DC-DC轉(zhuǎn)換器工作原理

在現(xiàn)代電子設(shè)備中，電源管理模塊扮演著至關(guān)重要的角色。其中，DC-DC轉(zhuǎn)換器作為一種高效的電源轉(zhuǎn)換器件，被廣泛應(yīng)用于各種需要穩(wěn)定、高效電源供應(yīng)的場合。那么，DC-DC轉(zhuǎn)換器是如何工作的呢?本文將為您揭開DC-DC轉(zhuǎn)換器工作原理的神秘面紗。

一、DC-DC轉(zhuǎn)換器概述

DC-DC轉(zhuǎn)換器，即直流-直流轉(zhuǎn)換器，是一種將一個直流電壓轉(zhuǎn)換為另一個直流電壓的電子設(shè)備。它的工作原理是通過開關(guān)管(如MOSFET、IGBT等)的高速開關(guān)動作，將輸入的直流電壓斬波成脈沖波形，再經(jīng)過濾波電路得到所需的穩(wěn)定直流輸出電壓。

二、DC-DC轉(zhuǎn)換器工作原理

1.開關(guān)管斬波：當開關(guān)管導(dǎo)通時，輸入電壓加在電感L上，電感L開始儲能;當開關(guān)管關(guān)斷時，電感L通過續(xù)流二極管D釋放能量，將電能傳遞給負載。這樣，輸入電壓就被斬波成了脈沖波形。

2.濾波電路：脈沖波形經(jīng)過由電感L和電容C組成的濾波電路后，高頻分量被濾除，得到了較為平滑的直流輸出電壓。

3.反饋與控制：為了保持輸出電壓的穩(wěn)定，DC-DC轉(zhuǎn)換器通常會設(shè)置一個反饋回路。輸出電壓的一部分被采樣并與預(yù)設(shè)的目標電壓進行比較，產(chǎn)生的誤差信號經(jīng)過放大后控制開關(guān)管的占空比，從而調(diào)整輸出電壓的大小。

三、DC-DC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢

1.高效能：由于采用了開關(guān)電源技術(shù)，DC-DC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率非常高，一般可達80%~95%，大大降低了能源浪費。

2.小體積：與傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器相比，DC-DC轉(zhuǎn)換器具有更小的體積和重量，便于集成和安裝。

3.寬輸入電壓范圍：DC-DC轉(zhuǎn)換器可以適應(yīng)較寬的輸入電壓范圍，提高了電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4.保護功能：現(xiàn)代DC-DC轉(zhuǎn)換器通常還具有過壓、過流、過熱等保護功能，有效保護了電源系統(tǒng)和負載設(shè)備的安全。

總之，DC-DC轉(zhuǎn)換器作為一種高效、穩(wěn)定的電源轉(zhuǎn)換器件，在現(xiàn)代電子設(shè)備中發(fā)揮著不可替代的作用。了解其工作原理有助于我們更好地選擇和使用DC-DC轉(zhuǎn)換器，為電子設(shè)備提供穩(wěn)定、可靠的電源保障。

之前也寫過一篇關(guān)于DC-DC轉(zhuǎn)換原理的文章，個人覺得有點解釋不清，可能初學(xué)者讀了之后會云里霧里，不知道表達的是什么，所以想再用一種雖然很簡單，但卻很詳細的方法再次介紹一下DC-DC的轉(zhuǎn)換原理，當然我說了是針對初學(xué)者，大佬們自行忽略。想要熟練的設(shè)計應(yīng)用一些DC-DC功率IC的話掌握最基本的原理，那是無可厚非了，那我就開始班門弄斧了，如果有寫的不對的地方，希望有專業(yè)的大佬給予指正。

首先因為電感在電路中的連接方式導(dǎo)致DC-DC電路分三種基本類型，那就是我們熟知的《升壓轉(zhuǎn)換電路》《降壓轉(zhuǎn)換電路》《升降壓轉(zhuǎn)換電路》那哪種情況下會用到這三種電路中的哪一種呢?其實這個很簡單，如果前端的輸入電壓比負載端的電壓低的時候，我們需要驅(qū)動負載的話，那我們肯定選擇升壓電路，前端電路的輸入電壓比負載電壓高的話，那就選擇降壓電路，也存在一種情況就是說如果前端輸入電壓是一個寬泛的范圍，后端的負載電壓也可能存在一個寬泛的范圍，那可能有時候需要降壓，有時候需要升壓，那就當然選擇升降壓電路。

我們以升壓電路為例，說明一下原理：首先了解一下伏秒定律，電感復(fù)位 占空比這幾個名詞，因為這三種電路中存在一種必不可少的電子元器件 那就是電感。電感方程：V=L*△I/△t，電感的電壓與電感值以及電流變化值，時間的關(guān)系式。這個公式很重要。電感會充電也會放電，那么電感在DC-DC轉(zhuǎn)換電路中需要達到穩(wěn)態(tài)，也就是電感復(fù)位這個詞，穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下的充電時電感電流(能量)增量必然會等于電感放電時的電感電流減量,△Ion=△Ioff,這里的on 跟off 代表電感的充電放電的兩個過程，也就是下圖中的State1和State2，IDC為電流的直流分量,也就是平均電感電流。IPP為紋波電流，也就是電感公式中所提到的△I。

下面會結(jié)合升壓電路再進行講解，V=L*△I/△t，△Ion=△Ioff由這個兩個公式結(jié)合起來推導(dǎo)出Von*ton=Voff*toff 也就是上面所提到的伏秒定律，電感電壓與電壓的作用時間的乘積叫伏秒積。導(dǎo)通階段的電感電壓與其作用時間的乘積必然會等于關(guān)斷階段電壓電壓與其作用時間的乘積，這就是伏秒定律的定義。

什么又是占空比呢?簡而言之就是在一個周期內(nèi)，開關(guān)導(dǎo)通時間占整個周期的比率。D=tON/(tON+tOFF) 那么這個公式結(jié)合伏秒定律 VON×tON=VOFF×tOFF 又可以推導(dǎo)出新的公式D=tON/(tON+tOFF)=VOFF/(VOFF +VON)，如下圖高電平為TON，低電平為TOFF，一個周期為T。

了解了這幾個概念之后我們分析起這電路的原理，就水到渠成了，以升壓電路為例：

當開關(guān)閉合時，電源給電感充電，當開關(guān)斷開時，電感儲能放電，與電源一起給負載供電。伏秒定律Von*ton=Voff*toff這時候你可能會問?當開關(guān)閉合與開關(guān)斷開的時候Von與Voff都是多少呢?其實這個問題很簡單，相信著名的基爾霍夫電壓定律大家都了解。也就是閉合回路中所有壓降的代數(shù)為0，如果你不理解電感上的電壓Von跟Voff上的電壓都是多少的話，根據(jù)基爾霍夫電壓定律就幫你很好的解決了這個問題。很顯然，當開關(guān)管閉合的時候，閉合回路中只存在電感與電源,那么Von必然就等于電源電壓。

VON=VIN-VSW VON≈VIN 假設(shè)VSW相比足夠小當開關(guān)管斷開時，根據(jù)電壓定律 VOFF=VO+VD-VIN VOFF≈VO-VIN 假設(shè)VSW相比足夠小D=tON/(tON+tOFF)=VOFF/(VOFF +VON)D=(VO-VIN)/{(VO-VIN)+VIN }=(VO-VIN)/ VO→VIN=VO×(1-D)至此，推出了我們想要的公式VO 與VIN 的關(guān)系，最終達到升壓的目的。這個時候你一定會問，那電流呢?負載的電流跟電感的電流又是什么關(guān)系呢?電感電流中不僅有直流分量，還存在紋波電流，還有峰值電流的概念。電感的紋波電流△I=2IAC電感的直流分量IL=LDC峰值電流IP=IAC IDC

你一定會問那這三種電流概念對我們設(shè)計電路的時候都會有什么影響呢?在此先對與負載電流有直接關(guān)系的IDC進行分析，其他兩個概念以后再進行講解,直流電流IDC=電感平均電流IL，這里很容易理解，輸出電容的平均電流為0，在開關(guān)管ON的階段內(nèi)， 負載沒有通過電感向其提供電流，只有在開關(guān)OFF的時間階段內(nèi)，負載才有經(jīng)電感的電流，所以很容易推斷出即IDC=IO/(1-D)

說到這你肯定會問，由公式來看的話電感的平均到電流只跟負載的電流以及占空比有關(guān)系對嗎?那改變開關(guān)的頻率以及改變電感值會影響到電感的平均電流值嗎?由上圖也可以看出IDC為電感電流的斜坡中心，也有的人叫它基準電流，沒錯IDC的大小僅取決于能量流的需求，如果輸出功率不變，輸入輸出電壓不變也就是占空比不變的話，直流分量就不會發(fā)生改變。

也就是說改變電感值，以及開關(guān)頻率都不會影響電感的平均電感電流。實際的實驗也驗證了這一結(jié)論(該實驗數(shù)據(jù)引自精通開關(guān)電源設(shè)計)

對于DC-DC電路中電感的其他參數(shù)的定義解釋說明，下次再進行介紹，希望寫的這些對初學(xué)者有一定的幫助。水平有限，請大佬們多多指教。