DC-DC-1---DCDC的原理及構(gòu)成

1.什么是DC-DC

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，英文(regulatior)，有人叫它調(diào)節(jié)器、穩(wěn)壓源。實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，就是需要控制系統(tǒng)(負(fù)反饋)，從自動(dòng)控制理論中我們知道，當(dāng)電壓上升的時(shí)候通過(guò)負(fù)反饋把它降低，當(dāng)電壓下降的時(shí)候就把它升上去，這樣形成了一個(gè)控制環(huán)路,圖1-1是降壓型DCDC的結(jié)構(gòu)?？刂茊卧饕蠵WM(脈寬控制方式)，PFM(頻率控制方式)、移相控制方式等。儲(chǔ)能元件常用為電感和電容(電荷泵)。

圖1-1：降壓型DCDC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

當(dāng)開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通時(shí)，輸入能量從輸入電容Cin，通過(guò)開(kāi)關(guān)元件--->儲(chǔ)能元件--->輸出電容Cout--->負(fù)載RLOAD，此時(shí)儲(chǔ)能元件同時(shí)也在儲(chǔ)存能量，可以得到加在電感上的電壓為：Vin-Vout=L*di/dton。

當(dāng)開(kāi)關(guān)元件關(guān)閉時(shí)，Vin不再提供能量，能量通過(guò)續(xù)流回路補(bǔ)充，從儲(chǔ)能元件L存儲(chǔ)的能量--->輸出電容Cout--->負(fù)載RLOAD--->續(xù)流元件。此時(shí)可得式：L*di/dtoff= Vout，最后我們可以得出Vout/Vin=D，而Vout 永遠(yuǎn)是小于Vin 的，因?yàn)檎伎毡菵≤1，圖1-2顯示了占空比對(duì)Vout大小的影響。如下是各個(gè)器件的功能：

圖1-2：占空比對(duì)Vout的大小影響

1、輸入電容(Cin) 用于使輸入電壓平穩(wěn);

2、輸出電容(Cout) 負(fù)責(zé)使輸出電壓平穩(wěn)(平滑);

3、箝位二極管(D1) 在開(kāi)關(guān)開(kāi)路時(shí)為電感器提供一條電流通路;

4、電感器(L1) 用于存儲(chǔ)即將傳送至負(fù)載的能量。

2.DC-DC的類(lèi)型和拓?fù)?/p>

1.降壓型DC-DC

圖1-3：降壓型

2.升壓型DC-DC

圖1-4：升壓型

3.反相型DC-DC

圖1-5：反相型

4.升-降壓型DC-DC

圖1-6：升-降壓型

3.伏秒定律

無(wú)論是哪一種DC-DC，最核心的工作原理是伏秒定律，也叫伏秒原則，伏秒平衡。在穩(wěn)態(tài)工作的開(kāi)關(guān)電源中電感兩端的正伏秒值等于負(fù)伏秒值。伏秒數(shù)也稱(chēng)為伏秒積，即電感兩端的電壓V和開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間T二者的乘積。

當(dāng)開(kāi)關(guān)電源電路處于穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感的電流變化量最終為零(電流穩(wěn)定)，即開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)通過(guò)電感的電流增加量和開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)電感的電流減少量是相等的。換句話(huà)說(shuō)，處于穩(wěn)定工作狀態(tài)的開(kāi)關(guān)電路中，一個(gè)周期因開(kāi)關(guān)作用被分為兩段，其中開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)電感電流在增加，開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)間內(nèi)電感電流在減少，那么在一個(gè)周期內(nèi)，電流的增加量與電流的減少量是相等的，即：ΔIon=ΔIoff。那么加在電感兩端的電壓乘以導(dǎo)通時(shí)間等于關(guān)斷時(shí)刻電感兩端電壓乘以關(guān)斷時(shí)間，或指在穩(wěn)態(tài)工作的開(kāi)關(guān)電源中電感兩端的正伏秒值等于負(fù)伏秒值。在一個(gè)周期T內(nèi)，電感電壓對(duì)時(shí)間的積分為0，任何穩(wěn)定拓?fù)渲械碾姼卸际莻鬟f能量而不消耗能量，都會(huì)滿(mǎn)足伏秒平衡原理。伏秒原則可以保證電感不會(huì)出現(xiàn)偏磁現(xiàn)象，不會(huì)出現(xiàn)飽和。分析開(kāi)關(guān)電源中電容和電感的幾條原則：電容兩端的電壓不能突變 (當(dāng)電容足夠大時(shí),可認(rèn)為其電壓不變);電感中的電流不能突變 (當(dāng)電感足夠大時(shí),可認(rèn)為其電流恒定不變);流經(jīng)電容的電流平均值在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)為零;電感兩端的伏秒積在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)必須平衡。如下是推導(dǎo)過(guò)程：

開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電感電壓Von=L×?Ion/?Ton

開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電感電壓Voff=L×?Ioff/?Toff

因?yàn)橐粋€(gè)周期內(nèi)電流的變化量相等，所以Von×Ton=Voff×Toff，因?yàn)門(mén)on和Toff決定開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)的占空比，所以可以推出降壓，升壓，升降壓拓?fù)涞妮斎?，輸出和占空比的關(guān)系：

降壓：Vout = Vin ● D

升壓：Vout = Vin / (1-D)

升降壓：Vout = Vin ● D / (1-D)

由于D的大小和電子元器件的限制，實(shí)際降壓不能無(wú)限降，升壓不能無(wú)限升。