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DC-DC初级入门

 

tziang@hotmail.com

2009-10-16

 

5类主要的不隔离型DC/DC:

buck：降压

boost：升压

buck-boost：升压降压

Cuk：升压降压

Charge-pump：升压或反向

 

2009-10-19

buck电路结构简析

 

集成IC以固定的频率，根据检测到的输出改变占空比控制Q1的通断；

Q1导通后，电流从Q1 到L再到C1和负载，电感中形成磁场，存储能量，在电感上产生部分和输入电压的反电动势；

Q1关断后，电感上的反电动势维持原来电流方向经过D1对负载放电

 

如果不是深度操作(应该是说不进入电流不连续模式),负载上的电压

Vout=Vin * D ，可以看出调整D(占空比)，即可调节输出电压，

 

转换器理论上的效率为100%的话，Iout/In=Vin/Vout，

假设降压比为2:1,则输入电流为输出电流一半，根据实际的转换器通常输入电流需要至少比此大10%

 

boost电路结构简析

 

Q1导通后，电流通过Q1，L，在电感中以磁场的形式存储能量，D1中没有电流，C1为负载提供电流，

Q1关断后，电感的反电动势维持原来电流流向，与电源同向，电感的反电动势和电源叠加(boosts),电流通过L，D1 到负载，并且对C1充电，

输出电压大于供电电源，Vout/Vin =1/(1-D)

 

buck-boost电路结构简析

Vout/Vin=-D/(1-D)或者Vout/Vin=-Ton/Toff

占空比小于50%时为降压电路

占空比大于50%时为升压电路

输出电压的极性与输入是相反的

 

Cuk电路结构简析

 

类似buck和boost结构的组合，同buck-boost可以反转输入极性；

由于所有输出电流和纹波都需要通过C1，C1通常为低ESR的大电解电容

Vout/Vin=-D/(1-D)=-Ton/Toff

与buck-boost电路相比，由于有输入输出串联的电感，cuk电路的纹波电流会更小，实际上如果合理的调整电感值，输入输出的纹波几乎可以完全消除；

 

 

Charge-pump电路结构简析

C1，称为charge bucket电容；

a. Q1和Q4导通，C1被充电到Vin；

b. Q1和Q4关闭，Q2和Q3导通，C1和Vin串联顺接，C2被充电到2Vin;

整个过程高速反复，C2在Q2，Q3关闭状态下对负载供电；

C1同样需要大容值低ESR

Charge-pump电路同样可以反转输入电压；

 

隔离型转换器电路结构简析；

以上的电路输入和输出都有公共节点，没有隔离，

有两种隔离型的，flyback和forward

 

Flyback电路结构简析

使用变压器存储能量

a. Q1导通，电流通过L1产生磁场存储能量；

b. Q1关断，变压器维持电流，L1产生反电动势(back-EMF),由于变压器的作用，更大的flyback脉冲在L2中产生，通过D1续流到负载

 

2009-10-22

输入输出电压比不是简单的L2和L1匝数比，因为反电动势是由线圈电感量以及Q1导通的时间等决定的；

 

由于变换器的磁通是一直同相的，所以磁性必须保证大功率下不会磁饱和，flyback变换器多是用于低功率的应用

 

Forward变换器电路结构简析

与flyback不同，它有两个不同相的能量提供给输出

常见的为如下推挽结构

工作过程中Q1，Q2不会同时打开，它们会交替导通(好像这是推挽结构的定义),开关频率通常为数十至上百kHz

 

L1=L2，L3为线圈的匝数，不是电感量

如果忽略整流桥的二极管压降，最终输出可写成

Forward变换器提供了一种直流电使用变压器的应用，DC变换成AC，AC再整流到DC，

一旦我们有了AC形式的能量，就可以调整次级线圈匝数，升压或降压

因为变压器中的磁场是交变的，不像flyback容易引起磁饱和，所以相同功率下，它的结构可以更小。更适合大功率的应用，汽车hifi放大器通常使用这种结构

 

Forward变换器的另一种应用在电脑和TV中，可以避免开关模式产生大量的热量(the heart of many modern multi-voltage “switch mode” power supplies)，

 

交流电先直接整流成340V或者240V，然后再送到Forward变换器，使用不同匝数的次级线圈产生各种低压DC

 

效率问题

 

电感或变压器，MOSFET的阻抗，二极管的压降，电感或变压器的磁滞(hysteresis)

和涡流(eddy current)

 

同步整流

Synchronous rectification

MOSFET替代二极管，并且使用前级的信号控制，可以提高效率

 

工作频率

使用高工作频率可以使用更小的电感，电容处理更高功率；

 参考文章: DC-DC CONVERTERS: A PRIMER