一、DCDC開(kāi)關(guān)電源原理
定義：DC-DC 開(kāi)關(guān)電源是一種將直流電壓轉(zhuǎn)換為另一種直流電壓的電源裝置，其原理基于開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與截止，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。

按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類

• buck 型（降壓型）
  • 原理 ：通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，將輸入電壓降低到所需的輸出電壓。在導(dǎo)通期間，電源向負(fù)載和儲(chǔ)能電感充電；在截止期間，儲(chǔ)能電感釋放能量維持負(fù)載電流。
  • 特點(diǎn) ：輸出電壓低于輸入電壓，效率較高，輸出電流紋波相對(duì)較小，常用于對(duì)電壓穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合，如電腦主板、手機(jī)充電器等。
• boost 型（升壓型）
  • 原理 ：當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，儲(chǔ)能電感儲(chǔ)存能量；開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，電感中儲(chǔ)存的能量與輸入電壓疊加，使輸出電壓高于輸入電壓。
  • 特點(diǎn) ：輸出電壓高于輸入電壓，可用于將低電壓電源轉(zhuǎn)換為高電壓電源，如汽車電子中的電源升壓模塊、太陽(yáng)能電池板的升壓電路等。但輸出電流能力相對(duì)較弱，且輸出電壓紋波較大。
• buck - boost 型（升降壓型）
  • 原理 ：通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和截止時(shí)間，使輸出電壓可高于或低于輸入電壓。在不同的工作模式下，儲(chǔ)能電感和電容的充放電過(guò)程不同，從而實(shí)現(xiàn)電壓的升降壓轉(zhuǎn)換。
  • 特點(diǎn) ：能實(shí)現(xiàn)升降壓功能，靈活性較高，但電路復(fù)雜度較高，效率相對(duì)較低，輸出電壓和電流紋波較大。常用于一些對(duì)電源電壓要求靈活可變的設(shè)備中，如便攜式電子設(shè)備的電源管理電路。
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    這里繼續(xù)上篇文章，上次我們對(duì)Boost電路的工作原理進(jìn)行了分析，加下來(lái)我們對(duì)Buck-Boost電路進(jìn)行一起分析和學(xué)習(xí)。

二、工作原理

Buck/Boost變換器，亦被稱為升降壓式變換器，是一種獨(dú)特的不隔離直流變換器。其輸出電壓既可低于亦可高于輸入電壓，且輸出電壓的極性與輸入電壓恰好相反。從結(jié)構(gòu)上看，Buck/Boost變換器可視為Buck變換器與Boost變換器的巧妙結(jié)合，通過(guò)串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)管的合并。以下為Buck/Boost轉(zhuǎn)換器的基本電路圖：

當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電流會(huì)直接流過(guò)電感并接地，而右端的輸出則主要依靠電容的放電來(lái)維持。在一般情況下，我們可以忽略Uq的壓降，因此Uon可以近似等于Ui。

當(dāng)開(kāi)關(guān)管處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，電感電流會(huì)從地線流向負(fù)載電阻R和電容C，經(jīng)過(guò)二極管后再次回到電感，完成一個(gè)能量釋放與電容充電的循環(huán)。在此過(guò)程中，由于二極管的壓降通常可以忽略，因此，我們可以近似認(rèn)為Uoff等于Uo。

由伏秒平衡原理，我們得到等式：Ui * TD = Uo * (Ts - TD)，經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)，可以得到以下結(jié)果。
接下來(lái)，我們探討如何通過(guò)調(diào)整輸出電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)降壓或升壓的效果。這關(guān)鍵在于控制開(kāi)關(guān)管的PWM波占空比。當(dāng)占空比超過(guò)一半時(shí)，將實(shí)現(xiàn)升壓效果；而降低占空比則會(huì)導(dǎo)致降壓。
三|、總結(jié)

經(jīng)過(guò)上述的探討，我們了解到通過(guò)調(diào)整輸出電壓，可以實(shí)現(xiàn)降壓或升壓的效果。這種調(diào)整的關(guān)鍵在于對(duì)開(kāi)關(guān)管的PWM波占空比進(jìn)行精確控制。當(dāng)占空比超過(guò)50%時(shí)，系統(tǒng)將呈現(xiàn)出升壓的特性；相反，降低占空比則會(huì)導(dǎo)致降壓。這一發(fā)現(xiàn)為我們提供了在電路設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)電壓靈活調(diào)整的重要依據(jù)。

1. Buck-Boost電路，一種既能降壓也能升壓的斬波器，其輸出平均電壓U0可以大于或小于輸入電壓Ui，但極性相反，通過(guò)電感進(jìn)行傳輸。BUCK-BOOST型DC-DC轉(zhuǎn)換器的公式為Vo=(-Vi)*D/(1-D)。
2. 開(kāi)關(guān)管，通常選用功率三極管或功率MOS管，其通斷由PWM波信號(hào)控制。
3. 電感，在此電路中扮演儲(chǔ)能角色。在儲(chǔ)能與釋能過(guò)程中，電感的正負(fù)極會(huì)發(fā)生變化。需注意，流經(jīng)電感的電流無(wú)法突變，只能逐漸變化。
4. 二極管，主要用于限流。
5. 電容，主要起濾波作用。
6. 電阻，作為負(fù)載使用。
   在布局和布線時(shí)，還需注意以下幾點(diǎn)：

• DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率管腳應(yīng)大面積鋪銅以減少電源溫升。
• 根據(jù)載流原則處理好輸入和輸出主回路，并注意鋪銅的通流能力和過(guò)孔數(shù)量。
• 反饋線應(yīng)避免繞著電感L走。
• 開(kāi)關(guān)電源芯片及其電感下方應(yīng)盡量避免布局其他信號(hào)線。
• 二極管續(xù)流回路應(yīng)盡可能短以減少損耗。
• DC-DC芯片的散熱焊盤(pán)上需打矩陣過(guò)孔以增強(qiáng)散熱效果。
• 布局要緊湊且輸入輸出主干道宜采用“一”字型或“L”型布局方式以提高效率。
• 關(guān)鍵濾波電容的放置要合理遵循先大后小的原則以確保穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。
• 輸出供電電源應(yīng)從輸出電容取電以保證供電穩(wěn)定性。
• 對(duì)于多路輸出的開(kāi)關(guān)電源應(yīng)盡量使相鄰電感垂直分布以減少磁場(chǎng)干擾。

此外，在選擇時(shí)還需綜合考慮DC-DC與LDO的優(yōu)缺點(diǎn)以便選出最適合的轉(zhuǎn)換器類型。
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的效率通常高達(dá)80%以上，然而其輸出紋波電壓相對(duì)較高，導(dǎo)致噪聲較大，進(jìn)而影響電壓調(diào)整率等關(guān)鍵性能。特別是在為模擬電路供電時(shí)，這種影響將更為顯著。

DC-DC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)包括高效率、寬輸入電壓范圍以及強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)力。然而，它相較于LDO，負(fù)載響應(yīng)稍顯遜色，且輸出紋波較大。另一方面，LDO以其快速的負(fù)載響應(yīng)、出色的穩(wěn)定性和低輸出紋波而聞名。但遺憾的是，其效率較低，且輸入與輸出的電壓差、驅(qū)動(dòng)能力以及負(fù)載能力均有限。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮這些優(yōu)缺點(diǎn)來(lái)選擇合適的器件。

在同等條件下，LDO的體積通常會(huì)比DC-DC更大。這主要是因?yàn)長(zhǎng)DO的轉(zhuǎn)換率較低，導(dǎo)致其耗散功率和發(fā)熱量均高于DC-DC。因此，在設(shè)計(jì)中必須考慮散熱問(wèn)題，這往往使得LDO的體積在相同條件下比DC-DC稍大一些。

審核編輯 黃宇