DC/DC降压转换器的工作原理及其设计

DC/DC转换器是开关电源芯片，指利用电容、电感的储能的特性，通过可控开关(MOSFET等)进行高频开关的动作，将输入的电能储存在电容(感)里，当开关断开时，电能再释放给负载，提供能量。其输出的功率或电压的能力与占空比(由开关导通时间与整个开关的周期的比值)有关。开关电源可以用于升压和降压。

输出电压通过分压电阻与基准电压作比较，从而形成一个反馈。当输出电压减小并低于基准电压，比较器输出发生翻转并触发振荡电路开始工作。振荡电路输出一个固定时间的脉冲，用于控制MOS管的导通。反之则MOS管将被截止。其中导通由振荡器控制，而截止时间取决于负载。按这样的方法，即可控制输出电压。

电荷泵为容性储能DC-DC产品，可以进行升压，也可以作为降压使用，还可以进行反压输出。电荷泵消除了电感器和变压器所带有的磁场和电磁干扰。

工作原理

电荷泵是通过外部一个快速充电电容(Flying Capacitor)，内部以一定的频率进行开关，对电容进行充电，并且和输入电压一起，进行升压(或者降压)转换。最后以恒压输出。在芯片内部有负反馈电路，以保证输出电压的稳定，如上图Vout ，经R1,R2分压得到电压V2，与基准电压VREF做比较，经过误差放大器A，来控制充电电容的充电时间和充电电压，从而达到稳定值。电荷泵可以依据电池电压输入不断改变其输出电压。例如，它在1.5X或1X的模式下都可以运行。当电池的输入电压较低时，电荷泵可以产生一个相当于输入电压的1.5倍的输出电压。而当电池的电压较高时，电荷泵则在1X模式下运行，此时负载电荷泵仅仅是将输入电压传输到负载中。这样就在输入电压较高的时候降低了输入电流和功率损耗。

降压转换器的工作原理

降压转换器是一种输出电压低于输入电压的开关转换器。也称为降压开关转换器。降压转换器只有四个主要部件。它们分别是开关管(下图中的Q1)、二极管(下图中的D1)、电感器(下图中的L1)和电容滤波器(下图中的C1)。输入电压 VIN 必须高于输出电压 VOUT 才能成为降压转换器。

降压转换器充当电压调节器，但利用 BJT、MOSFET 或 IGBT 等半导体部件的开关动作。 Q1将不断地开关，D1充当续流二极管，L1将充放电能量，而C1将存储能量。降压稳压器是一种低损耗稳压器，如果设计得当，效率可达 90% 以上。

降压转换器的电路原理

上图显示了一个非常基本的降压转换器电路。要了解降压转换器的工作原理，我将把电路分为两种情况。晶体管导通时的第一个条件，晶体管关闭时的下一个条件。

1、晶体管开启状态

在这种情况下，我们可以看到二极管处于开路状态，因为它处于反向偏置状态。在这种情况下，一些初始电流将开始流过负载，但电流受到电感器的限制，因此电感器也开始逐渐充电。(关注不迷路-电路一点通)因此，在电路导通期间，电容器会逐个周期地建立充电，并且该电压会反映在负载上。

2、晶体管关闭状态

当晶体管处于关闭状态时，存储在电感器 L1 中的能量会崩溃并通过二极管 D1 流回，如带箭头的电路所示。在这种情况下，电感两端的电压极性相反，因此二极管处于正向偏置状态。现在，由于电感器的磁场坍塌，电流继续流过负载，直到电感器电量耗尽。所有这些都发生在晶体管处于关闭状态时。

在电感几乎耗尽存储能量的一段时间后，负载电压再次开始下降，在这种情况下，电容器C1成为主要电流源，电容器在那里保持电流流动，直到下一个周期开始再次。

现在通过改变开关频率和开关时间，我们可以从降压转换器获得从 0 到 Vin 的任何输出。

降压转换器的工作模式

降压转换器可以在两种不同的模式下运行。连续模式或间断模式。

1、降压转换器的连续模式

在连续模式下，电感器永远不会完全放电，充电周期在电感器部分放电时开始。

在上图中，我们可以看到，当开关导通时，电感电流 (iI) 线性增加，然后当开关断开时，电感开始减小，但开关再次导通，同时电感部分放电。这是连续操作模式。

2、降压转换器不连续模式

不连续模式与连续模式略有不同。在断续模式下，电感器在开始新的充电周期之前完全放电。在开关打开之前，电感器将完全放电至零。

在间断模式下，如上图所示，当开关导通时，电感电流 (il) 线性增加，然后当开关断开时，电感开始减小，但开关仅在电感电流之后才导通。完全放电，电感电流完全为零。这是不连续操作模式。在此操作中，流过电感器的电流不连续。

降压转换器的工作原理

‌降压转换器(Buck Converter)是一种电力电子设备，主要用于将高电压转换为低电压。其工作原理基于电感和开关管的工作机制，通过控制开关管的通断，使电感储存能量，然后通过电容器将能量输出，实现电压的降低‌‌12。

降压转换器的基本组成

降压转换器通常包含以下四个主要部件：

‌开关管‌：负责控制电路的通断。

‌二极管‌：作为续流二极管，确保电流在开关管关闭时能够继续流动。

‌电感器‌：用于储存和释放能量。

‌电容滤波器‌：用于平滑输出电压，减少电压波动‌12。

工作原理的详细解释

降压转换器的工作原理可以分为两个主要阶段：

‌开关管导通阶段‌：当开关管导通时，二极管处于开路状态，电感开始充电，电流通过电感流向负载。此时，电感储存能量‌12。

‌开关管关断阶段‌：当开关管关闭时，电感中的能量通过二极管释放，继续为负载供电。此时，电感中的电流逐渐减小，电容则提供额外的平滑作用‌12。

实际应用中的降压转换器

降压转换器广泛应用于各种领域，包括电子设备、通信设备、汽车电子和工业自动化等。其核心在于通过控制开关管的通断，实现输入电压到输出电压的有效转换。降压转换器具有低损耗、高效率的特点，设计得当的情况下，效率可达90%以上‌12。

一、降压式变换器的拓扑结构

降压式变换器，也被称为Buck变换器，其基本拓扑结构包括一个开关管、一个电感、一个电容以及输出负载。通过控制开关管的通断，可以实现输入电压到输出电压的降压转换。这种变换器广泛应用于各种电力电子系统中，如电源适配器、电池充电电路等。其核心在于开关管的控制策略，直接影响到输出电压的稳定性和转换效率。

降压式DC/DC变换器，也被称为Buck变换器，是DC/DC变换器中应用最为广泛的一种。它能够将高直流电压有效地转换为低直流电压，例如将24V电压降低至12V或5V。这种变换器具有低损耗、高效率的特点，因此广泛应用于多个领域。

其基本拓扑结构包括直流输入电压U1、功率开关管VT、续流二极管VD、输出滤波电感L、输出滤波电容C以及直流输出电压Uo和外部负载电阻RL。脉宽调制器(PWM)负责控制功率开关管VT的通断，是变换器的核心控制部件。

降压式DC/DC变换器的工作原理

基于功率开关管VT在PWM信号的作用下，高速且交替地导通与关断。这一过程类似于一个机械开关的快速闭合与断开，从而实现了输入电压到输出电压的降压转换。

当功率开关管VT导通时，如图(a)所示，续流二极管VD处于截止状态。此时，输入电压U1被施加到储能电感L的左端，导致电感上产生(U1-Uo)的电压。这一电压使得通过电感的电流线性增加，同时电感储存的能量也在不断积累。在此期间，输入电流(即电感电流IL)不仅为负载提供所需的电力，还会为滤波电容C充电。因此，电感电流IL等于电容充电电流I1与负载电流Io之和。

当VT关断时，如图(b)所示，电感L与输入电压U1断开连接。由于电感电流不能发生突变，因此在电感上会产生一个感应电压，其极性为左“-”右“+”，旨在维持电感电流IL的稳定。此时，续流二极管VD开始导通，电感中储存的磁场能量被转化为电能，并通过VD形成的回路继续为负载供电。在此过程中，电感电流IL线性减小。同时，滤波电容C产生放电电流I2，与电感电流IL共同为负载供电，因此负载电流Io是电感电流和电容放电电流之和。

降压式变换器在功率开关管导通期间向负载传输能量

因此属于正激型变换器。其电压及电流波形如图所示，其中PWM表示脉宽调制波形，tON和tOFF分别代表功率开关管VT的导通和关断时间，而T则是开关周期，等于tON与tOFF之和。此外，tON与T的比值被称为占空比，用“D”表示，即D=tON/T。

Ue为功率开关管VT的发射极电压波形，Ic为VT的集电极电流波形。IF为续流二极管VD的电流波形，而IL则为滤波电感的电流波形。从图中可以观察到，当功率开关管VT处于导通状态时，其发射极电压Ue与输入电压U1相等;而在VT关断时，Ue则降为零。此外，电感电流IL在VT导通期间线性增加，而在VT关断时则线性减小。值得注意的是，电感电流IL是由VT的集电极电流Ic与续流二极管VD的电流IF共同作用形成的。

对于DC/DC变换器而言，其输出电流Io是滤波电感电流IL的平均值。同时，电感电流波形中的峰值与谷值之差代表了电感的纹波电流。为减小输出电流的纹波，需要选择足够大的电感L，以确保DC/DC变换器能够工作在连续模式。通常，纹波电流应控制在额定输出电流的20%左右。

降压式DC/DC变换器具有以下关键特点：

输出电压Uo小于输入电压U1，因此得名降压式变换器。输出电压Uo与输入电压U1的关系由占空比D决定，即Uo=DU1，通过调整占空比D可以改变输出电压。

输出电压Uo与输入电压U1的极性保持一致。

功率开关管VT所承受的最大电压为UCE，其值为输入电压U1。

功率开关管VT集电极的最大电流Ic等于输出电流Io。

续流二极管VD的平均电流IF为(1-D)Io。

续流二极管VD所承受的反向电压UR等于输入电压U1。

降压式DC/DC变换器既可以由分立元件和PWM控制器组合而成，也可以选择使用集成电路产品，如LM2576、1M2596、L4960等。其中，LM2576的外围电路设计最为简洁。

降压转换器的工作原理

降压转换器是一种输出电压低于输入电压的开关转换器。也称为降压开关转换器。降压转换器只有四个主要部件。它们分别是开关管(下图中的Q1)、二极管(下图中的D1)、电感器(下图中的L1)和电容滤波器(下图中的C1)。输入电压 VIN 必须高于输出电压 VOUT 才能成为降压转换器。

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降压转换器充当电压调节器，但利用 BJT、MOSFET 或 IGBT 等半导体部件的开关动作。 Q1将不断地开关，D1充当续流二极管，L1将充放电能量，而C1将存储能量。降压稳压器是一种低损耗稳压器，如果设计得当，效率可达 90% 以上。

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降压转换器的电路原理

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上图显示了一个非常基本的降压转换器电路。要了解降压转换器的工作原理，我将把电路分为两种情况。晶体管导通时的第一个条件，晶体管关闭时的下一个条件。

1、晶体管开启状态

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在这种情况下，我们可以看到二极管处于开路状态，因为它处于反向偏置状态。在这种情况下，一些初始电流将开始流过负载，但电流受到电感器的限制，因此电感器也开始逐渐充电。(关注不迷路-电路一点通)因此，在电路导通期间，电容器会逐个周期地建立充电，并且该电压会反映在负载上。

2、晶体管关闭状态

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当晶体管处于关闭状态时，存储在电感器 L1 中的能量会崩溃并通过二极管 D1 流回，如带箭头的电路所示。在这种情况下，电感两端的电压极性相反，因此二极管处于正向偏置状态。现在，由于电感器的磁场坍塌，电流继续流过负载，直到电感器电量耗尽。所有这些都发生在晶体管处于关闭状态时。

在电感几乎耗尽存储能量的一段时间后，负载电压再次开始下降，在这种情况下，电容器C1成为主要电流源，电容器在那里保持电流流动，直到下一个周期开始再次。

现在通过改变开关频率和开关时间，我们可以从降压转换器获得从 0 到 Vin 的任何输出。

降压转换器的工作模式

降压转换器可以在两种不同的模式下运行。连续模式或间断模式。

1、降压转换器的连续模式

在连续模式下，电感器永远不会完全放电，充电周期在电感器部分放电时开始。

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在上图中，我们可以看到，当开关导通时，电感电流 (iI) 线性增加，然后当开关断开时，电感开始减小，但开关再次导通，同时电感部分放电。这是连续操作模式。

2、降压转换器不连续模式

不连续模式与连续模式略有不同。在断续模式下，电感器在开始新的充电周期之前完全放电。在开关打开之前，电感器将完全放电至零。

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在间断模式下，如上图所示，当开关导通时，电感电流 (il) 线性增加，然后当开关断开时，电感开始减小，但开关仅在电感电流之后才导通。完全放电，电感电流完全为零。这是不连续操作模式。在此操作中，流过电感器的电流不连续。