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[电路/定理]

【原创手码】DC-DC变换器电路原理简介

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主要介绍以下3种类型:
升压电路,降压电路,升降压电路
先来说一下
DC/DC变换器一般都包括两种基本工作模式:电感电流连续模式(CCM)、电感电流断续模式(DCM)简单来说开关器件在负载电流较大的时都是工作CCM模式,但当随着负载电流下降,如果电感负载电流进一步减小,电感将进入DCM工作模式。
下面对两种电感模式下的升压,降压信号波形:

CCM:
DCM:
下面我将就CCM模式下 对三种变换电路类型进行原理分析,DCM模式下,原理类似在此就不重复讲解:


降压转换电路
BUCK 变换器,也称为降压变换器,输出电压小于输入电压的降压型直流变换器。
输入电压VIN到输出电压VO的转换,该电路主要的电子元器件包括开关Q1 ,二极管D1,以及储能电感L1,滤波电容C1,负载RL组成。Q1的驱动信号为PWM脉冲信号。原理图如下:


CCM工作模式下

PWMQ1GATE端输入脉冲信号,当PWM输入高电平时,Q1导通,由于Q1RDSON很小,所以可以忽略掉Q1的导通电压,电流从电感中流过,形成回路如下图所示,电感中的电流线性增加,加在电感两端的电压为VIN-VO,那么在TON时间内,TONPWM输入为高电平的时间,也就是开关管Q1处于导通状态的的时间内,电感增加磁通量就为(VIN-VO)*TON
电感为储能元器件,既能储存能量,又能释放能量。



PWM脉冲信号在Q1GATE端输入低电平时,开关管Q1处于截止状态,由于电感是储能元期间通过它的电流不能突然发生变化,这个时候L1释放的电流,电流具有连续性,形成如下图的回路,电感减少的磁通量为VO*Toff,这里的ToffPWM输入为低电平的时间,也就是开关管Q1处于截止状态的的时间。

当开关Q1与开关Q1闭合达到动态平衡时,(VIN-VO)*TON=VO*Toff   Vo = Vin×( Ton /(Ton + Toff) ) ,占空比<1,所以输出电压低于低于输入电压,这样就实现了降压的目的。
D=TON/(TON+Toff),DPWM脉冲信号输入的占空比。

升压转换器
BOOST变换器,也称升压变换器,是一种输出电压高于输入电压的直流变换器。原理图如下:


CCM工作模式下:
PWMQ1 GATE端输入脉冲信号,当PWM输入高电平时,Q1导通,输入电压加到电感上,
形成如下图的回路,电感的电流线性增加,电感增加的磁通量为VIN*TON,电感中储存了能量,TONPWM脉冲信号输入高电平,也就是开关管Q1导通的时间。



PWMQ1 GATE端输入低电平时,开关管Q1处于断开状态,由于电感L1为储能元器件,电感输出电流输出电流具有连续性,输入电压VIN叠加上储能元器件电感上的感应电压,经过二极管给负载提供电压,形成如下回路,这里的二极管有一个作用,就是防止开关管Q1导通时,被充电的电容器通过开关管Q1对地放电,这样其实就达到了升压的目的,由此当开关达到动态平衡时,推导出如下公式,Vin×Ton=(Vo-Vin)×Toff由于占空比D1,所以VinVo,这里的二极管电压我们忽略不计了,此公式也就此验证了电路实现了升压的功能。

降压-升压转换器
BUCK/BOOST变换器,也称升降压变换器,输入电压既能高出输出电压,又能低于输出电压,但是输出电压的极性是与输入电压相反的这点在驱动单向导通的元器件,比如LED时,特别需要注意,以免出现负载不能正常工作的情况。降压升压转换器说到底其实就是将升压转化器和降压转换器进行了合并操作。工作原理其实都是一样的。原理图如下:


CCM工作模式下:

PWMQ1 GATE端输入脉冲信号,当PWM输入高电平时,Q1导通,输入电压加到电感上,
形成如下图的回路,电感的电流线性增加,进行储能,电感增加的磁通量为Vin×Ton。



PWMQ1 GATE端输入低电平时,开关管Q1处于断开状态,由于电感L1为储能元器件,电感输出电流输出电流具有连续性,电感通过以下回路给负载供电。
可以看到,输出的电动势是与输入的电动势相反的,所以电感减少的磁通量为-Vo×(T - Ton)



达到动态平衡时,Vin×Ton =  -Vo×(T - Ton)Vo= Vin×( Ton / (Ton - T) ) = -Vin×( D / (1-D) )。由此公式我们也可以看出,在一定的时间内,当PWM输入脉冲信号的高电平所占比例大于低电平所占比例时,输入电压是大于输出电压的,也就是属于降压过程,当当PWM输入脉冲信号的高电平所占比例小于低电平所占比例时,输入电压是小于于输出电压的,也就是属于升压过程。
当输入电压大于输出电压时,降压-升压转换器以降压模式工作;输入电压小于输出电压时,在升压模式下工作。当转换器在输入电压处于输出电压范围内的传输区域中工作时,处理这些情况有两个概念:或是降压和升压级同时有效,或是开关循环在降压和升压级之间交替,每个通常以正常开关频率的一半运行


以上就是我对于DC DC三种电路原理,个人浅显的简介,希望对大家有所帮助,也希望专业的大佬提出指正。纯手打原创手绘,尤其电感画的有点丑,哈哈,希望谅解。
希望大家能一起交流学习,共同进步。@21小跑堂 @21ic小喇叭 @21ic小管家  希望各位可以给点个赞~










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21小跑堂 打赏了 10.00 元 2020-09-11
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沙发
hobbye501| | 2020-9-9 14:04 | 只看该作者
俺只会用现成的dc-dc,哈哈!

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板凳
火星国务卿|  楼主 | 2020-9-9 14:39 | 只看该作者
hobbye501 发表于 2020-9-9 14:04
俺只会用现成的dc-dc,哈哈!

哈哈  点个赞支持一下  兄弟。 虽然图画的不咋样,尤其是电感。

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地板
jameswangchip| | 2020-9-9 17:30 | 只看该作者
偶补充两点建议,请专家高手指导和批评。
第一、DC/DC开关稳压器 还可以加上电荷泵模式,详细见TI的官方网站的分类。
第二、偶拜访很多做电源产品开发还有电机产品开发设计师。他们除了采用DC/DC开关稳压器芯片还有的直接采用DC/DC电源模块。二姨家的专家高手可以将DC/DC电源管理芯片还有DC/DC电源模块等应用原理,效率和场景等区别讲解一下。

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5
ningling_21| | 2020-9-17 18:33 | 只看该作者
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6
王小琪| | 2020-10-15 15:45 | 只看该作者
请问图片是怎么插入的,如果用附件插入图片的话,只能把图片用附件的形式插在最后面,不能插入想要放入的地方。我一般是从其他地方复制粘贴,但是这样会有水印,求解~

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7
火星国务卿|  楼主 | 2020-10-15 16:55 | 只看该作者
王小琪 发表于 2020-10-15 15:45
请问图片是怎么插入的,如果用附件插入图片的话,只能把图片用附件的形式插在最后面,不能插入想要放入的地 ...

兄弟,这图片是自己画的 不是从别的地方复制粘贴的

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火星国务卿 2020-10-16 10:16 回复TA
@王小琪 :截图复制粘贴 我可以 
火星国务卿 2020-10-16 10:16 回复TA
@王小琪 :兄弟 截图就行了 
王小琪 2020-10-16 08:33 回复TA
兄弟,我的意思是,发帖的时候自己的图怎么插入到文章里面去。我试了下,粘贴不能把图片/照片放进去。 
8
airwill| | 2020-10-15 21:09 | 只看该作者
可算是开关电源的基础知识,  支持一下
不过现在开关电源的发展很快,  值得进一步深入学习

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