工程師談電路：DC-DC變換器電路原理簡介

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主要介紹以下3種類型：

升壓電路，降壓電路，升降壓電路

先來說一下

DC/DC變換器一般都包括兩種基本工作模式：電感電流連續(xù)模式(CCM)、電感電流斷續(xù)模式(DCM)。簡單來說開關器件在負載電流較大的時都是工作CCM模式，但當隨著負載電流下降，如果電感負載電流進一步減小，電感將進入DCM工作模式。

下面對兩種電感模式下的升壓，降壓信號波形：

CCM：

DCM:

下面我將就CCM模式下 對三種變換電路類型進行原理分析，DCM模式下，原理類似在此就不重復講解：

降壓轉換電路

BUCK?變換器，也稱為降壓變換器，輸出電壓小于輸入電壓的降壓型直流變換器。

輸入電壓VIN到輸出電壓VO的轉換，該電路主要的電子元器件包括開關Q1?，二極管D1，以及儲能電感L1，濾波電容C1，負載RL組成。Q1的驅動信號為PWM脈沖信號。原理圖如下：

在CCM工作模式下：

PWM在Q1GATE端輸入脈沖信號，當PWM輸入高電平時，Q1導通，由于Q1的RDSON很小，所以可以忽略掉Q1的導通電壓，電流從電感中流過，形成回路如下圖所示，電感中的電流線性增加，加在電感兩端的電壓為VIN-VO,那么在TON時間內,TON為PWM輸入為高電平的時間，也就是開關管Q1處于導通狀態(tài)的的時間內，電感增加磁通量就為(VIN-VO)*TON

電感為儲能元器件，既能儲存能量，又能釋放能量。

PWM脈沖信號在Q1GATE端輸入低電平時，開關管Q1處于截止狀態(tài)，由于電感是儲能元期間通過它的電流不能突然發(fā)生變化，這個時候L1釋放的電流，電流具有連續(xù)性，形成如下圖的回路，電感減少的磁通量為VO*Toff，這里的Toff為PWM輸入為低電平的時間，也就是開關管Q1處于截止狀態(tài)的的時間。

當開關Q1與開關Q1閉合達到動態(tài)平衡時，(VIN-VO)*TON=VO*Toff? ?Vo = Vin×( Ton /(Ton + Toff) )?，占空比＜1，所以輸出電壓低于低于輸入電壓，這樣就實現(xiàn)了降壓的目的。

D=TON/(TON+Toff),D為PWM脈沖信號輸入的占空比。

升壓轉換器

BOOST變換器，也稱升壓變換器，是一種輸出電壓高于輸入電壓的直流變換器。原理圖如下：

在CCM工作模式下：

PWM在Q1 GATE端輸入脈沖信號，當PWM輸入高電平時，Q1導通，輸入電壓加到電感上， 形成如下圖的回路，電感的電流線性增加，電感增加的磁通量為 VIN*TON, 電感中儲存了能量， TON 為 PWM 脈沖信號輸入高電平，也就是開關管 Q1 導通的時間。

當PWM在Q1 GATE端輸入低電平時，開關管Q1處于斷開狀態(tài)，由于電感L1為儲能元器件，電感輸出電流輸出電流具有連續(xù)性，輸入電壓VIN疊加上儲能元器件電感上的感應電壓，經(jīng)過二極管給負載提供電壓，形成如下回路，這里的二極管有一個作用，就是防止開關管Q1導通時，被充電的電容器通過開關管Q1對地放電，這樣其實就達到了升壓的目的，由此當開關達到動態(tài)平衡時，推導出如下公式，Vin×Ton=(Vo-Vin)×Toff由于占空比D＜1，所以Vin＜Vo，這里的二極管電壓我們忽略不計了，此公式也就此驗證了電路實現(xiàn)了升壓的功能。

降壓-升壓轉換器

BUCK/BOOST變換器，也稱升降壓變換器，輸入電壓既能高出輸出電壓，又能低于輸出電壓，但是輸出電壓的極性是與輸入電壓相反的這點在驅動單向導通的元器件，比如LED時，特別需要注意，以免出現(xiàn)負載不能正常工作的情況。降壓升壓轉換器說到底其實就是將升壓轉化器和降壓轉換器進行了合并操作。工作原理其實都是一樣的。原理圖如下：

在CCM工作模式下：

PWM在Q1 GATE端輸入脈沖信號，當PWM輸入高電平時，Q1導通，輸入電壓加到電感上，

形成如下圖的回路，電感的電流線性增加，進行儲能，電感增加的磁通量為Vin×Ton。

當PWM在Q1 GATE端輸入低電平時，開關管Q1處于斷開狀態(tài)，由于電感L1為儲能元器件，電感輸出電流輸出電流具有連續(xù)性，電感通過以下回路給負載供電。

可以看到，輸出的電動勢是與輸入的電動勢相反的，所以電感減少的磁通量為-Vo×(T - Ton)。

達到動態(tài)平衡時，Vin×Ton =??-Vo×(T - Ton)，Vo= Vin×( Ton / (Ton - T) ) = -Vin×( D / (1-D) )。由此公式我們也可以看出，在一定的時間內，當PWM輸入脈沖信號的高電平所占比例大于低電平所占比例時，輸入電壓是大于輸出電壓的，也就是屬于降壓過程，當當PWM輸入脈沖信號的高電平所占比例小于低電平所占比例時，輸入電壓是小于于輸出電壓的，也就是屬于升壓過程。

當輸入電壓大于輸出電壓時，降壓-升壓轉換器以降壓模式工作；輸入電壓小于輸出電壓時，在升壓模式下工作。當轉換器在輸入電壓處于輸出電壓范圍內的傳輸區(qū)域中工作時，處理這些情況有兩個概念：或是降壓和升壓級同時有效，或是開關循環(huán)在降壓和升壓級之間交替，每個通常以正常開關頻率的一半運行。

本文系21ic論壇網(wǎng)友火星國務卿原創(chuàng)

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