降壓式DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)/工作原理/特點(diǎn)

降壓式DC/DC變換器，簡(jiǎn)稱降壓式變換器，英文為BuckConverter，也稱Buck變換器，是最常用的DC/DC變換器之一。降壓式變換器能將較高的直流電壓變換成較低的直流電壓，例如將24V電壓變換成12V或5V電壓。降壓式變換器的損耗很小，效率很高，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。

降壓式DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)降壓式DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-1-1所示。圖中U I為直流輸入電壓，VT為功率開關(guān)管，VD為續(xù)流二極管，L為輸出濾波電感（也稱儲(chǔ)能電感），C為輸出濾波電容，U O 為直流輸出電壓，R L

為外部負(fù)載電阻。脈寬調(diào)制器（PWM）用來控制功率開關(guān)管VT的導(dǎo)通與關(guān)斷，是變換器的控制核心。

圖2-1-1降壓式DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

降壓式DC/DC變換器的工作原理降壓式DC/DC變換器的功率開關(guān)管VT在脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)的控制下，交替地導(dǎo)通與關(guān)斷（也稱截止），相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械開關(guān)高速地閉合與斷開，其工作原理如圖2-1-2所示。圖2-1-2（a）和圖2-1-2（b）分別示出了VT導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的電流路徑，為了便于電路分析，圖中用開關(guān)S的閉合與斷開來代替VT的導(dǎo)通和關(guān)斷。

當(dāng)VT導(dǎo)通（即S閉合）時(shí)，如圖2-1-2（a）所示，續(xù)流二極管VD截止，輸入電壓U I 加到儲(chǔ)能電感L的左端，因此L上施加了（U I -U O

）的電壓，使通過L的電流I L 線性地增加，電感儲(chǔ)存的能量也在增加，電感的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為左“+”右“-”。在此期間，輸入電流（即電感電流I L

）除向負(fù)載供電之外，還有一部分給濾波電容C充電，電感電流I L 為電容充電電流I 1 和負(fù)載R L 電流I O 的總和。

圖2-1-2降壓式DC/DC變換器的工作原理

當(dāng)VT關(guān)斷（即S斷開）時(shí)，如圖2-1-2（b）所示，電感L與U I

斷開。由于電感電流不能發(fā)生突變，因此在L上就產(chǎn)生左“-”右“+”的感應(yīng)電壓，以維持通過電感的電流I L

不變。此時(shí)續(xù)流二極管VD導(dǎo)通，儲(chǔ)存在L中的磁場(chǎng)能量就轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過由VD構(gòu)成的回路繼續(xù)向負(fù)載供電，電感電流I L 線性地減小。此時(shí)，濾波電容C產(chǎn)生放電電流I

2 與電感電流I L 疊加，為負(fù)載R L 供電，負(fù)載電流I O 為電感電流I L 和電容放電電流I 2 的總和。

小貼示

降壓式變換器是在功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)向負(fù)載傳輸能量的，屬于正激型變換器。

降壓式DC/DC變換器的電壓及電流波形如圖2-1-3所示。PWM表示脈寬調(diào)制波形，t ON 為功率開關(guān)管VT的導(dǎo)通時(shí)間，t OFF

為功率開關(guān)管VT的關(guān)斷時(shí)間。T為開關(guān)周期，其數(shù)值為t ON 與t OFF 之和，即T=t ON +t OFF 。其中t ON

與T的比值稱為占空比，用“D”表示，即D=t ON /T。

圖2-1-3

U E 為功率開關(guān)管VT的發(fā)射極電壓波形，I C 為VT的集電極電流波形。I F 為續(xù)流二極管VD的電流波形。I L

為濾波電感的電流波形。可以看出，功率開關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，其發(fā)射極電壓U E 等于輸入電壓U I ；在VT關(guān)斷時(shí)，其發(fā)射極電壓U E

為零。在功率開關(guān)管VT導(dǎo)通期間，電感電流線性增加；在VT關(guān)斷期間，電感電流線性減小。電感電流I L 是由VT的集電極電流I C 和續(xù)流二極管VD的電流I F

疊加形成的。

DC/DC變換器的輸出電流I O 為濾波電感電流I L

的平均值。電感電流波形中峰值與谷值之間的差值就是電感紋波電流。為減小輸出電流的紋波，L應(yīng)選得足夠大，使DC/DC變換器工作在連續(xù)模式。通常紋波電流應(yīng)為額定輸出電流的20%左右。

降壓式DC/DC變換器具有以下特點(diǎn)。

① 輸出電壓U O

② 輸出電壓U O 與輸入電壓U I 的極性相同。

③ 功率開關(guān)管VT承受的最大電壓U CE =U I 。

④ 功率開關(guān)管VT集電極的最大電流I C =I O 。

⑤ 續(xù)流二極管VD的平均電流I F =（1-D）I O 。

⑥ 續(xù)流二極管VD承受的反向電壓U R =U I 。

降壓式DC/DC變換器可以由分立元件和PWM控制器構(gòu)成，也可以選擇集成電路產(chǎn)品。典型的集成電路產(chǎn)品有LM2576、LM2596、L4960等。其中LM2576的外圍電路最簡(jiǎn)單。