關斷開時電感的電流減少量是相等的。換句話說，處于穩定工作狀態的開關電路中，一個周期因開關作用被分為兩段，其中開關導通時間內電感電流在增加，開關關斷時間內電感電流在減少，那么在一個周期內，電流的增加量與電流的減少量是相等的，即：ΔIon=ΔIoff。那么加在電感兩端的電壓乘以導通時間等于關斷時刻電感兩端電壓乘以關斷時間，或指在穩態工作的開關電源中電感兩端的正伏秒值等于負伏秒值。在一個周期T內，電感電壓對時間的積分為0，任何穩定拓撲中的電感都是傳遞能量而不消耗能量，都會滿足伏秒平衡原理。伏秒原則可以保證電感不會出現偏磁現象，不會出現飽和。分析開關電源中電容和電感的幾條原則：電容兩端的電壓不能突變 (當電容足夠大時,可認為其電壓不變);電感中的電流不能突變 (當電感足夠大時,可認為其電流恒定不變);流經電容的電流平均值在一個開關周期內為零;電感兩端的伏秒積在一個開關周期內必須平衡。如下是推導過程：

開關導通時，電感電壓Von=L×?Ion/?Ton

開關閉合時，電感電壓Voff=L×?Ioff/?Toff

因為一個周期內電流的變化量相等，所以Von×Ton=Voff×Toff，因為Ton和Toff決定開關調節的占空比，所以可以推出降壓，升壓，升降壓拓撲的輸入，輸出和占空比的關系：

降壓：Vout = Vin ● D

升壓：Vout = Vin / (1-D)

升降壓：Vout = Vin ● D / (1-D)

由于D的大小和電子元器件的限制，實際降壓不能無限降，升壓不能無限升。