DCDC变换器BUCK BOOST.docx
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DCDC变换器BUCKBOOST
最基本的斩波电路如图1所示，斩波器负载为R。
当开关
开关
开关是最常见的电子元件，功能就是电路的接通和断开。
接通则电流可以通过，反之电流无法通过。
在各种电子设备、家用电器中都可以见到开关。
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S合上时，UOUT=UR=UIN，并持t1时间。
当开关切断时UOUT＝UR＝0，并持续莎2时间，T＝t1＋t2为斩波器的工作周期，斩波器的输出波形如图1（b）所示。
定义斩波器的占空比D＝t1／T，t1，为斩波器导通时间，T为通断周期。
通常斩波器的工作方式有两种：
一是脉宽调制工作方式，即维持t1不变，改变T；二是脉频调制工作方式，即维持T不变，改变t1。
当占空比D从0变到1时，输出电压的平均值从零变到UIN，其等效电阻
电阻 电阻，物质对电流的阻碍作用就叫该物质的电阻。
电阻小的物质称为电导体，简称导体。
电阻大的物质称为电绝缘体，简称绝缘体。
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也随着D而变化。
图1降压斩波电路原理
在高频稳压开关电源
开关电源
开关电源1是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。
开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。
线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。
随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间[全文]
的设计中，普遍采用的是脉宽调制方式。
因为频率调制方式容易产生谐波干扰，而且其滤波器
滤波器 凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。
在近代电信装备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最复杂要算滤波器了。
滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。
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设计也比较困难。
（1）降压式（Buck）DC／DC变换器
如图1所示的直流变换器在使用时的输出纹波较大，为降低输出纹波，可在输出端接入电感
电感
能产生电感作用的元件统称为电感原件，常常直接简称为电感。
电感器在电子制作中虽然使用得不是很多，但它们在电路中同样重要。
我们认为电感器和电容器一样，也是一种储能元件，它能把电能转变为磁场能，并在磁场中储存能量。
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L、电容C，如图2所示。
图中的VD1为续流二极管
二极管 二极管又叫半导体二极管、晶体二极管，是最常用的基本电子元件之一。
二极管只往一个方向传送电流，由p型半导体和n型半导体形成的p-n结构成，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。
当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。
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。
降压（Buck）式变换器的输出电压平均值UOUT总是小于输入电压UIN。
电路中通过电感的电流（iL）是否连续，取决于开关频率、滤波电感
滤波电感 滤波电感是指将信号中特定波段频率滤除的用于抑制和防止干扰的电感。
具有优良之绝缘性，对电流之变化，感量有相当之稳定性，一般用于并联电源等电路中，起滤波整流作用。
它一般采用铁氧体材料，它可以方便地与穿心电容组合起来，形成复合滤波器，在高性能滤波器中，也采用线绕电感。
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L和电容C的数值。
图2降压式（Buck）变换器
当电路工作频率较高时，若电感和电容量足够大并为理想元件，则电路进入稳态后，可以认为输出电压为常数。
当晶体管
晶体管 晶体管是由三层杂质半导体构成的器件，有三个电极，所以又称为半导体三极管，晶体三极管等，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。
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VT1导通时，电感中的电流呈线性上升，因而有
式中，ton为晶体管导通时间；iOUT（max）为输出电流的最大值；iOUT（min）为输出电流的最小值；Δion为晶体管导通时间内的输出电流变量。
当晶体管截止时，电感中的电流不能突变，电感上的感应电动势使二极管导通，这时
式中，toff为晶体管截止时间；Δioff为晶体管截止时间内的输出电流变量。
在稳态时
式中，Δi为输出电流变量。
因为电感滤波保持了直流分量，消除了谐波分量，故输出电流平均值为
式中，R为负载电阻。
（2）升压式（Boost）DC／DC变换器
图3为升压式DC／DC变换器，它由功率晶体管VT1、储能电感L、二极管VD1及滤波电容C组成。
当功率晶体管导通时，电源向电感储能，电感电流增加，感应电动势为左正右负，负载Z由电容C供电。
当VT1截止时，电感电流减小，感应电动势为左负右正，电感释放能量，与输人电压一起顺极性经二极管向负载供电，并同时向电容充电。
这样就把低压直流变换成了高压直流。
在电感电流连续的条件下，电路工作于如图3（b）所示的两种状态。
图3升压式（Boost）DC／DC变换器
①当晶体管导通、二极管截止（即0≤t≤t1）期间，t1＝0～DT。
t＝0时刻，VT1导通，电感中的电流按直线规律上升，UIN＝LΔI／t1。
②当晶体管由导通变为截止（即t1≤t≤T）期间，电感电流不能突变，电感上产生的感应电动势会迫使二极管导通，此时则
式中，ΔI为输入电流变量。
将t1＝DT，t2＝（1－D）T代入上式，则求得
BoostDC／DC变换器是一个升压斩波器。
当D从0趋近于1时，UOUT从UIN变到任意大。
同理可求得输入电流
式中，I为输入电流；f为开关转换频率。
若忽略负载电流脉动，那么在［0，t1］期间，电容上泄放的电荷量反映了电容峰-峰电压的脉动量，即输出电压Uo的脉动量。
（3）单端正激式DC／DC变换器
单端正激式DC／DC变换器的电路拓扑如图4所示。
图中的变压器
变压器
变压器（Transformer）是利用互感原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心（磁芯）。
在电器设备和无线电路中，常用作升降电压、匹配阻抗，安全隔离等。
变压器是变换电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。
它由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。
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T1起隔离和变压的作用，在输出端要加一个电感器
电感器电感器是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件。
电感器的结构类似于变压器，但只有一个绕组。
电感器具有一定的电感，它只阻止电流的变化。
如果电感器中没有电流通过，则它阻止电流流过它；如果有电流流过它，则电路断开时它将试图维持电流不变。
电感器又称扼流器、电抗器、动态电抗器。
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Lo（续流电感）起能量的储存及传递作用，变压器初级需有复位绕组Nro。
在实际使用中，此绕组也可用R、C、VD吸收电路取代。
如果芯片的辅助电源用反激供给，则也可削去调整管的部分峰值电压（相当于一部分复位绕组）。
输出回路需有一个整流二极管
整流二极管 整流二极管是一种将交流电能转变为直流电能的半导体器件。
通常它包含一个PN结，有阳极和阴极两个端子。
整流二极管可用半导体锗或硅等材料制造。
硅整流二极管的击穿电压高，反向漏电流小，高温性能良好。
通常高压大功率整流二极管都用高纯单晶硅制造（掺杂较多时容易反向击穿）。
这种器件的结面积较大，能通过较大电流（可达上千安），但工作频率不高，一般在几十千赫以下。
整流二极管主要用于各种低频半波整流电路，如需达到全波整流需连成整流桥使用。
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VD1和一个续流二极管VD2若变压器使用无气隙的磁芯，则其铜损较小，变压器温升较低，并且其输出的纹波电压较小。
图4单端正激式DC／DC变换器的电路拓扑图
（4）单端反激式DC／DC变换器
单端反激式DC／DC变换器的电路拓扑如图5所示。
其变压器T1起隔离和传递储存能量的作用，即在开关管VT开通时Np储存能量，开关VT关断时Np向Ns释放能量。
在输出端需加由电感器Lo和两个电容Co组成的低通滤波器，变压器初级有由Cr、Rr和VDr组成的R、C、VD漏感尖峰吸收电路。
输出回路需有一个整流二极管VD1。
若变压器使用有气隙的磁芯，则其铜损较大，变压器温度相对较高，并且其输出的纹波电压比较大。
该变换器的优点就是电路结构简单，适用于200W以下的电源，输出为多路时具有较好的交调特性。
图5单端反激式DC／DC变换器的电路拓扑图
（5）双管正激式DC／DC变换器
双管正激式DC／DC变换器的电路拓扑如图6所示。
图中的变压器T1起隔离和变压的用用，在输出端要加一个电感器Lo（续流电感）起能量的储存及传递作用，变压器初级无再有复位绕组，因为VD1、VD2的导通限制了两个调整管关断时所承受的电压。
输出回路需有一个整流二极管VD3和一个续流二极管VD4（其中VD3、VD4最好均选用恢复时间快的整流管）。
输出滤波电容Co应选择低ESR（等效电阻）、大容量的电容，这样有利于降低纹波电压（对于其他拓扑结构的也是这样要求的）。
双管正激式DC／DC变换器的工作特点如下。
图6双管正激式DC／DC变换器的电路拓扑图
①在任何工作条件下，为使两个开关管所承受的电压不会超过UIN、＋Ud（UIN为输入电压；Ud为VD1、VD2的正向压降），VD1、VD2必须是快恢复管（恢复时间越短越好，在实际设计和调试中多使用MUR460）。
②与单端正激式DC／DC变换器相比，它无须复位电路，这有利于简化电路和变压器的设计；其功率器件可选择较低的耐压值；其功率等级也会很大。
③两个开关管的工作状态一致，会同时处于通态或断态。
在大功率等级电源中选用此种电路，其开关管比较容易选择，比如选择IRFP460、IRFP460A等作为开关管即可。
（6）双管反激式DC／DC变换器
双管反激式DC／DC变换器的电路拓扑如图7所示。
图中的变压器T1起隔离和传递储存能量的作用，即在开关管VT1、VT2开通时Np储存能量，开关管VT1、VT2关断时Np向Np释放能量，同时Ns的漏感将通过VD1、VD2返回给输入，可省去R、C、VD漏感尖峰吸收电路。
在输出端要加由电感器Lo和两Co电容组成的低通滤波器。
输出回路需有一个整流二极管VD3。
双管反激式DC／DC变换器的工作特点如下。
图7双管反激式DC／DC变换器的电路拓扑图
①在任何工作条件下，为使两个开关管所承受的电压不会超过UIN＋Ud（Ud为VD1，VD2的正向压降），VD1、VD2必须是快恢复管。
②在反激开始时，储存在原边Np的漏电感能量会经VD1、VD2反馈回输入端，系统能量损失小，效率高。
③与单端反激式变换器相比，它无须R、C、VD吸收电路；其功率器件可选择较低的耐压值；其功率等级也会很大。
④在轻载时，如果在“开通”周期储存在变压器的原边绕组的能量显得过多，那么在“关断”周期会将过多的能量反馈回输入端。
⑤两个开关管的工作状态一致，下管的波形会优于上管的波形。
（7）半桥式DC／DC变换器
半桥式DC／DC变换器的电路拓扑如图8所示。
图中的变压器T1，起隔离和传递能量的作用。
开关管VT1导通时，Np绕组上承受一半的输入电压，副边绕组电压使VD1导通；反之亦然。
输出回路VD1，VD2，Lo，Co共同组成了整流滤波电路。
图8半桥式DC／DC变换器的电路拓扑图
此电路减小了原边开关管的电压应力，所以是目前比较成熟和常见的电路；有70％以上的计算机电源
计算机电源
计算机属于弱电产品，也就是说部件的工作电压比较低，一般在正负12伏以内，并且是直流电。
而普通的市电为220伏（有些国家为110伏）交流电，不能直接在计算机部件上使用。
因此计算机和很多家电一样需要一个电源部分，负责将普通市电转换为计算机可以使用的电压，一般安装在计算机内部。
计算机的核心部件工作电压非常低，并且由于计算机工作频率非常高，因此对电源的要求比较高。
目前计算机的电源为开关电路，将普通交流电转为直流电，再通过斩波控制电压，将不同的电压分别输出给主板、硬盘、光驱等计算机部件。
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、60％的电子镇流器都使用此电路。
半桥式DC／DC变换器的工作特点如下。
①两个调整管都是相互交替打开的，所以两组驱动波形的相位差要大于180°，且存在一定的死区时间。
②C1＝C3、R1=＝R2。
③C1、C2主要用来自动平衡每个开关管的伏秒值。
许多半桥DC／DC变换器的C1、C2多选用高压铝电解电容。
因为铝电解电容
电解电容
电解电容是一种由两块平行金属板以及两金属板之间放置电解液所构成的电容。
电容器依照所使用的电极材料.电解液之种类而付予电容器的名称。
介质有电解液涂层有极性，分正负不可接错。
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存在一个高频特性的问题，在实际应用中可采用CBB电容。
④C3主要用来滤去影响伏秒平衡的直流分量，应采用CBB电容。
（8）全桥式DC／DC变换器
全桥式DC／DC变换器的电路拓扑如图9所示。
全桥式DC／DC变换器多用于大功率等级电源中，其主要特点如下。
图9全桥式DC／DC变换器的电路拓扑图
①变压器的利用率比较高，空载能量可以反馈回电网，电源效率高。
②稳态无静差，动态响应速度快，系统稳定，抗高频干扰能力强。
（9）推挽式DC／DC变换器
推挽式DC／DC变换器的电路拓扑如图10所示。
图中的变压器T1起隔离和传递能量的作用。
在开关管VT1开通时，变压器T1的Np1绕组工作并耦合到副边Ns1绕组，开关管VT关断时NNp1向Ns1释放能量；反之亦然。
在输出端由续流电感器Lo和VD1、VD2构成副边整流电路。
在设计电路时，开关管两端应加由R、C组成的吸收电路，以吸收开关管关断时所产生的尖峰浪涌。
推挽式DC／DC变换器的的工作特点如下。
图10推挽式DC／DC变换器的电路拓扑图
①在任何工作条件下，开关管都承受两倍的输入电压，所以此电路多用于大功率等级的DC／DC电源中。
②两个开关管都是相互交替打开的，所以两组驱动波形相位差要大于180°，并存在一定的死区时间。
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