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DC-DC-1---DCDC的原理及構(gòu)成

1.什么是DC-DC

【資料圖】

開關(guān)穩(wěn)壓器，英文(regulatior)，有人叫它調(diào)節(jié)器、穩(wěn)壓源。實現(xiàn)穩(wěn)壓，就是需要控制系統(tǒng)(負反饋)，從自動控制理論中我們知道，當電壓上升的時候通過負反饋把它降低，當電壓下降的時候就把它升上去，這樣形成了一個控制環(huán)路,圖1-1是降壓型DCDC的結(jié)構(gòu)。控制單元主要有PWM(脈寬控制方式)，PFM(頻率控制方式)、移相控制方式等。儲能元件常用為電感和電容(電荷泵)。

圖1-1：降壓型DCDC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

當開關(guān)元件導通時，輸入能量從輸入電容Cin，通過開關(guān)元件--->儲能元件--->輸出電容Cout--->負載RLOAD，此時儲能元件同時也在儲存能量，可以得到加在電感上的電壓為：Vin-Vout=L*di/dton。

當開關(guān)元件關(guān)閉時，Vin不再提供能量，能量通過續(xù)流回路補充，從儲能元件L存儲的能量--->輸出電容Cout--->負載RLOAD--->續(xù)流元件。此時可得式：L*di/dtoff= Vout，最后我們可以得出Vout/Vin=D，而Vout 永遠是小于Vin 的，因為占空比D≤1，圖1-2顯示了占空比對Vout大小的影響。如下是各個器件的功能：

圖1-2：占空比對Vout的大小影響

1、輸入電容(Cin) 用于使輸入電壓平穩(wěn);

2、輸出電容(Cout) 負責使輸出電壓平穩(wěn)(平滑);

3、箝位二極管(D1) 在開關(guān)開路時為電感器提供一條電流通路;

4、電感器(L1) 用于存儲即將傳送至負載的能量。

2.DC-DC的類型和拓撲

1.降壓型DC-DC

圖1-3：降壓型

2.升壓型DC-DC

圖1-4：升壓型

3.反相型DC-DC

圖1-5：反相型

4.升-降壓型DC-DC

圖1-6：升-降壓型

3.伏秒定律

無論是哪一種DC-DC，最核心的工作原理是伏秒定律，也叫伏秒原則，伏秒平衡。在穩(wěn)態(tài)工作的開關(guān)電源中電感兩端的正伏秒值等于負伏秒值。伏秒數(shù)也稱為伏秒積，即電感兩端的電壓V和開關(guān)動作時間T二者的乘積。

當開關(guān)電源電路處于穩(wěn)態(tài)工作時，一個開關(guān)周期內(nèi)電感的電流變化量最終為零(電流穩(wěn)定)，即開關(guān)導通時通過電感的電流增加量和開關(guān)斷開時電感的電流減少量是相等的。換句話說，處于穩(wěn)定工作狀態(tài)的開關(guān)電路中，一個周期因開關(guān)作用被分為兩段，其中開關(guān)導通時間內(nèi)電感電流在增加，開關(guān)關(guān)斷時間內(nèi)電感電流在減少，那么在一個周期內(nèi)，電流的增加量與電流的減少量是相等的，即：ΔIon=ΔIoff。那么加在電感兩端的電壓乘以導通時間等于關(guān)斷時刻電感兩端電壓乘以關(guān)斷時間，或指在穩(wěn)態(tài)工作的開關(guān)電源中電感兩端的正伏秒值等于負伏秒值。在一個周期T內(nèi)，電感電壓對時間的積分為0，任何穩(wěn)定拓撲中的電感都是傳遞能量而不消耗能量，都會滿足伏秒平衡原理。伏秒原則可以保證電感不會出現(xiàn)偏磁現(xiàn)象，不會出現(xiàn)飽和。分析開關(guān)電源中電容和電感的幾條原則：電容兩端的電壓不能突變 (當電容足夠大時,可認為其電壓不變);電感中的電流不能突變 (當電感足夠大時,可認為其電流恒定不變);流經(jīng)電容的電流平均值在一個開關(guān)周期內(nèi)為零;電感兩端的伏秒積在一個開關(guān)周期內(nèi)必須平衡。如下是推導過程：

開關(guān)導通時，電感電壓Von=L×?Ion/?Ton

開關(guān)閉合時，電感電壓Voff=L×?Ioff/?Toff

因為一個周期內(nèi)電流的變化量相等，所以Von×Ton=Voff×Toff，因為Ton和Toff決定開關(guān)調(diào)節(jié)的占空比，所以可以推出降壓，升壓，升降壓拓撲的輸入，輸出和占空比的關(guān)系：

降壓：Vout = Vin ● D

升壓：Vout = Vin / (1-D)

升降壓：Vout = Vin ● D / (1-D)

由于D的大小和電子元器件的限制，實際降壓不能無限降，升壓不能無限升。