電子技術(shù)（十九）——DC-DC

一、概述

DC-DC轉(zhuǎn)換器是一種電氣系統(tǒng)（設(shè)備），它將直流（DC）源從一個電壓電平轉(zhuǎn)換為另一個電壓電平。換句話說，DC-DC轉(zhuǎn)換器將直流輸入電壓作為輸入，并輸出不同的直流電壓。輸出直流電壓可以高于或低于直流輸入電壓。顧名思義，DC-DC轉(zhuǎn)換器僅適用于直流（DC）源，而不適用于替代電流（AC）源。DC-DC轉(zhuǎn)換器也稱為DC-DC電源轉(zhuǎn)換器或電壓調(diào)節(jié)器。【來源：360】

DC-DC分類見下圖【來源：360】

一、線性穩(wěn)壓
對于線性穩(wěn)壓來說，其特點時電路結(jié)構(gòu)簡單，所需元件數(shù)量少，輸入和輸出壓差可以很大，但其弱點就是效率低，功耗高。其效率η完全取決于輸出電壓大小。（后面將詳細論述）

二、開關(guān)式的DC-DC電路
DC-DC包括升壓、降壓、升/降壓和反相結(jié)構(gòu)，具有高效率、高輸出電流、低靜態(tài)電流等特點，隨著集成度的提高，許多新型DC-DC 轉(zhuǎn)換器的外圍電路僅需電感和濾波電容；但該類電源控制器的輸出紋波和開關(guān)噪聲較大、成本相對較高。

二、線性穩(wěn)壓器

在開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器之前，通常使用線性轉(zhuǎn)換器。線性穩(wěn)壓器（DC-DC轉(zhuǎn)換器）有兩種主要拓撲結(jié)構(gòu)：并聯(lián)穩(wěn)壓器和串聯(lián)穩(wěn)壓器。在這種類型的穩(wěn)壓器中，晶體管作為相關(guān)電流源在有源區(qū)域工作，在高電流下具有相對較高的壓降，消耗大量功率。由于高功率耗散，線性穩(wěn)壓器的效率通常較低。線性穩(wěn)壓器往往笨重而大，但具有低噪聲水平的優(yōu)點，適用于音頻應(yīng)用?！緛碓矗篍DC】

簡易并聯(lián)穩(wěn)壓器

簡易串聯(lián)穩(wěn)壓器

Vs – 電源電壓（in） R1 – 電阻 R2 –負載電阻器（其端子處的電壓為輸出電壓） DZ – 二極管 Q – 晶體管

簡單的并聯(lián)穩(wěn)壓器，簡稱為并聯(lián)穩(wěn)壓器，是一種穩(wěn)壓器，其中調(diào)節(jié)元件將電流分流到地。并聯(lián)穩(wěn)壓器的工作原理是在其端子上保持恒定的電壓，并吸收額外的電流來維持電氣負載兩端的電壓。并聯(lián)穩(wěn)壓器最常見的元件之一包含簡單的齊納二極管電路，其中齊納二極管具有分流元件的作用。

簡單的串聯(lián)穩(wěn)壓器，也稱為串聯(lián)通穩(wěn)壓器，是在線性穩(wěn)壓電源中提供最終電壓調(diào)節(jié)的最常用方法。該系列線性穩(wěn)壓器的特點是輸出電壓在低紋波和低噪聲方面具有高水平的性能。

線性穩(wěn)定器原理框圖【來源：電子發(fā)燒友】

三、開關(guān)電源

在開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器中，晶體管作為開關(guān)工作，這意味著它們比作為相關(guān)電流源運行的晶體管消耗的功率要少得多。當(dāng)晶體管傳導(dǎo)高電流時，晶體管兩端的壓降非常低，當(dāng)晶體管兩端的壓降較高時，晶體管傳導(dǎo)的電流幾乎為零。因此，開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的導(dǎo)通損耗低，效率高，通常在80%或90%以上。但是，開關(guān)損耗會降低高頻下的效率，開關(guān)頻率越高，功率損耗越高。與線性轉(zhuǎn)換器相比，開關(guān)型DC-DC轉(zhuǎn)換器具有更好的效率，因為它們不會連續(xù)耗散功率?！緛碓矗篍DC】

3.1降壓

降壓直流-直流轉(zhuǎn)換器原理圖

降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，也稱為降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，是一種DC-DC電源轉(zhuǎn)換器，它降低輸出電壓，同時增加輸出電流。它至少由四個部分組成：

用作開關(guān)元件的功率晶體管 （S）

整流二極管 （D）

電感器（L）作為儲能元件

濾波電容器（C）

輸入輸出電壓、電流和功率之間的關(guān)系如下：

Uout < Uin

Iout>I

Pout= Pin– P損耗

原理分析：

1、開關(guān)管導(dǎo)通時，環(huán)路由Vi，S，L，C構(gòu)成。 此時負載由Vi供電，Vi同時還對電感L進行充電；

2、開關(guān)管斷開時，環(huán)路有L，C，D構(gòu)成。S斷開時，由于電感L的電流不能突變，在電感兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓繼續(xù)給負載供電，通過二極管D形成回路。

器件分析：

1、S，產(chǎn)品PWM波的關(guān)鍵器件，如果斷路，輸出電壓為0V；如果短路，輸出電壓為Vi，將燒毀負載元器件；

2、L，降壓的核心器件，如果斷路，輸出電壓0V；如果短路，輸出電壓為Vi，將燒毀負載元器件；

3、C，穩(wěn)定輸出電壓的作用；

4、D，續(xù)流二極管，開關(guān)管斷開時，給L的的續(xù)流提供回路，如果斷路，輸出電壓出現(xiàn)尖峰，偏低等；如果短路，將損壞開關(guān)管。

原理設(shè)計分析：

分析發(fā)現(xiàn)，輸出電壓與PWM的占空比有關(guān)，占空比越大，開關(guān)管截至?xí)r間越長，VI供電的時間越長，輸出電壓越高， 公式如下： Vo = Vi*D。 D通常取值0.2至0.8

PCB設(shè)計分析:

原則，使環(huán)路最小，環(huán)路越小，輻射越小。

在電動汽車應(yīng)用中，降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器用于將主電池的高電壓（例如400 V）降低到車輛輔助系統(tǒng)（多媒體，導(dǎo)航，無線電，閃電，傳感器等）所需的較低值（12-14 V）。

3.2升壓

升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器原理圖

升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，也稱為升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，是一種DC-DC電源轉(zhuǎn)換器，它增加輸出電壓，同時降低輸出電流。它包含與降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器相同的元件，但采用不同的拓撲結(jié)構(gòu)。輸入輸出電壓、電流和功率之間的關(guān)系如下：

Uout > Uin

Iout < Iin

Pout = Pin – Ploss

原理分析：

1、開關(guān)管導(dǎo)通時，環(huán)路由Vi，L，S構(gòu)成。 此時Vi對L充電，負載由C供電；

2、開關(guān)管斷開時，環(huán)路有Vi，L，D，C構(gòu)成。S斷開時，由于電感L的電流不能突變，在電感兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓與Vi合在一起給負載供電，同時對C充電。

器件分析：

1、S，產(chǎn)品PWM波的關(guān)鍵器件，如果斷路，輸出電壓為Vi；如果短路，電感燒毀；

2、L，升壓的核心器件，如果斷路，輸出電壓0V；如果短路，電源將短路；

3、C，穩(wěn)定輸出電壓的作用，由于S導(dǎo)通時，完全由C給負載供電，所以C需要的容值比較大，否則，紋波很大；

4、D，整流二極管，如果斷路，輸出電壓0V；如果短路，輸出不穩(wěn)定。

原理設(shè)計分析：

分析發(fā)現(xiàn)，輸出電壓與PWM的占空比有關(guān)，占空比越大，開關(guān)管截至?xí)r間越長，Vi與L的感應(yīng)電壓供電的時間越長，輸出電壓越高， 公式如下： Vo = Vi*(1/(1-D))。 Dmax = 0.9， Vomax = 10*Vi

PCB設(shè)計分析:

原則，使環(huán)路最小，環(huán)路越小，輻射越小【來源：CONNECT FUTURE】

在一些混合動力電動汽車（HEV）應(yīng)用中，升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器用于將電池的電壓從202 V升壓至500 V?；旌蟿恿ζ嚕℉EV）應(yīng)用中的電池電壓受到串聯(lián)電池單元數(shù)量的限制。由于空間有限，電池串聯(lián)的電池數(shù)量有限，因此輸出電壓也受到限制。使用升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，電池電壓可以增加到電機所需的更高電壓。

降壓-升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器原理圖（反相拓撲）

在降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓始終小于輸入電壓。另一方面，在DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓始終大于輸入電壓。降壓-升壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器將兩者結(jié)合在一起，其輸出電壓可以高于和降低輸入電壓，具體取決于施加到開關(guān)上的占空比。

審核編輯 黃宇