DC-DC變換電路基礎(chǔ)

1、最基本的斬波電路如圖1所示，斬波器負(fù)載為R。當(dāng)開關(guān)S合上時(shí)，UOUT=UR=UIN，并持t1時(shí)間。當(dāng)開關(guān)切斷時(shí)UOUTUR0，并持續(xù)莎2時(shí)間，Tt1t2為斬波器的工作周期，斬波器的輸出波形如圖1（b）所示。定義斬波器的占空比Dt1T，t1，為斬波器導(dǎo)通時(shí)間，T為通斷周期。通常斬波器的工作方式有兩種：一是脈寬調(diào)制工作方式，即維持t1不變，改變T；二是脈頻調(diào)制工作方式，即維持T不變，改變t1。當(dāng)占空比D從0變到1時(shí)，輸出電壓的平均值從零變到UIN，其等效電阻也隨著D而變化。 圖1 降壓斬波電路原理在高頻穩(wěn)壓開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中，普遍采用的是脈寬調(diào)制方式。因?yàn)轭l率調(diào)制方式容易產(chǎn)生諧波干擾，而且

2、其濾波器設(shè)計(jì)也比較困難。（1）降壓式（Buck）DCDC變換器如圖1所示的直流變換器在使用時(shí)的輸出紋波較大，為降低輸出紋波，可在輸出端接入電感L、電容C，如圖2所示。圖中的VD1為續(xù)流二極管。降壓（Buck）式變換器的輸出電壓平均值UOUT總是小于輸入電壓UIN。電路中通過電感的電流（iL）是否連續(xù)，取決于開關(guān)頻率、濾波電感L和電容C的數(shù)值。圖2 降壓式（Buck）變換器當(dāng)電路工作頻率較高時(shí)，若電感和電容量足夠大并為理想元件，則電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，可以認(rèn)為輸出電壓為常數(shù)。當(dāng)晶體管VT1導(dǎo)通時(shí)，電感中的電流呈線性上升，因而有式中，ton為晶體管導(dǎo)通時(shí)間；iOUT（max）為輸出電流的最大值；iOUT

3、（min）為輸出電流的最小值；ion為晶體管導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)的輸出電流變量。當(dāng)晶體管截止時(shí)，電感中的電流不能突變，電感上的感應(yīng)電動(dòng)勢使二極管導(dǎo)通，這時(shí)式中，toff為晶體管截止時(shí)間；ioff為晶體管截止時(shí)間內(nèi)的輸出電流變量。在穩(wěn)態(tài)時(shí)式中，i為輸出電流變量。因?yàn)殡姼袨V波保持了直流分量，消除了諧波分量，故輸出電流平均值為式中，R為負(fù)載電阻。（2）升壓式（Boost）DCDC變換器 圖3為升壓式DCDC變換器，它由功率晶體管VT1、儲(chǔ)能電感L、二極管VD1及濾波電容C組成。當(dāng)功率晶體管導(dǎo)通時(shí)，電源向電感儲(chǔ)能，電感電流增加，感應(yīng)電動(dòng)勢為左正右負(fù)，負(fù)載Z由電容C供電。當(dāng)VT1截止時(shí)，電感電流減小，感

4、應(yīng)電動(dòng)勢為左負(fù)右正，電感釋放能量，與輸人電壓一起順極性經(jīng)二極管向負(fù)載供電，并同時(shí)向電容充電。這樣就把低壓直流變換成了高壓直流。在電感電流連續(xù)的條件下，電路工作于如圖3（b）所示的兩種狀態(tài)。圖3 升壓式（Boost）DCDC變換器當(dāng)晶體管導(dǎo)通、二極管截止（即0tt1）期間，t10DT。t0時(shí)刻，VT1導(dǎo)通，電感中的電流按直線規(guī)律上升，UINLIt1。當(dāng)晶體管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂梗磘1tT）期間，電感電流不能突變，電感上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢會(huì)迫使二極管導(dǎo)通，此時(shí)則 式中，I為輸入電流變量。將t1DT，t2（1 D）T代入上式，則求得Boost DCDC變換器是一個(gè)升壓斬波器。當(dāng)D從0趨近于1時(shí)，UOUT從

5、UIN變到任意大。同理可求得輸入電流式中，I 為輸入電流；f 為開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率。若忽略負(fù)載電流脈動(dòng)，那么在0，t1期間，電容上泄放的電荷量反映了電容峰-峰電壓的脈動(dòng)量，即輸出電壓Uo的脈動(dòng)量。（3）單端正激式DCDC變換器單端正激式DCDC變換器的電路拓?fù)淙鐖D4所示。圖中的變壓器T1起隔離和變壓的作用，在輸出端要加一個(gè)電感器Lo（續(xù)流電感）起能量的儲(chǔ)存及傳遞作用，變壓器初級(jí)需有復(fù)位繞組Nro。在實(shí)際使用中，此繞組也可用R、C、VD吸收電路取代。如果芯片的輔助電源用反激供給，則也可削去調(diào)整管的部分峰值電壓（相當(dāng)于一部分復(fù)位繞組）。輸出回路需有一個(gè)整流二極管VD1和一個(gè)續(xù)流二極管VD2若變壓器使用無

6、氣隙的磁芯，則其銅損較小，變壓器溫升較低，并且其輸出的紋波電壓較小。圖4 單端正激式DCDC變換器的電路拓?fù)鋱D（4）單端反激式DCDC變換器單端反激式DCDC變換器的電路拓?fù)淙鐖D5所示。其變壓器T1起隔離和傳遞儲(chǔ)存能量的作用，即在開關(guān)管VT開通時(shí)Np儲(chǔ)存能量，開關(guān)VT關(guān)斷時(shí)Np向Ns釋放能量。在輸出端需加由電感器Lo和兩個(gè)電容Co組成的低通濾波器，變壓器初級(jí)有由Cr、Rr和VDr組成的R、C、VD漏感尖峰吸收電路。輸出回路需有一個(gè)整流二極管VD1。若變壓器使用有氣隙的磁芯，則其銅損較大，變壓器溫度相對(duì)較高，并且其輸出的紋波電壓比較大。該變換器的優(yōu)點(diǎn)就是電路結(jié)構(gòu)簡單，適用于200W以下的電源，輸

7、出為多路時(shí)具有較好的交調(diào)特性。圖5 單端反激式DCDC變換器的電路拓?fù)鋱D（5）雙管正激式DCDC變換器雙管正激式DCDC變換器的電路拓?fù)淙鐖D6所示。圖中的變壓器T1起隔離和變壓的用用，在輸出端要加一個(gè)電感器Lo（續(xù)流電感）起能量的儲(chǔ)存及傳遞作用，變壓器初級(jí)無再有復(fù)位繞組，因?yàn)閂D1、VD2的導(dǎo)通限制了兩個(gè)調(diào)整管關(guān)斷時(shí)所承受的電壓。輸出回路需有一個(gè)整流二極管VD3和一個(gè)續(xù)流二極管VD4（其中VD3、VD4最好均選用恢復(fù)時(shí)間快的整流管）。輸出濾波電容Co應(yīng)選擇低ESR（等效電阻）、大容量的電容，這樣有利于降低紋波電壓（對(duì)于其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的也是這樣要求的）。雙管正激式DCDC變換器的工作特點(diǎn)如下。圖6

8、 雙管正激式DCDC變換器的電路拓?fù)鋱D在任何工作條件下，為使兩個(gè)開關(guān)管所承受的電壓不會(huì)超過UIN、Ud（UIN為輸入電壓；Ud為VD1、VD2的正向壓降），VD1、VD2必須是快恢復(fù)管（恢復(fù)時(shí)間越短越好，在實(shí)際設(shè)計(jì)和調(diào)試中多使用MUR460）。 與單端正激式DCDC變換器相比，它無須復(fù)位電路，這有利于簡化電路和變壓器的設(shè)計(jì)；其功率器件可選擇較低的耐壓值；其功率等級(jí)也會(huì)很大。兩個(gè)開關(guān)管的工作狀態(tài)一致，會(huì)同時(shí)處于通態(tài)或斷態(tài)。在大功率等級(jí)電源中選用此種電路，其開關(guān)管比較容易選擇，比如選擇IRFP460、IRFP460A等作為開關(guān)管即可。（6）雙管反激式DCDC變換器雙管反激式DCDC變換器

9、的電路拓?fù)淙鐖D7所示。圖中的變壓器T1起隔離和傳遞儲(chǔ)存能量的作用，即在開關(guān)管VT1、VT2開通時(shí)Np儲(chǔ)存能量，開關(guān)管VT1、VT2關(guān)斷時(shí)Np向Np釋放能量，同時(shí)Ns的漏感將通過VD1、VD2返回給輸入，可省去R、C、VD漏感尖峰吸收電路。在輸出端要加由電感器Lo和兩Co電容組成的低通濾波器。輸出回路需有一個(gè)整流二極管VD3。雙管反激式DCDC變換器的工作特點(diǎn)如下。圖7 雙管反激式DCDC變換器的電路拓?fù)鋱D在任何工作條件下，為使兩個(gè)開關(guān)管所承受的電壓不會(huì)超過UINUd（Ud為VD1，VD2的正向壓降），VD1、VD2必須是快恢復(fù)管。在反激開始時(shí)，儲(chǔ)存在原邊Np的漏電感能量會(huì)經(jīng)VD1、VD2反饋回

10、輸入端，系統(tǒng)能量損失小，效率高。與單端反激式變換器相比，它無須R、C、VD吸收電路；其功率器件可選擇較低的耐壓值；其功率等級(jí)也會(huì)很大。在輕載時(shí)，如果在“開通”周期儲(chǔ)存在變壓器的原邊繞組的能量顯得過多，那么在“關(guān)斷”周期會(huì)將過多的能量反饋回輸入端。兩個(gè)開關(guān)管的工作狀態(tài)一致，下管的波形會(huì)優(yōu)于上管的波形。（7）半橋式DCDC變換器半橋式DCDC變換器的電路拓?fù)淙鐖D8所示。圖中的變壓器T1，起隔離和傳遞能量的作用。開關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)，Np繞組上承受一半的輸入電壓，副邊繞組電壓使VD1導(dǎo)通；反之亦然。輸出回路VD1，VD2，Lo，Co共同組成了整流濾波電路。圖8 半橋式DCDC變換器的電路拓?fù)鋱D此電路減

11、小了原邊開關(guān)管的電壓應(yīng)力，所以是目前比較成熟和常見的電路；有70以上的計(jì)算機(jī)電源、60的電子鎮(zhèn)流器都使用此電路。半橋式DCDC變換器的工作特點(diǎn)如下。兩個(gè)調(diào)整管都是相互交替打開的，所以兩組驅(qū)動(dòng)波形的相位差要大于180°，且存在一定的死區(qū)時(shí)間。C1C3、R1=R2。C1、C2主要用來自動(dòng)平衡每個(gè)開關(guān)管的伏秒值。許多半橋DCDC變換器的C1、C2多選用高壓鋁電解電容。因?yàn)殇X電解電容存在一個(gè)高頻特性的問題，在實(shí)際應(yīng)用中可采用CBB電容。C3主要用來濾去影響伏秒平衡的直流分量，應(yīng)采用CBB電容。（8）全橋式DCDC變換器全橋式DCDC變換器的電路拓?fù)淙鐖D9所示。全橋式DCDC變換器多用于大功率等級(jí)電源中，其主要特點(diǎn)如下。圖9 全橋式DCDC變換器的電路拓?fù)鋱D變壓器的利用率比較高，空載能量可以反饋回電網(wǎng)，電源效率高。穩(wěn)態(tài)無靜差，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，系統(tǒng)穩(wěn)定，抗高頻干擾能力強(qiáng)。（9）推挽式DCDC變換器推挽式DCDC變換器的電路拓?fù)淙鐖D10所示。圖中的變壓器T1起隔離和傳遞能量的作用。在開關(guān)管VT1開通時(shí)，變壓器T1的Np1繞組工作并耦合到副邊Ns1繞組，開關(guān)管VT關(guān)斷時(shí)NNp1向Ns1釋放能量；反之亦然。在輸出端由續(xù)流電感器Lo和VD1、VD2構(gòu)