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降压型非隔离DC-DC转换器的工作原理

发布时间：2023-11-28 09:03:04     浏览：1086

　　降压型DC-DC转换器是一种常用的电子器件，用于将较高的输入电压转换为较低的输出电压。其工作原理如下：

　　1、输入电压通过一个开关(通常是一个功率MOSFET)连接到一个电感和一个滤波电容。开关周期性地打开和关闭，控制能量的流动。

　　2、当开关关闭时，输入电压施加在电感上，使电流以指数上升的方式增加。这存储了能量在电感中。

　　3、当开关打开时，电感中的磁场崩塌，产生一个反向电压。根据Lenz定律，这个反向电压使电流继续流动，但通过一个二极管，称为自由轮二极管。

　　4、输出电压被取样在输出端，通常通过一个电压反馈回路来保持稳定。如果输出电压低于设定值，控制闭环将调整开关的占空比增加，以增加输出电压。

5、输出电压经过一个滤波电容，以减小输出纹波。然后通过输出线路提供给负载。

需要注意的是，以上描述的是基本的降压型DC-DC转换器工作原理。实际的转换器电路可能包括其他元件，例如补偿网络、稳压器等，以提高稳定性和效率。


　　降压型DC-DC转换器电路

　　Fig.1是同步整流方式的降压型DC-DC转换器的电路。

　　基本电路结构是在负责开关的MOSFET(Q1)之后，并联连接整流用MOSFET(Q2)和输出平滑电容器(C2)，串联连接线圈与MOSFET(Q1)。

　　Q1与Q2由IC输出的控制信号控制。

　　同步整流方式的降压型DC-DC转换器的电路


　　MOSFET(Q1)导通

　　Fig.2表示开关元件Q1导通的状态。

　　当Q1导通时,电流从输入Vin流过线圈L并对输出平滑电容器C2充电，提供输出电流Iout。

　　此时线圈L上流过的电流产生磁�。⒔缒茏怀纱拍苄罨⒋�。

开关元件Q1导通的状态


　　Q1导通的ton期间，在线圈L上施加输入电压Vin与输出电压Vout的电压，以输出电流Iout为中心的纹波电流为：image.png

　　ΔIL：L上流过的电流变化量(纹波电流)[A]

　　Vin：输入电压[V]

　　Vout：输出电压[V]

　　L：线圈电感值[H]

　　ton：Q1导通时间[s]

image.png


　　MOSFET(Q2)导通

　　Fig.3表示开关元件Q2导通的状态。

　　Q1关断后Q2导通，L上储存的能量向输出侧释放。

MOSFET(Q2)导通状态


　　在Q1关断的toff期间，为了维持线圈L上流动的电流，经由Q2向负载释放电流。此toff期间的纹波电流为：image.png

　　ΔIL：　　L上流过的电流变化量(纹波电流)[A]

　　Vout：　　输出电压[V]

　　L：　　线圈电感值[H]

　　toff：　　Q1关断时间[s]

image.png

　

　　占空比

　　由于稳态下的Q1导通公式(1)与Q2导通公式(2)的ΔIL相等，因此输入输出电压的关系为：image.png

　　ton/(ton + toff)为Q1导通的时间比，被称为占空比(duty cycle)。

　　Vout取决于占空比，通过控制占空比来控制Vout。　　

image.pngimage.png

设(ton + toff)为开关周期T[s]，此时的开关频率为fsw[Hz]，将公式(1)与公式(3)整理为与fsw的关系就是：image.png

若Vin及Vout已确定，那么输出的纹波电流则由L与fsw决定。

如果纹波电流大，则输出纹波电压变大。

此外，也容易使线圈饱和，从而造成铁芯损耗增大等影响。

为了解决此类问题，需要提高开关频率，或者增加线圈的圈数来提高电感值。


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