DC-DC转换器工作原理

在现代电子设备中，电源管理模块扮演着至关重要的角色。其中，DC-DC转换器作为一种高效的电源转换器件，被广泛应用于各种需要稳定、高效电源供应的场合。那么，DC-DC转换器是如何工作的呢?本文将为您揭开DC-DC转换器工作原理的神秘面纱。

一、DC-DC转换器概述

DC-DC转换器，即直流-直流转换器，是一种将一个直流电压转换为另一个直流电压的电子设备。它的工作原理是通过开关管(如MOSFET、IGBT等)的高速开关动作，将输入的直流电压斩波成脉冲波形，再经过滤波电路得到所需的稳定直流输出电压。

二、DC-DC转换器工作原理

1.开关管斩波：当开关管导通时，输入电压加在电感L上，电感L开始储能;当开关管关断时，电感L通过续流二极管D释放能量，将电能传递给负载。这样，输入电压就被斩波成了脉冲波形。

2.滤波电路：脉冲波形经过由电感L和电容C组成的滤波电路后，高频分量被滤除，得到了较为平滑的直流输出电压。

3.反馈与控制：为了保持输出电压的稳定，DC-DC转换器通常会设置一个反馈回路。输出电压的一部分被采样并与预设的目标电压进行比较，产生的误差信号经过放大后控制开关管的占空比，从而调整输出电压的大小。

三、DC-DC转换器的优势

1.高效能：由于采用了开关电源技术，DC-DC转换器的转换效率非常高，一般可达80%~95%，大大降低了能源浪费。

2.小体积：与传统线性稳压器相比，DC-DC转换器具有更小的体积和重量，便于集成和安装。

3.宽输入电压范围：DC-DC转换器可以适应较宽的输入电压范围，提高了电源系统的稳定性和可靠性。

4.保护功能：现代DC-DC转换器通常还具有过压、过流、过热等保护功能，有效保护了电源系统和负载设备的安全。

总之，DC-DC转换器作为一种高效、稳定的电源转换器件，在现代电子设备中发挥着不可替代的作用。了解其工作原理有助于我们更好地选择和使用DC-DC转换器，为电子设备提供稳定、可靠的电源保障。

之前也写过一篇关于DC-DC转换原理的文章，个人觉得有点解释不清，可能初学者读了之后会云里雾里，不知道表达的是什么，所以想再用一种虽然很简单，但却很详细的方法再次介绍一下DC-DC的转换原理，当然我说了是针对初学者，大佬们自行忽略。想要熟练的设计应用一些DC-DC功率IC的话掌握最基本的原理，那是无可厚非了，那我就开始班门弄斧了，如果有写的不对的地方，希望有专业的大佬给予指正。

首先因为电感在电路中的连接方式导致DC-DC电路分三种基本类型，那就是我们熟知的《升压转换电路》《降压转换电路》《升降压转换电路》那哪种情况下会用到这三种电路中的哪一种呢?其实这个很简单，如果前端的输入电压比负载端的电压低的时候，我们需要驱动负载的话，那我们肯定选择升压电路，前端电路的输入电压比负载电压高的话，那就选择降压电路，也存在一种情况就是说如果前端输入电压是一个宽泛的范围，后端的负载电压也可能存在一个宽泛的范围，那可能有时候需要降压，有时候需要升压，那就当然选择升降压电路。

我们以升压电路为例，说明一下原理：首先了解一下伏秒定律，电感复位 占空比这几个名词，因为这三种电路中存在一种必不可少的电子元器件 那就是电感。电感方程：V=L*△I/△t，电感的电压与电感值以及电流变化值，时间的关系式。这个公式很重要。电感会充电也会放电，那么电感在DC-DC转换电路中需要达到稳态，也就是电感复位这个词，稳态工作状态下的充电时电感电流(能量)增量必然会等于电感放电时的电感电流减量,△Ion=△Ioff,这里的on 跟off 代表电感的充电放电的两个过程，也就是下图中的State1和State2，IDC为电流的直流分量,也就是平均电感电流。IPP为纹波电流，也就是电感公式中所提到的△I。

下面会结合升压电路再进行讲解，V=L*△I/△t，△Ion=△Ioff由这个两个公式结合起来推导出Von*ton=Voff*toff 也就是上面所提到的伏秒定律，电感电压与电压的作用时间的乘积叫伏秒积。导通阶段的电感电压与其作用时间的乘积必然会等于关断阶段电压电压与其作用时间的乘积，这就是伏秒定律的定义。

什么又是占空比呢?简而言之就是在一个周期内，开关导通时间占整个周期的比率。D=tON/(tON+tOFF) 那么这个公式结合伏秒定律 VON×tON=VOFF×tOFF 又可以推导出新的公式D=tON/(tON+tOFF)=VOFF/(VOFF +VON)，如下图高电平为TON，低电平为TOFF，一个周期为T。

了解了这几个概念之后我们分析起这电路的原理，就水到渠成了，以升压电路为例：

当开关闭合时，电源给电感充电，当开关断开时，电感储能放电，与电源一起给负载供电。伏秒定律Von*ton=Voff*toff这时候你可能会问?当开关闭合与开关断开的时候Von与Voff都是多少呢?其实这个问题很简单，相信著名的基尔霍夫电压定律大家都了解。也就是闭合回路中所有压降的代数为0，如果你不理解电感上的电压Von跟Voff上的电压都是多少的话，根据基尔霍夫电压定律就帮你很好的解决了这个问题。很显然，当开关管闭合的时候，闭合回路中只存在电感与电源,那么Von必然就等于电源电压。

VON=VIN-VSW VON≈VIN 假设VSW相比足够小当开关管断开时，根据电压定律 VOFF=VO+VD-VIN VOFF≈VO-VIN 假设VSW相比足够小D=tON/(tON+tOFF)=VOFF/(VOFF +VON)D=(VO-VIN)/{(VO-VIN)+VIN }=(VO-VIN)/ VO→VIN=VO×(1-D)至此，推出了我们想要的公式VO 与VIN 的关系，最终达到升压的目的。这个时候你一定会问，那电流呢?负载的电流跟电感的电流又是什么关系呢?电感电流中不仅有直流分量，还存在纹波电流，还有峰值电流的概念。电感的纹波电流△I=2IAC电感的直流分量IL=LDC峰值电流IP=IAC IDC

你一定会问那这三种电流概念对我们设计电路的时候都会有什么影响呢?在此先对与负载电流有直接关系的IDC进行分析，其他两个概念以后再进行讲解,直流电流IDC=电感平均电流IL，这里很容易理解，输出电容的平均电流为0，在开关管ON的阶段内， 负载没有通过电感向其提供电流，只有在开关OFF的时间阶段内，负载才有经电感的电流，所以很容易推断出即IDC=IO/(1-D)

说到这你肯定会问，由公式来看的话电感的平均到电流只跟负载的电流以及占空比有关系对吗?那改变开关的频率以及改变电感值会影响到电感的平均电流值吗?由上图也可以看出IDC为电感电流的斜坡中心，也有的人叫它基准电流，没错IDC的大小仅取决于能量流的需求，如果输出功率不变，输入输出电压不变也就是占空比不变的话，直流分量就不会发生改变。

也就是说改变电感值，以及开关频率都不会影响电感的平均电感电流。实际的实验也验证了这一结论(该实验数据引自精通开关电源设计)

对于DC-DC电路中电感的其他参数的定义解释说明，下次再进行介绍，希望写的这些对初学者有一定的帮助。水平有限，请大佬们多多指教。