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降壓型非隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作原理

發(fā)布時(shí)間：2023-11-28 09:03:04 瀏覽：1580

　　降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器是一種常用的電子器件，用于將較高的輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低的輸出電壓。其工作原理如下：

　　1、輸入電壓通過一個(gè)開關(guān)(通常是一個(gè)功率MOSFET)連接到一個(gè)電感和一個(gè)濾波電容。開關(guān)周期性地打開和關(guān)閉，控制能量的流動(dòng)。

　　2、當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，輸入電壓施加在電感上，使電流以指數(shù)上升的方式增加。這存儲(chǔ)了能量在電感中。

　　3、當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，電感中的磁場崩塌，產(chǎn)生一個(gè)反向電壓。根據(jù)Lenz定律，這個(gè)反向電壓使電流繼續(xù)流動(dòng)，但通過一個(gè)二極管，稱為自由輪二極管。

　　4、輸出電壓被取樣在輸出端，通常通過一個(gè)電壓反饋回路來保持穩(wěn)定。如果輸出電壓低于設(shè)定值，控制閉環(huán)將調(diào)整開關(guān)的占空比增加，以增加輸出電壓。

5、輸出電壓經(jīng)過一個(gè)濾波電容，以減小輸出紋波。然后通過輸出線路提供給負(fù)載。

需要注意的是，以上描述的是基本的降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器工作原理。實(shí)際的轉(zhuǎn)換器電路可能包括其他元件，例如補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)壓器等，以提高穩(wěn)定性和效率。

　　降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器電路

　　Fig.1是同步整流方式的降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路。

　　基本電路結(jié)構(gòu)是在負(fù)責(zé)開關(guān)的MOSFET(Q1)之后，并聯(lián)連接整流用MOSFET(Q2)和輸出平滑電容器(C2)，串聯(lián)連接線圈與MOSFET(Q1)。

　　Q1與Q2由IC輸出的控制信號(hào)控制。

　　同步整流方式的降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的電路

　　MOSFET(Q1)導(dǎo)通

　　Fig.2表示開關(guān)元件Q1導(dǎo)通的狀態(tài)。

　　當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí),電流從輸入Vin流過線圈L并對(duì)輸出平滑電容器C2充電，提供輸出電流Iout。

　　此時(shí)線圈L上流過的電流產(chǎn)生磁場，并將電能轉(zhuǎn)換成磁能蓄積儲(chǔ)存。

開關(guān)元件Q1導(dǎo)通的狀態(tài)

　　Q1導(dǎo)通的ton期間，在線圈L上施加輸入電壓Vin與輸出電壓Vout的電壓，以輸出電流Iout為中心的紋波電流為：

　　ΔIL：L上流過的電流變化量(紋波電流)[A]

　　Vin：輸入電壓[V]

　　Vout：輸出電壓[V]

　　L：線圈電感值[H]

　　ton：Q1導(dǎo)通時(shí)間[s]

　　MOSFET(Q2)導(dǎo)通

　　Fig.3表示開關(guān)元件Q2導(dǎo)通的狀態(tài)。

　　Q1關(guān)斷后Q2導(dǎo)通，L上儲(chǔ)存的能量向輸出側(cè)釋放。

MOSFET(Q2)導(dǎo)通狀態(tài)

　　在Q1關(guān)斷的toff期間，為了維持線圈L上流動(dòng)的電流，經(jīng)由Q2向負(fù)載釋放電流。此toff期間的紋波電流為：

　　ΔIL：　　L上流過的電流變化量(紋波電流)[A]

　　Vout：　　輸出電壓[V]

　　L：　　線圈電感值[H]

　　toff：　　Q1關(guān)斷時(shí)間[s]

　　占空比

　　由于穩(wěn)態(tài)下的Q1導(dǎo)通公式(1)與Q2導(dǎo)通公式(2)的ΔIL相等，因此輸入輸出電壓的關(guān)系為：

　　ton/(ton + toff)為Q1導(dǎo)通的時(shí)間比，被稱為占空比(duty cycle)。

　　Vout取決于占空比，通過控制占空比來控制Vout。　　

設(shè)(ton + toff)為開關(guān)周期T[s]，此時(shí)的開關(guān)頻率為fsw[Hz]，將公式(1)與公式(3)整理為與fsw的關(guān)系就是：

若Vin及Vout已確定，那么輸出的紋波電流則由L與fsw決定。

如果紋波電流大，則輸出紋波電壓變大。

此外，也容易使線圈飽和，從而造成鐵芯損耗增大等影響。

為了解決此類問題，需要提高開關(guān)頻率，或者增加線圈的圈數(shù)來提高電感值。

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