以電阻和電感作為負(fù)載的降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器

將一種直流電壓轉(zhuǎn)換為另一種直流電壓的必要性常常是工業(yè)、醫(yī)療甚至家庭領(lǐng)域眾多應(yīng)用的核心。一種或多或少?gòu)?fù)雜的設(shè)備，稱為直流-直流轉(zhuǎn)換器，執(zhí)行從一個(gè)電平到另一個(gè)電平的直流電壓變化。電壓可能會(huì)以上升或下降的方式變化。在本章中，我們將研究最常用的方法。

改變直流電源的電壓 – DC-DC 轉(zhuǎn)換器

在家庭中以交流形式分配電力的主要原因之一是轉(zhuǎn)換的簡(jiǎn)單性。變壓器足以非常輕松、安全地升高或降低交流電源電壓。不幸的是，對(duì)于直流電壓來(lái)說，事情就沒那么簡(jiǎn)單了。它的轉(zhuǎn)變更加復(fù)雜，需要特殊的策略、方法和極其復(fù)雜的電子元件。將直流電壓轉(zhuǎn)換為另一種直流電壓可用于各種電力應(yīng)用，例如電動(dòng)車輛電機(jī)的控制以及需要連續(xù)改變旋轉(zhuǎn)速度同時(shí)保持扭矩和力參數(shù)的所有其他應(yīng)用完好無(wú)損的。帶DC-DC轉(zhuǎn)換，很容易擁有復(fù)雜的電源，可能根據(jù)需要使用不同的電源電壓工作。

降壓（降壓）

在 DC-DC 開關(guān)電路中，使用適當(dāng)驅(qū)動(dòng)的電子開關(guān)和組件來(lái)存儲(chǔ)能量，從而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。降壓轉(zhuǎn)換器也稱為降壓轉(zhuǎn)換器，是一種 DC-DC 電源轉(zhuǎn)換器，可降低輸入電壓并提供較低的輸出電壓。當(dāng)今的現(xiàn)代技術(shù)將整個(gè)復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)封裝在一個(gè)外殼中。理論上，可以通過使用大功率電阻器或功率分配器來(lái)降低輸入電壓，但是不必要地浪費(fèi)在熱量中的能量將是巨大的，并且這種解決方案只能返回幾個(gè)百分點(diǎn)的效率。開關(guān)電路的基礎(chǔ)是一個(gè)電子開關(guān)（BJT、Mosfet 或其他），它以非常高的頻率交替打開和關(guān)閉（見圖 1）。

開關(guān)信號(hào)允許您通過簡(jiǎn)單地改變其占空比來(lái)選擇輸出電壓

圖 1：開關(guān)信號(hào)允許您通過簡(jiǎn)單地改變其占空比來(lái)選擇輸出電壓

若SW開關(guān)閉合時(shí)間t1，則負(fù)載R兩端有電壓Vs。相反，如果該開關(guān)打開時(shí)間 t2，則負(fù)載 R 兩端的電壓為 0 V。這些脈沖的快速連續(xù)導(dǎo)致負(fù)載處的電壓介于 0 V 和 Vs 之間。后者可作為占空比的函數(shù)在 0% 和 100% (PWM) 之間變化。如果信號(hào)由矩形波或方波生成，則該電壓等于：

在所有其他情況下，電壓等于：

以電阻和電感作為負(fù)載的降壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器

圖 2 顯示了帶有 LC 型負(fù)載的降壓電路的通用原理圖和工作原理。該DC-DC轉(zhuǎn)換器提供低于輸入電壓的輸出電壓。它主要由作為SW開關(guān)的Mosfet和二極管D組成。輸出濾波網(wǎng)絡(luò)由電感器L、電容器C和負(fù)載電阻器R組成。Mosfet可以由脈寬調(diào)制器（PWM）控制。它的操作非常簡(jiǎn)單。直流電壓 V 為電路供電。電子開關(guān)生成具有非零電壓值和適當(dāng)占空比參數(shù)的矩形信號(hào)。根據(jù)信號(hào) ON 百分比設(shè)置的參數(shù)，輸出是介于 0 V 和 Vs 之間的平均電壓。在圖中的波形圖上，可以觀察到以下信號(hào)：

v(in)：是直流輸入電壓，為整個(gè)轉(zhuǎn)換電路供電；

v(sw)：是由電子開關(guān)控制的系統(tǒng)提供的矩形信號(hào)（脈沖串）；

v(d)：是二極管兩端的信號(hào)?？梢钥闯?，它受到峰值和振蕩的影響，使信號(hào)因干擾（EMI）而飽和；

v(out)：是低于輸入信號(hào)的輸出信號(hào)。它可能會(huì)受到振蕩的影響，在圖中被故意放大。通常，使用大輸出電容可以顯著減少這個(gè)問題。

圖2：以電阻器和電感器作為負(fù)載的降壓轉(zhuǎn)換器

現(xiàn)在我們可以觀察電子元件在 DC-DC 轉(zhuǎn)換器操作的兩個(gè)不同階段（即當(dāng)開關(guān)處于 ON 位置和 OFF 位置時(shí)）執(zhí)行的操作和功能：

當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電流通常流過它而不流過二極管，因?yàn)槎O管的極性相反。因此，電容器通過該電流充電。也就是說，開關(guān)處于正常導(dǎo)通狀態(tài)，電流正常從電壓發(fā)生器流向負(fù)載；

一旦開關(guān)打開，電感器就會(huì)反轉(zhuǎn)其兩端的電壓并使二極管導(dǎo)通。該組件還可以抑制開關(guān)打開時(shí)可能出現(xiàn)的任何浪涌。換句話說，開關(guān)不導(dǎo)通，負(fù)載電流流過循環(huán)二極管。

電感器中的平均電流約等于輸出電流。在“ON”階段，MOSFET 中的電流將等于電感器中的平均電流加上紋波。相反，在“OFF”階段，流過二極管的電流等于電感器中的平均電流加上電流紋波之和。如果電感器和電容器是理想的，該電路的效率將為100%。事實(shí)上，這一比例約為 94%。電路的效率在很大程度上取決于 PWM 信號(hào)的占空比。特別是，當(dāng)輸出電壓遠(yuǎn)低于輸入電壓時(shí)，開關(guān)處會(huì)建立大電流傳輸，這導(dǎo)致不必要的能量浪費(fèi)。從圖3中可以看出，當(dāng)占空比較低時(shí)，DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率也會(huì)很低。因此，應(yīng)避免設(shè)計(jì)占空比低于 20% 的轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)高減速比。請(qǐng)注意，圖中表示的兩個(gè)比例均以百分比表示。

降壓轉(zhuǎn)換器的效率在很大程度上取決于PWM的占空比，即相同負(fù)載下輸出電壓的降低比例

圖 3：降壓轉(zhuǎn)換器的效率在很大程度上取決于 PWM 的占空比，即相同負(fù)載下輸出電壓的降低比率

下表顯示了開關(guān)的一些占空比值以及相應(yīng)的系統(tǒng)效率值。當(dāng)然，這是通用數(shù)據(jù)，可能會(huì)根據(jù)許多電路參數(shù)而略有不同。

這種類型的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器處理的信號(hào)不是很干凈，如圖 4 中的頻譜圖所示，信號(hào)中存在多個(gè)諧波。上面的第一個(gè)頻譜圖顯示了二極管上存在的諧波，而第二個(gè)頻譜圖顯示了電感器之后存在的諧波。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該實(shí)現(xiàn)一個(gè)良好的濾波器系統(tǒng)，盡可能消除或減少這些類型的不需要的信號(hào)。